Трифазни синхронни двигатели
Работни страници
Съдържанието на произведението
ТРИФАЗНИ СИНХРОННИ ДВИГАТЕЛИ
§ 137. ОБРАТИМОСТ НА СИНХРОННИ ГЕНЕРАТОРИ И ПРИНЦИП НА РАБОТА НА СИНХРОНЕН ДВИГАТЕЛ
Синхронните генератори, подобно на генераторите за постоянен ток, имат свойството на обратимост, така че всеки синхронен генератор може да се използва като двигател без промяна на дизайна. Известно е, че когато трифазен ток преминава през намотките на статора на трифазна машина, в този статор се създава въртящо се магнитно поле, независимо дали токът се подава към намотките от външен източник (например от друг генератор) или възниква в тези намотки след затваряне на външната верига, когато машината работи като генератор. Броят на оборотите на полето зависи от честотата на тока, както и от броя на двойките полюси, за които е направена намотката на ротора и статора. Тези обороти за ротора на генератора се наричат синхронни. Представете си, че роторът се върти от механичен двигател и прави строго синхронен брой обороти. Ако в същото време в статора се включи трифазен ток от външен източник и главният двигател е изключен от генератора, роторът ще продължи да се върти с постоянна скорост. Това се случва, защото в момента на включване на трифазния ток в статора в него се създава въртящо се магнитно поле, което взаимодейства с полюсите на ротора (едноименните полюси се отблъскват, а противоположните се привличат) и по този начин поддържа неговото въртене непроменено. Посоката на въртене на полето винаги може да се получи същата като тази на ротора, ако се наблюдава определена фазова последователност в статора, когато към него се прилага трифазен ток. Строгото постоянство на оборотите на двигателя е едно от неговите положителни свойства, поради коетодвигателят се нарича синхронен (роторът се върти със същата скорост като магнитното поле на статора). По този начин принципът на работа на синхронния двигател се основава на взаимодействието на полюсите на въртящото се магнитно поле на статора и полето на ротора.§ 138. ПУСКАНЕ НА СИНХРОННИЯ ДВИГАТЕЛРаботата на синхронната машина като двигател става в съответствие с уравнението на режима на двигателя. Активното съпротивление на фазата на статора е малко и може да се пренебрегне. За по-добро разбиране на свойствата на двигателя, нека разгледаме по-подробно процедурата за стартирането му. Така че, както е посочено в предишния параграф, могат да се стартират само двигатели с малка мощност. При стартиране на мощни двигатели трябва да се спазват следните условия. Преди да се подаде ток към статора в намотката на ротора, такъв ток на възбуждане се настройва така, че електродвижещите сили, възникващи във фазите на статора, да са равни по всяко време на напреженията в съответните фази на външния източник на ток, но имат обратна посока. Равенството на електродвижещите сили и напреженията се оценява от показанията на волтметри, които измерват линейни стойности, а посоките на тези величини се оценяват от електрически лампи, свързващи източника и фазите на двигателя със същото име. При равенство и противоположна посока на електродвижещите сили и напрежения в едни и същи фази, в лампите няма ток и те не светят (електродвижещите сили и напреженията се балансират взаимно). В момента на изгасване на лампите се включва триполюсен ключ и се изключва спомагателният двигател, който върти ротора. В този случай роторът, под действието на собствените си спирачни сили, изостава зад въртящото се поле с малък ъгъл. Поради изоставането на ротора, моментните стойности на напрежението на източника на ток вече не се балансират от моментните стойности на противоелектромоторните сили във фазите на статора, следователновъв фазите влиза трифазен ток, който създава въртящо се магнитно поле в статора. Това поле допълнително осигурява синхронно въртене на ротора. Токът във всяка фаза на статора се поддържа поради напрежението на външен източник, който се изразходва за преодоляване на противоелектродвижещата сила и електродвижещата сила на самоиндукция под формата на вътрешен спад на напрежението, както следва от уравнението. По този начин стартирането на синхронен двигател, за разлика от стартирането на други електродвигатели (асинхронни или постояннотокови двигатели), е свързано с определени трудности (изисква спомагателен двигател, както и точно определяне на момента, в който трифазният ток е включен в статора), и това, разбира се, е значителен недостатък на синхронния двигател. Както ще се види по-късно, трудностите при стартиране вече са елиминирани чрез лека промяна в конструкцията на двигателя.§ 139. ВЪРТЯЩ МОМЕНТ И СВОЙСТВА НА СИНХРОНЕН ДВИГАТЕЛЪгълът, на който роторът на двигателя изостава от въртящото се поле на статора при пускане, определя големината на въртящия момент Mvr в двигателя. Има връзка между въртящия момент на двигателя и ъгъла. От тази зависимост следва, че стойността на въртящия момент на синхронния двигател се променя по синусоидалния закон и следователно има максимална стойност Mmax при ъгъл = 90°. Ако спирачният момент е по-голям от максималния въртящ момент, двигателят ще излезе от синхрон и ще спре бързо. За нормално изработени синхронни двигатели капацитетът на претоварване не надвишава 2-2,5. Загубата на синхронния двигател от синхронизъм при се обяснява с факта, че поради увеличаването на ъгъла > 90° полюсите на ротора изостават от полето на въртящия се статор толкова много, че преминават по средата си покрай средата на посоката на въртене на полето със същото имеполюси на полето и в резултат на това получават силен тласък в посока, обратна на посоката на въртене. В случай на загуба на синхронизъм, двигателят трябва незабавно да бъде изключен от източника, който го захранва, така че намотките на статора да не се прегряват поради високи токове (всъщност късо съединение при спиране) и така че да не се създава голяма променлива електродвижеща сила в намотката на ротора, когато се пресича от въртящо се магнитно поле (което е опасно за изолацията на намотката). След като разгледахме физическите процеси, протичащи в двигателя, можем да заключим, че синхронните двигатели имат както положителни, така и отрицателни свойства. Положително свойство на двигателите е строгото постоянство на техния брой обороти при променливо натоварване. Отрицателните свойства на двигателите включват: 1) трудности при стартиране и заден ход, 2) ниска способност за претоварване, 3) невъзможност за регулиране на скоростта, 4) липса на начален въртящ момент. За да се премахнат трудностите при стартиране, синхронните двигатели понастоящем са оборудвани с допълнителна намотка с късо съединение на ротора и първо се стартират като асинхронни (в този случай намотката на възбуждане на ротора се затваря до малко съпротивление и също се използва като намотка с късо съединение). След завъртане на ротора в намотката му се включва постоянен ток от възбудителя и роторът сам влиза в синхронно въртене („догонва” полето на статора). Такова стартиране на синхронни двигатели се нарича асинхронно. Намотката с късо съединение, поставена в затворените процепи на полюсните накрайници на ротора, се състои от медни или алуминиеви пръти, свързани от двете страни с дъгообразни пластини. Наличието на късо съединени намотки в синхронен двигател му позволява да развие някакъв начален въртящ момент и също така леко го увеличава.капацитет на претоварване.§ 140. РЕАКТИВНИ СИНХРОННИ ДВИГАТЕЛИРеактивните двигатели се различават от синхронните по това, че техните ротори нямат възбудителни намотки. В резултат на това въртящият момент на реактивните двигатели е много по-малък от този на синхронните двигатели (със същите размери), така че двигателите работят само при ниска мощност (не повече от 0,5 kW). Роторът на двигателите е с ясно изразени полюси от стомана с висока магнитна проницаемост. Принципът на работа на двигателя е, че неговият ротор се магнетизира под въздействието на полето на статора и, взаимодействайки с противоположните полюси на това поле, го следва синхронно. Реактивните двигатели се пускат като обикновените асинхронни поради вихровите токове, които възникват в тялото на ротора, когато се пресича от въртящото се статорно поле. След завъртане роторът автоматично влиза в синхрон. В практиката много често се използват монофазни реактивни двигатели, наричани още кондензаторни синхронни двигатели. Двигателите са получили това име, защото имат въртящо се магнитно поле от двуфазен ток, създадено с помощта на кондензатори.