Файл: Пиотровский Л.М. Электрические машины учебник.pdf

Гл а в а т р и д ц а т ь девятая

РАБОТА СИНХРОННОЙ МАШИНЫ В РЕЖИМЕ ДВИГАТЕЛЯ И КОМПЕНСАТОРА

39-1. Основные сведения о синхронном двигателе

До 1915 г. синхронный двигатель не имел промышленного значе­ ния, так как его пусковые характеристики не отвечали предъявляе­ мым требованиям. Положение дела резко изменилось уже к 1916 г., когда встал вопрос о коэффициенте мощности (cos ср) как отдельных приемников электроэнергии, так и сетей. По обстоятельствам воен­ ного времени заводы были вынуждены устанавливать асинхронные двигатели часто большей мощности, чем это требовалось условиями работы привода. Это привело к значительному снижению коэффи­ циента мощности сетей и электростанций, так как асинхронные дви­ гатели работают с тем более низким cos ф, чем меньше они нагружены. В ответ на это был введен двойной тариф на электроэнергию, а перед электромашиностроением была поставлена задача использовать синх­ ронные двигатели, которые, как будет показано, могут работать не только при cos ф = 1, но и с опережением тока по фазе относительно напряжения или с так называемым опережающим cos ф. Но для этого нужно было улучшить их пусковые характеристики в такой степени, чтобы они не служили препятствием к нормальной эксплуатации двигателя.

Поставленная задача была решена уже к 1916 г. Решение состояло в усовершенствовании ранее известного асинхронного пуска синх­ ронного двигателя. Сущность способа состоит в том, что при пуске двигатель начинает вращаться как асинхронный, а затем самостоя­ тельно синхронизируется с сетью и продолжает работать уже как сипхронный.

В настоящее время синхронные двигатели с асинхронным пуском получили широкое распространение.

39-2. Конструктивные особенности синхронного двигателя

Синхронные двигатели выполняются главным образом как явно­ полюсные; в неявнополюсном исполнении они встречаются относи­ тельно редко.

Явнополюсные синхронные двигатели выполняются в СССР на мощности от 40 до 7500 кет включительно на все стандартные напря­ жения и для скоростей вращения от 1000 до 125 об/мин. Учитывая ценное свойство синхронных двигателей — при перевозбуждении работать с опережающим cos ф — их выполняют для номинальной работы при cos ф = 1 и опережающем cos ф = 0,8. Однако в послед­ нем случае двигатель должен иметь большую намагничивающую силу ротора, и его якорь должен быть рассчитан на больший ток. Поэтому двигатели, выполненные для работы при опережающем cos ф = 0,8,

457

несколько тяжелее и дороже двигателей, работающих при cos ср = 1, а их к. и. д. несколько меньше.

Статор синхронного двигателя имеет практически ту же кон­ струкцию, что и статор генератора, только зазор между статором и ротором делается уменьшенным. При явнополюсном исполнении в полюсные наконечники двигателя закладывают специально рас­ считанную пусковую обмотку. В двигателях неявнополюсного типа роль пусковой обмотки обычно выполняют массивный сердечник ротора, металлические клинья в пазах ротора и бандажи.

Для привода быстроходных механизмов заводом «Уралэлектроаппарат» разработана серия синхронных двигателей мощностью 1300, 2000 и 3000 кет, имеющих массивный ротор со сплошными полюсными наконечниками. Отсутствие специальной пусковой об­ мотки обеспечивает большую эксплуатационную надежность таких двигателей. Пуск двигателей — асинхронный (§ 39-41 — от полного напряжения сети или с понижением напряжения до 70% номиналь­ ного.

При пуске от полного напряжения начальный пусковой ток Іа = = (4 -4- 5,5) / н, начальный пусковой момент М п = (2 -=- 3) Мн.

Двигатели с. массивными полюсами (серия ДСП) выполняются в закрытом исполнении и имеют двустороннюю радиально-осевую вентиляцию. Их весовые показатели и к. и. д. несколько лучше, чем асинхронных двигателей, работающих с той же скоростью вращения.

Возбуждение двигателей осуществляется с помощью непосред­ ственно присоединенных к ним возбудителей — машин серии ПН.

39-3. Принцип обратимости синхронных машин

Синхронные машины, как и другие типы электрических машин, обладают свойством обратимости, т. е. синхронная машина, предназ­ наченная для работы в ре­ жиме генератора, может работать в качестве двига­

теля, и наоборот.

Если в синхронном ге­ нераторе, работающем па­ раллельно с сетью, прекра­ тить подвод механической энергии от приводного двигателя, то машина бу­ дет продолжать вращаться синхронно, так как статор

и ротор будут по-прежнему упруго сцеплены между собой (рис. 39-1). Разница будет лишь в том, что при работе машины двигателем мощ­ ность подводится из сети к его.статору, магнитный поток которого является ведущим звеном системы, а поток ротора и, следовательно, ротор — ведомым звеном ее. Поэтому ось потока статора двигателя всегда опережает ось потока ротора на угол Ѳ, как это показано на модели.

458

При работе двигателя от мощной сети можно считать, что Ua = = const и / = const. Это значит, что полюсы статора на рис. 39-1 вращаются с постоянной скоростью п — 60///?. Если нагружать дви­ гатель, то ротор начнет все сильнее отставать от статора, соответ­ ственно чему будет увеличиваться упругое натяжение магнитных линий в зазоре, т. е. увеличится развиваемый двигателем вращающий момент Мш. Режим работы двигателя станет установившимся при та­ ком угле ѳ, когда врищающий и нагрузочный моменты двигателя взаимно уравновешиваются.

39-4. Асинхронный пуск синхронных двигателей

В настоящее время главное значение имеет так называемый асинхронный способ пуска синхронных двигателей. Для этого, как было сказано в § 39-2, в полюсные наконечники закладывают специ­ альную пусковую обмотку или делают ротор массивным со сплош­ ными полюсными наконечниками без специальной пусковой обмотки.

При асинхронном пуске синхронного двигателя подводимое к нему напряжение понижают при помощи дросселя или автотранс­ форматора (рис. 28-6, а и б) до

зажимах появилось бы напряжение, опасное для изоляции обмотки. Обычно в цепь возбуждения вводят последовательно с обмоткой активное сопротивление гп, превышающее сопротивление обмотки возбуждения в 10—15 раз.

Вращающееся поле якоря наводит э. д. с. и соответственно ток в пусковой обмотке или в пусковом контуре в машинах с массивным ротором (§ 39-2) и в обмотке возбуждения. Пусковая обмотка (или пусковой контур) должна быть рассчитана так, чтобы пусковые ха­ рактеристики двигателя, и прежде всего пусковой момент, отвечали требованиям, которые предъявляются к двигателю приводом.

На рис. 39-2 показаны характеристики асинхронных моментов: 1 — для тяжелых условий пуска и 2 — для облегченных. Но при этом нужно в обоих случаях обеспечить не только требуемую вели­ чину пускового момента Ма, но и необходимую величину так назы­

459

ваемого входного момента Мвх, способствующего синхронизации двигателя с сетью. Под последним понимают момент, развиваемый

ные двигатели, развивающие при пуске большой пусковой момент Ма, имеют меньший входной момент Мвх, т. е. труднее синхронизи­ руются с сетью, и наоборот.

Наряду с моментами Ма и Мвх большое значение имеет наиболь­ ший момент Мт, определяющий перегрузочную способность двига­

Ток, возникающий в обмотке возбуждения при пуске, создает на валу двигателя одноосный момент, поскольку обмотка возбуждения

Рис. 39-3. Добавочный электромагнитный момент: а — при опережении ротора, б — при совпадении магнит­ ных осей статора и ротора, в — при отставании ро­ тора

является однофазной (§ 28-2, рис. 28-4). Как правило, одноосный мо­ мент невелик и имеет только второстепенное значение.

В явнополюсных машинах при скоростях примерно 90—95% синхронной начинает действовать добавочный электромагнитный мо­ мент (обычно называемый реактивным) Мшл = Рэмл/а (§ 37-9, рис. 37-19), возникающий в результате упругости магнитных линий, проходящих через зазор из статора в ротор.

Пусть в некоторый момент времени северный полюс статора, дви­ гаясь относительно ротора в каком-нибудь направлении, например слева направо, левее полюса ротора (рис. 39-3, а). Полюс ротора, в который входят линии потока, становится южным, причем в резуль­ тате магнитного притяжения возникает сила F, стремящаяся затор­ мозить ротор. Так как поток статора вращается быстрее, чем ротор, то в один из следующих моментов времени ось поля статора прихо­ дит в совпадение с осью полюса ротора (рис. 39-3, б), а затем начинает опережать ротор (рис. 39-3, в). В первом случае F = 0, а во втором эта сила стремится ускорить ротор.

Таким образом, при асинхронном пуске реактивный момент имеет разные знаки в зависимости от взаимного расположения полюсов статора и ротора. Если нагрузка невелика, а скорость ротора близка к синхронной, то положительный реактивный момент может придать такое ускорение ротору, при котором последний перестанет отставать от поля статора и втянется в синхронизм.

460