Синхронный двигатель. 
Электропривод и электрооборудование

После изучения данной главы студент должен:

знать

• • особенности и отличительные признаки устройства и принцип работы синхронного трехфазного двигателя;
• • теоретические основы регулирования коэффициента мощности сети синхронным двигателем;

уметь

• • решать задачи, связанные с повышением коэффициента мощности сети;
• • применять полученные знания к ситуациям, связанным с потерями в сетях;

владеть

• современными технологиями повышения коэффициента использования электрической энергии.

Устройство и принцип работы синхронного трехфазного двигателя

Синхронный двигатель трехфазного тока устойчиво сохраняет частоту вращения или угловую скорость.

Статор этого двигателя устроен так же, как и асинхронного. Обмотка статора, соединенная в «звезду» или «треугольник», создает при подключении к сети трехфазного тока вращающееся магнитное поле.

Ротор, кроме короткозамкнутых витков, имеет обмотку возбуждения, которая через два контактных кольца и щетки подключена к источнику постоянного тока, составляющего 0,3—3,0% от мощности синхронной машины. Назначение обмотки возбуждения — создание в машине постоянного магнитного поля ротора. Ротор вместе с обмоткой возбуждения называется также индуктором (рис. 5.1).

Короткозамкнутая обмотка предназначена:

• — для пуска в режиме асинхронного двигателя;
• — успокоения качания ротора при работе.

При разгоне двигателя вращающееся магнитное поле статора взаимодействует с короткозамкнутой обмоткой и разгоняет ротор в режиме асинхронного. При достижении скорости, составляющей 95—98% от синхронной, в обмотку возбуждения ротора подается постоянный ток, и двигатель втягивается в синхронизм (рис. 5.2). В момент пуска обмотка возбуждения, во избежание пробоя ее изоляции, замыкается на активное сопротивление. При включении постоянного тока это сопротивление (i?_pa3p) отключается.

Угловая скорость ротора остается практически постоянной независимо от момента сопротивления рабочей машины или вращающего момента двигателя, т. е.

Рис. 5.1. Схема синхронного двигателя.

Рис. 5.2. Механическая характеристика синхронного двигателя

На самом деле эта скорость колеблется при изменении нагрузки около со₀, так как магнитно-силовые линии, связывающие магнитные поля статора и ротора, упруги. Упругая связь проявляется в том, что если двигатель нагружать, то ротор на какое-то время отклоняется от оси магнитного поля статора на угол 0 — силовой угол, изменяющий свою величину в зависимости от нагрузки (рис. 5.3). При увеличении нагрузки угол возрастает.

Для определения интервала устойчивой работы и перегрузочной способности синхронного двигателя служит угловая характеристика (рис. 5.4), отражающая зависимость развиваемого двигателем момента М от угла сдвига фаз (0) между напряжением (U) и ЭДС (Е) двигателя.

Рис. 53. Отклонение оси ротора от оси магнитного поля статора.

Уравнение угловой характеристики синхронного двигателя носит синусоидальный характер и имеет вид.

Анализ (5.1) показывает, что с увеличением 0 в диапазоне от 0 до 90° момент, развиваемый двигателем, увеличивается и достигает своего максимума при 0 = 90° (sin 90° =1). Дальнейшее увеличение угла 0 сопровождается падением момента (рис. 5.4) и «выпадением» из синхронизма.

Рис. 5.4. Угловая характеристика синхронного двигателя.

Номинальный момент двигателя соответствует 20—25°.

Главное преимущество синхронного двигателя по сравнению с асинхронным — высокое значение коэффициента мощности (cos (p).

Недостаток — нельзя сделать момент вхождения в синхронизм (М_вх) и пусковой момент (М_пуск) большими. По условиям пуска синхронный двигатель хуже асинхронного.

В сельском хозяйстве эти двигатели применяются для привода крупных насосов оросительных систем.