Пуск синхронных двигателей

Пуск синхронного двигателя

Особенностью этого вида электрических машин является то, что его нельзя просто подключить к сети и ожидать его запуска. Кроме того, что для работы СД нужен не только источник тока возбуждения, у него и достаточно сложная схема пуска.

Запуск происходит как у асинхронного двигателя, а для создания пускового момента кроме обмотки возбуждения на роторе размещают и дополнительную короткозамкнутую обмотку «беличью клетку». Её еще называют «демпфирующей» обмоткой, потому что она повышает устойчивость при резких перегрузках.

Ток возбуждения в обмотке ротора при пуске отсутствует, а когда он разгоняется до подсинхронной скорости (на 3-5% меньше синхронной), подаётся ток возбуждения, после чего он и ток статора совершает колебания, двигатель входит в синхронизм и выходит на рабочий режим.

Для ограничения пусковых токов мощных машин иногда уменьшают напряжение на зажимах обмоток статора, подключив последовательно автотрансформатор или резисторы.

Пока синхронная машина запускается в асинхронном режиме к обмотке возбуждения подключаются резисторы, сопротивление которых превышает сопротивление самой обмотки в 5 — 10 раз. Это нужно чтобы пульсирующий магнитный поток, возникающий под действием токов, наводимых в обмотке при пуске, не замедлял разгон, а также чтобы не повредить обмотки из-за индуцируемыми в ней ЭДС.

СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ, СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Статор синхронных двигателей выполняется аналогично статору асинхронного двигателя с трехфазной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока. Ротор синхронных двигателей может иметь обмотку возбуждения, быть выполненным в виде постоянных магнитов или представлять собой зубчатый стальной цилиндр. Первая из названных конструкций ротора характерна для синхронных двигателей в основном средней и большой мощности. Двигатели с ротором в виде постоянного магнита или зубчатого колеса выполняются небольшой и средней мощности и находят главное применение в регулируемых электроприводах.

На рис. 6.1, а приведена схема включения трехфазного синхронного двигателя с обмоткой возбуждения. При этом ротор двигателя может быть выполнен неявнополюсным или иметь явно выраженные полюсы.

В качестве источника для питания обмотки возбуждения в схеме используется генератор 2 постоянного тока небольшой мощности, называемый возбудителем и устанавливаемый на валу синхронного

Рис. 6.1. Схема включения (а) и рабочая механическая характеристика (б) синхронного двигателя:

7 — двигатель; 2 — возбудитель; 3 — регулировочный резистор; 4 — обмотка возбуждения возбудителя

двигателя (см. рис. 6.1, а). Регулирование тока возбуждения двигателя / осуществляется изменением с помощью резистора 3 в цепи тока / ц возбуждения возбудителя 4. В современных схемах возбуждения синхронных двигателей широко применяются тиристорные управляемые выпрямители (тиристорные возбудители).

Вращающий момент синхронного двигателя обусловлен взаимодействием вращающегося магнитного поля, создаваемого обмотками статора, и магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения или постоянными магнитами на роторе. Взаимодействие этих полей может создать постоянный по направлению вращающий момент двигателя только в том случае, когда ротор будет вращаться со скоростью магнитного поля со = 2nfJp, т.е. синхронно с вращающимся полем. Таким образом, механическая характеристика синхронного двигателя со(А/) (см. рис. 6.1, б) представляет собой горизонтальную линию с ординатой со. Эта характеристика имеет место до некоторого максимального момента нагрузки Мтах, превышение которого приведет к выпадению двигателя из синхронизма, т.е. к нарушению синхронного вращения ротора и магнитного поля.

Для определения максимального момента Мтах двигателя, до которого сохраняется синхронная работа двигателя с сетью, служит угловая характеристика двигателя. Она представляет собой зависимость момента М от угла 0 сдвига между векторами ЭДС статора Е и фазного напряжения сети (7ф. Для неявнополюсного синхронного двигателя при пренебрежении активным сопротивлением цепи статора она выражается формулой

Рис. 6.2. Угловая характеристика синхронного двигателя

где t/ф — фазное значение напряжения сети; Е — ЭДС в обмотке статора двигателя; х — индуктивное сопротивление фазы обмотки двигателя; со — скорость вращения магнитного поля. Угловая характеристика двигателя показана на рис. 6.2. В соответствии с формулой (6.1) момент двигателя достигает своего максимального значения при 0 = к/2. Эта величина характеризует собой перегрузочную способность двигателя. При больших значениях угла двигатель выпадает из синхронизма, при меньших углах 0 его работа устойчива.

Номинальное значение угла 0 составляет обычно 25—30°, ему соответствует номинальный момент А/ном. При таком значении 0 кратность максимального момента составляет Хм = A/mix / Мном = = 2+2,5.

На рис. 6.1, б показаны участки механической характеристики двигателя двигательного и генераторного режимов. При моменте двигателя М = 0 имеет место режим идеального холостого хода.

Асинхронный пуск — синхронный двигатель

Рабочие характеристики синхронного двигателя.| Диаграмма напряжений явнополюсной синхронной машины ( без учета насыщения, в режиме двигателя.

Асинхронный пуск синхронного двигателя в ход ( см. § 59 — 4) осуществляется с помощью короткозамкнутой демпферной ( пусковой) обмотки, располагающейся в пазах полюсных наконечников.

Асинхронный пуск синхронных двигателей в настоящее время является основным.

Схемы прямого, реакторного и автотрансформаторного пусков синхронного двигателя.

Асинхронный пуск синхронных двигателей при полном напряжении на обмотке статора сопровождается значительным увеличением потребляемого из сети тока до величин порядка / п ( 3 — f — — т — 6) / ном, где нижний предел соответствует тихоходным, а верхний предел.

Рабочие характеристики синхронного двигателя.| Диаграмма напряжений явнополюсной синхронной машины ( без учета насыщения, в режиме двигателя.

Асинхронный пуск синхронного двигателя в ход ( см. § 59 — 4) осуществляется с помощью короткозамкнутой демпферной ( пусковой) обмотки, располагающейся в пазах полюсных наконечников.

Способы синхронизации синхронных машин.

Асинхронный пуск синхронного двигателя в ход ( см. § 19 — 19) осуществляется с помощью короткозамкнутой ( пусковой) обмотки, располагающейся в пазах полюсных наконечников.

Схема двигателя СОД-220.

Асинхронный пуск синхронного двигателя осуществляется при помощи специальной короткозамкнутой обмотки, уложенной в полюсных наконечниках ротора. Синхронный двигатель, снабженный такой обмоткой, запускается так же, как короткозамкнутый асинхронный двигатель.

Асинхронный пуск синхронных двигателей большой мощности сопровождается значительным броском тока и соответствующим ему понижением напряжения питающей сети. В случае необходимости ограничения бросков тока пуск синхронных двигателей иногда производится при пониженном напряжении. Для этого статор двигателя подключают к сети через реактор или автотрансформатор, шунтируемые затем по завершении пуска особыми выключателями. В этой связи различают схемы легко г о и тяжелого пуска синхронных двигателей.

Асинхронному пуску синхронных двигателей свойственны те же недостатки, что и пуску асинхронных короткозамкнутых двигателей, главным из которых является большой пусковой ток. Управление пуском синхронных двигателей в современных установках обычно автоматизируется.

Начинается асинхронный пуск синхронного двигателя СД; напряжение возбудителя В по мере разгона двигателя увеличивается, и, следовательно, нарастает его ток возбуждения; при достижении подсинхронной частоты вращения ротор двигателя под действием входного момента втягивается в синхронизм. Ток возбуждения двигателя регулируется реостатом ШР, установленным на пульте.

Начинаете асинхронный пуск синхронного двигателя МС; напряжение во; будителя ВМ по мере разгона двигателя нарастает и, следов телыго, нарастает его ток возбуждения; при достижении по; синхронной скорости ротор двигателя под действием входног момента втягивается в синхронизм. Ток возбуждения двигател регулируется реостатом ШР, установленным.

Преимущества и недостатки

Конструктивно синхронные двигатели сложнее асинхронных, но они имеют ряд преимуществ:

  • Работа синхронных электродвигателей в меньшей степени зависит от колебания напряжения питающей сети.
  • По сравнению с асинхронными, они имеют больший КПД и лучшие механические характеристики при меньших габаритах.
  • Скорость вращения не зависит от нагрузки. То есть колебания нагрузки в рабочем диапазоне не влияют на обороты.
  • Могут работать со значительными перегрузками на валу. Если возникают кратковременные пиковые перегрузки, повышением тока в обмотке возбуждения компенсируют эти перегрузки.
  • При оптимально подобранном режиме тока возбуждения, электродвигатели не потребляют и не отдают в сеть реактивную энергию, т.е. cosϕ равен единице. Двигатели, работая с перевозбуждением, способны вырабатывать реактивную энергию. Что позволяет их использовать не только в качестве двигателей, но и компенсаторов. Если необходима выработка реактивной энергии, на обмотку возбуждения подается повышенное напряжение.

При всех положительных качествах синхронных электродвигателей у них имеется существенный недостаток – сложность пуска в работу. Они не имеют пускового момента. Для запуска требуется специальное оборудование. Это долгое время ограничивало использование таких двигателей.

Схема запуска двигателя и его регулировка

У синхронных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. При подключении якорной обмотки к источнику переменного тока, электромагнитный момент дважды изменить свое направление за один период изменения тока. Это происходит, когда ротор находится в неподвижном состоянии, а в обмотке возбуждения протекает постоянный ток.

Таким образом, величина среднего момента в течение одного периода будет иметь нулевое значение. Чтобы увидеть, как работает синхронный двигатель при пуске, нужно выполнить разгон его ротора под действием внешнего момента до вращения с частотой, приближенной к синхронной.

Сам запуск агрегата может производиться разными способами:

  • В первом случае используется схема асинхронного включения, основой которой служит глухо подключенный возбудитель. Данный способ применяется при статическом моменте нагрузки ниже 0,4, когда отсутствует падение напряжения. Сопротивление разряда замыкается в обмотке возбуждения, за счет чего исключаются перебои с возбуждением обмотки во время впуска, поскольку незначительная скорость вращения ротора приводит к перенапряжению. Когда скорость становится близкой к синхронной, контактор реагирует на это изменение, в результате происходит переключение обмотки возбуждения из разрядного сопротивления непосредственно на якорь возбудителя.
  • Во втором варианте пуска используется тиристорный возбудитель. Этот способ считается более надежным из-за высокого КПД. Управление возбуждением значительно облегчается. Подача возбуждение осуществляется автоматически с помощью электромагнитного реле.

Устройство синхронного двигателя

Синхронный двигатель состоит из основных частей – якоря и индуктора. Обычно, его исполнение сделано таким образом, что якорь расположен на статоре, а индуктор – на роторе, отделенном воздушной прослойкой. Данные агрегаты обладают высоким коэффициентом мощности. Существенным плюсом является возможность их использования в сетях с любым напряжением.

Конструкция синхронного двигателя состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор является неподвижной частью агрегата, а ротор – подвижной. В состав якоря входят одна или несколько обмоток переменного тока. При работе двигателя токи, поступающие в якорь, приводят к вращению магнитного поля, пересекающегося с полем индуктора и преобразующего энергию. Поле якоря носит другое название – поле реакции якоря. В генераторе такое поле создается с помощью индуктора.

Чтобы уменьшить магнитное сопротивление и улучшить прохождение магнитного потока, используются ферромагнитные сердечники, расположенные в роторе и статоре, для изготовления которых используется электротехническая сталь. Она обладает интересными свойствами, например, повышенным содержанием кремния, с целью повышения ее электрического сопротивления и уменьшения вихревых токов.

Каждый синхронный электродвигатель обладает важным параметром – электромагнитным моментом. Он возникает в том случае, когда магнитный поток ротора начинает взаимодействовать с вращающимся магнитным полем. Данное поле образуется под влиянием трехфазного тока, протекающего по обмотке якоря.

В режиме холостого хода происходит совпадение осей магнитных полей ротора и статора. Поэтому электромагнитные силы, возникающие между их полюсами, принимают радиальное направление и значение электромагнитного момента агрегата становится равным нулю. При переходе устройства в двигательный режим, на ротор начинает воздействовать внешние нагрузочный момент, приложенный к валу. В результате, происходит смещение ротора на величину определенного угла против направления вращения.

Подобное электромагнитное взаимодействие между ротором и статором приводит к созданию электромагнитных сил, направленных в сторону вращения. Таким образом, действие вращающегося электромагнитного момента стремится к преодолению действия внешнего момента. Максимальное значение электромагнитного момента образует угол 90 градусов, при расположении полюсов ротора между осями полюсов статора.

Если значение нагрузочного момента, приложенного к валу двигателя, превысит максимальный электромагнитный момент, в этом случае двигатель остановится под влиянием внешнего момента. Из-за этого в неподвижном двигателе по обмотке якоря будет проходить очень высокий ток. Данный режим является аварийным, он представляет собой выпадение из синхронизма и на практике не должен допускаться.

Ссылка на основную публикацию