Принцип действия и особенности работы синхронной машины в режиме двигателя

Предположим, что синхронный генератор включен в трехфазную сеть и работает без нагрузки в режиме XX. Если теперь механически отключить приводный двигатель, то ротор будет продолжать вращаться с синхронной частотой, а потери холостого хода будут покрываться электрической энергией, поступающей от сети. При этом изменятся направления токов в трехфазной обмотке статора. Поскольку фазы обмотки статора смещены в пространстве, а токи в трехфазной сети сдвинуты по фазе на угол 2тг/3, то токи обмотки статора создадут вращающееся с частотой п_] = 60 f/p магнитное поле. Ротор, вращающийся с синхронной частотой n_v и его магнитное поле, созданное постоянным током в обмотке возбуждения, будут неподвижны относительно поля статора. В результате взаимодействия магнитного поля статора и проводников с токами на роторе возникают электромагнитные силы, действующие на ротор в тангенциальных направлениях, и создается вращающий электромагнитный момент. Синхронная машина стала работать в режиме двигателя.

Магнитные поля токов ротора и статора, неподвижные относительно друг друга, образуют результирующее магнитное поле. При идеальном XX (М_с = 0) ось результирующего магнитного поля будет совпадать с магнитной осью ротора (0 = 0). Если к валу двигателя приложить момент сопротивления (М_с > 0), то ось магнитного поля ротора сместится относительно оси результирующего магнитного поля на угол в сторону отставания (рис. 4.9.1).

В установившемся режиме момент сопротивления будет уравновешен вращающим электромагнитным моментом (А/_с = М_ш). Относительно генераторного режима изменяются знаки электромагнитного момента и угла рас;

Рис. 4.9.1. Результирующее магнитное поле машины и относительное положение ротора в режиме нагрузки на валу двигателя

согласования полюсов. В двигательном режиме ведущим звеном являются полюсы результирующего магнитного поля, а ведомым — полюсы ротора.

Если увеличивать механический момент сопротивления, то будут возрастать угол рассогласования, механическая мощность двигателя и электроэнергия, потребляемая им из сети. При этом частота вращения ротора будет оставаться постоянной и равной синхронной частоте вращения магнитного поля статора.

Для иллюстрации режима синхронного двигателя вновь обратимся к модели диска и кольца, соединенных пружиной (рис. 4.9.2). Будем вращать кольцо, возложив на него роль аналога вращающегося магнитного ноля машины. Диск — аналог ротора. Если тормозить ось диска, то он будет продолжать вращаться синхронно с кольцом, но возникнет угол расхождения точек закрепления пружины.

Очевидно, схема замещения синхронного двигателя (рис. 4.9.3) имеет те же элементы, что и схема замещения синхронного генератора (см. рис. 4.4.3). Но теперь она должна выражать иной смысл: синхронный двигатель — это активный приемник, имеющий противо-ЭДС Е₀ и внутреннее индуктивное синхронное сопротивление X.

Рис. 4.9.2. Модель диск-кольцо — аналог синхронного двигателя

Рис. 4.9.3. Схема замещения фазы синхронного двигателя

На основании схемы замещения по второму закону Кирхгофа можно записать уравнение электрического состояния фазы статора двигателя.

Уравнению (4.9.1) соответствует векторная диаграмма синхронного двигателя, изображенная на рис. 4.9.4. Вектор ЭДС ?₀, который связывают с положением полюсов ротора, при наличии нагрузки на валу двигателя отстает на угол 0 от вектора напряжения U сети, с которым связано положение полюсов результирующего магнитного поля машины.

Рис. 4.9.4. Векторная диаграмма нагруженного перевозбужденного синхронного

двигателя

Задание 4.9.1. Синхронный двигатель работает без нагрузки на валу при идеальном XX. Его ротор возбужден так, что Е₀ > U. С помощью векторной диаграммы определить угол сдвига ср между током и напряжением статора.

Варианты ответа:

• 1. ср = -90°.
• 2. ф = +90°.
• 3. ф = 0°.