Синхронные двигатели

8.1. Принцип действия синхронных двигателей

Если уменьшить механическую мощность, развиваемую первичным двигателем на оси генератора, угол между осью полюсов индуктора и осью полюсов магнитного поля начинает уменьшаться (рис. 8.1, а) и энергия, поставляемая генератором в сеть, начнет уменьшаться, если генератор работает параллельно с сетью. На рисунке стрелками показано направление действия на ротор механических сил.

Рис. 8.1

Вращающееся магнитное поле статора представлено в форме поля вращающегося постоянного магнита.

Когда механический момент первичного двигателя будет практически равен нулю, угол будет равен нулю (рис. 8.1, б). Генератор будет полностью разгружен, и первичный приводной двигатель будет ему поставлять только мощность, необходимую для компенсации потерь холостого хода. Если теперь отделить первичный приводной двигатель от генератора, угол становится отрицательным, так как ротор начинает несколько отставать от магнитного потока статора, но машина продолжит вращаться синхронно с результирующим магнитным потоком.

В этом случае потери холостого хода синхронной машины будут компенсироваться за счет электрической энергии, поставляемой из сети, а машина будет работать в режиме двигателя. Если теперь нагрузить синхронную машину механическим моментом сопротивления, угол между осями магнитных полюсов статора и ротора увеличивается и механическая мощность, развиваемая двигателем, увеличивается. Одновременно увеличивается и электрическая мощность, потребляемая двигателем из сети (рис. 8.1, в). Механический момент, с которым магнитное поле действует на ротор, будет совпадать с направлением вращения магнитного поля. Мы получили двигатель, который преобразует электрическую энергию в механическую.

Изменение знака механического момента на валу при переходе работы синхронной машины из режима генератора в режим двигателя можно установить из ранее полученного выражения механического момента на валу синхронной машины. Действительно, для машины с неявно выраженными полюсами

.

При отрицательных значениях угла механический момент на валу генератора будет отрицательным, что говорит о том, что синхронная машина уже не потребляет механическую энергию приводного двигателя, а отдает ему механическую энергию, т. е. сама является двигателем.

8.2. Векторная диаграмма напряжений синхронного двигателя

Векторные диаграммы синхронных двигателей достаточно легко построить исходя из уравнений электрического равновесия для двигателя с неявно выраженными полюсами

и для синхронных двигателей с явно выраженными полюсами

.

На векторной диаграмме напряжений двигателя строят вектор напряжения сети , к которой подключен синхронный двигатель. Напряжение сети представляет собой сумму падения напряжения на синхронном сопротивлении, падения напряжения на резистивном сопротивлении обмотки статора и противоЭДС , которая противоположна по фазе ЭДС обмотки статора . На рис. 8.2 представлены векторные диаграммы напряжений синхронного двигателя, работающего при различных токах возбуждения.

Рис. 8.2

На рис. 8.2, а представлена векторная диаграмма напряжений синхронного двигателя, ток возбуждения которого меньше номинального тока возбуждения. «Недовозбужденный» синхронный двигатель обеспечивает отставание потребляемого тока от напряжения сети.

На рис. 8.2, б представлена векторная диаграмма напряжений синхронного двигателя, ток возбуждения которого больше номинального значения. Как следует из векторной диаграммы, ЭДС холостого хода генератора стала значительно больше, тогда как начальная фаза тока сменила знак на противоположный. Таким образом, если ток возбуждения двигателя больше номинального тока, то синхронный двигатель для питающей сети представляет собой активно-емкостную нагрузку. Это явление используется на предприятиях для улучшения коэффициента мощности.