4. Принципът на действие на синхронна машина
магнит за синхронен двигател
Принципът на работа на синхронните машини се основава на взаимодействието на магнитните полета на статора и ротора. Схематично въртящото се статорно магнитно поле може да бъде представено чрез полюсите на магнитите, въртящи се в пространството със скоростта на въртене на статорното магнитно поле (фиг. 1). Роторното поле може да се представи и като постоянен магнит, въртящ се синхронно с полето на статора.
При липса на външен въртящ момент, приложен към вала на машината, осите на полетата на статора и ротора съвпадат (фиг. 1 а)). Силите на привличане F действат върху ротора по оста на полюсите и взаимно се компенсират. Ъгълът между осите на полетата на статора и ротора е нула.
Ако върху вала на машината действа спирачен момент, тогава роторът се измества към закъснението под ъгъл (фиг. 1 b). В резултат на това силите на привличане F се разлагат на компоненти, насочени по оста на полюсите на ротора (аксиален компонент) и перпендикулярни на оста на полюсите (тангенциален компонент). Аксиалните компоненти са взаимно компенсирани, а тангенциалните създават въртящ момент, който компенсира външния момент, приложен към вала (D е диаметърът на точките на прилагане на тангенциалните сили). В същото време машината работи в режим на двигател, компенсирайки изразходваната механична мощност на вала с потреблението на активна мощност от мрежата, захранваща статора.
Ако към ротора се приложи външен момент, който създава ускорение, т.е. действащи по посока на въртене на вала, картината на взаимодействието на полетата се обръща. Посоката на ъгловото изместване се променя на противоположна, посоката на тангенциалните сили и посоката на електромагнитния момент се променят съответно. В този случай той се превръща в спирачка и машината работи като генератор, който преобразува механичната енергия, подадена към вала на машината,в електрическа енергия, подадена към мрежата, която захранва статора.
Въртящият момент в синхронна машина може да възникне и при липса на собствено магнитно поле в ротора. Нека, например, възбуждащата намотка на ротор с изпъкнал полюс е изключена от захранването. Тогава картината на магнитното поле на машината ще има формата, показана на Фигура 2. Тук роторът с изпъкнал полюс е свързан към d-q координатната система по такъв начин, че оста d-d е подравнена с оста на симетрия в посоката на максималната магнитна проводимост, а оста q-q в посоката на минималната магнитна проводимост. Оста d-d също съвпада с оста на магнитното поле на възбудения ротор и се нарича надлъжна ос, а оста q-q съответно е напречна.
При липса на външен момент роторът с изпъкнал полюс ще заеме положение, при което надлъжната ос ще съвпадне с оста на полюсите на магнитното поле на статора. Тази позиция съответства на минималното магнитно съпротивление за магнитния поток на статора.
Ако върху вала на машината действа спирачен момент, роторът ще се отклони под ъгъл. В този случай магнитното поле на статора се деформира, защото. магнитният поток ще има тенденция да се затваря по пътя на най-малкото съпротивление. Магнитният поток се определя чрез магнитните силови линии, т.е. линии, чиято посока във всяка точка съответства на посоката на силата, така че деформацията на полето ще доведе, както при възбуден ротор, до появата на резултантната тангенциална сила. Разликата от възбуден ротор ще бъде, че тангенциалната сила ще бъде функция на двойния ъгъл . Тази разлика възниква поради факта, че възбуден ротор може да има само една позиция на стабилно равновесие при , а невъзбуден ротор може да бъде в равновесие при .
Въртящ момент, генериран в машина сневъзбуден ротор от тангенциални сили се нарича реактивен момент и зависимостта му от се изразява с функция.
Очевидно необходимо условие за възникване на реактивен момент е магнитната асиметрия на ротора.
Разгледаните по-горе процеси в синхронна машина ясно демонстрират принципа на обратимостта на електрическите машини, т.е. способността на всяка електрическа машина да променя посоката на преобразуване на енергията в обратната. При синхронните машини, за да преминете от режим на двигател към режим на генератор, е достатъчно да промените посоката (знака) на момента на натоварване на вала.