Для поддержания напряжения в аварийных режимах используют уст­ройства форсировки возбуждения. Устройства обеспечивают быстрое повышение напряжения возбуждения до максимально возможного, называемого обычно пото­лочным значением , при значительных снижениях напряжения, вызванных, главным образом, КЗ в электроэнергетической системе. Отно­шение этого напряжения или тока ротора соответственно к номинальному напряжению или току называют кратностью форсировки . Устройство форсировки возбуждения (УФВ) обычно входит в состав АРВ или выполняется отдельно. На рис. 8.33 приведена принципиаль­ная схема релейного УФВ, состоящая из реле минимального напря­жения PH, подключенного к трансформатору напряжения ТН и промежуточного реле РП. Уставка напряжения срабатывания реле ми­нимального напряжения обычно составляет (0,8-0,85) U.

Устройство форсировки действует следующим образом. При сниже­нии напряжения до уставки реле PH оно срабатывает и воздействует на обмотку промежуточного реле РП, которое своими контактами шунтирует реостат Р в цепи обмотки возбуждения возбудителя. При этом ток возбуж­дения возбудителя увеличивается до максимально возможного значения, а следовательно, и напряжение возбуждения на обмотке ротора синхронной машины нарастает сравнительно быстро до значения по экспоненци­альной зависимости

где - амплитуда изменения напряжения возбуждения;

Постоянная времени системы возбуждения.

Если УФВ входит в состав АРВ, то при срабатывании реле PH на сум­мирующий усилитель АРВ подает такой сигнал, что независимо от вели­чины и знаков сигналов на выходах других каналов регулирования обес­печивается быстрое повышение напряжения возбуждения до потолочного значения (рис. 8.34, а).

Поскольку к обмотке ротора синхронной машины прикладывается максимальное напряжение возбуждения, то ток в ее обмотке, а следова­тельно, и вынужденная ЭДС синхронной машины, увеличиваются с наи­большей скоростью (рис. 8.34, б).

Увеличение ЭДС синхронной машины при действии УФВ приводит к соответствующему увеличению амплитуды характеристики мощности увеличению амплитуды характеристики мощности в аварийном режиме

Это позволяет уменьшить площадку уско­рения на величину увеличить площадку торможения на величину , что приводит к повышению динамической устойчивости. При этом сте­пень влияния форсировки возбуждения на динамическую устойчивость зависит от скорости и величины изменения напряжения возбуждения, ко­торые определяются действием систем возбуждения и максимально воз­можным значением напряжения возбуждения. Как отмечалось ранее, посто­янная времени электромашинной системы возбуждения равна 0,3-0,5 с, для тиристорной системы = 0,02-0,04 с. Однако следует иметь в виду, что для обеспечения высокой скорости увеличения ЭДС все системы воз­буждения обязательно должны иметь высокий потолок возбуждения, так как для быстрого увеличения тока в роторе необходима не только высокая скорость изменения напряжения, но и его значение. Это вызвано тем об­стоятельством, что ток возбуждения синхронной машины из-за наличия индуктивности обмотки ротора возрастает значительно медленнее, чем Поэтому в аварийных режимах желательно повышение напряжения воз­буждения до значения 4-5-кратного от номинального (высокий потолок возбуждения). На рис. 8.36 показана кривая изменения напряжения воз­буждения на обмотке ротора синхронной машины при различных видах систем возбуждения.

Таким образом, быстродействие системы возбуждения и потолочное напряжение возбуждения при действии УФВ определяют значение тока в роторе, а следовательно, и степень изменения синхронной и переходной ЭДС в аварийном режиме. Величинами их изменения и определяется вли­яние форсировки возбуждения на характеристики мощности и в конечном итоге на динамическую устойчивость системы. Так, использование тирис­торной системы возбуждения с постоянной времени = 0,04 с и kф = 4

х.\

Рис. 8.35. Характеристики мощности в аварийном и послеаварийном режимах jVs j при отсутствии (/) и действии (2) форсировки возбуждения.

Рис. 8.36. Изменение напряжения возбуждения при различных системах возбуждения: 1 - тиристорная; 2 - электромашинная

вместо электромашинной системы с параметрами = 0,5 с, kф = 4 приво­дит к увеличению динамической устойчивости на 15-20 %.

Многолетний опыт эксплуатации УФВ показал, что они являются од­ним из эффективных средств повышения динамической устойчивости. Вместе с тем действие форсировки в ряде аварийных режимов не позволя­ет использовать все возможности систем возбуждения с АРВ по улучше­нию динамической устойчивости и повышению качества переходного элек­тромеханического процесса в электроэнергетических системах

На роторе синхронного генератора расположен источник МДС (индуктор), создающий в генераторе магнитное поле. С помощью приводного двигателя (ПД) ротор генератора приводится во вращение с синхронной частотой n 1 . При этом магнитное поле ротора также вращается и, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней ЭДС.

Основным способом возбуждения синхронных машин является электромагнитное возбуждение, сущность которого состоит в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения. При про­хождении по этой обмотке постоянного тока возни­кает МДС возбуждения, которая наводит в магнит­ной системе машины магнитное поле.

До недавнего времени для питания обмотки возбуждения применялись специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 82, а), обмотка возбуждения которого (ОВ) получала пита­ние постоянного тока от другого генератора (парал­лельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронной машины и якоря возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронной машины поступает через контактные кольца и щетки. Для регулирования тока возбуждения применяют регу­лировочные реостаты, включаемые в цепи возбуж­дения возбудителя (r 1)и подвозбудителя (r 2).

В синхронных генераторах средней и большой мощности про­цесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах большой мощности - турбогене­раторах - иногда в качестве возбудителя применяют генераторы переменного тока индукторного типа. На выходе такого генератора включают полупроводниковый выпрямитель. Регулировка тока возбуждения синхронного генератора в этом случае осуществляется изменением возбуждения индуктор­ного генератора.

Получила применение в синхронных генераторах бескон­тактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе.

В качестве возбудителя и в этом случае применяют генератор переменного тока (рис. 82, б), у которого обмотка 2, в которой наводится ЭДС (обмотка якоря), расположена на роторе, а обмот­ка возбуждения 1 расположена на статоре. В результате обмотка якоря возбудителя и обмотка возбуждения синхронной машины оказываются вращающимися, и их электрическое соединение осу­ществляется непосредственно, без контактных колец и щеток. Но так как возбудитель является генератором переменного тока, а об­мотку возбуждения необходимо питать постоянным током, то на выходе обмотки якоря возбудителя включают полупроводниковый преобразователь 3, закрепленный на валу синхронной машины и вращающийся вместе с обмоткой возбуждения синхронной маши­ны и обмоткой якоря возбудителя. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя осуществляется от подвозбудителя (ПВ) – генератора постоянного тока.

Рис. 82. Контактная (а) и бесконтактная (б) системы электромагнитно­го

возбуждения синхронных генераторов

Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения син­хронной машины позволяет повысить ее эксплуатационную на­дежность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в том числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 83, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупро­водниковый преобразователь (ПП) преобразуется в энергию по­стоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного магнетизма магнитопровода машины.

Рис. 83. Принцип самовозбуждения синхронных генера­торов

На рис. 19.2, б представлена структурная схема автоматиче­ской системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток пода­ется в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразо­вателем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряже­ния на выходе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты БЗ, обеспечивающий защиту обмотки возбуждения и тиристорного преобразователя ТП от перенапряжений и токовой пе­регрузки.

В современных синхронных двигателях для возбуждения применяют тиристорные возбудительные устройства, включае­мые в сеть переменного тока и осуществляющие автоматическое управление током возбуждения во всевозможных режимах работы двигателя, в том числе и переходных. Такой способ возбуждения является наиболее надежным и экономичным, так как КПД тиристорных возбудительных устройств выше, чем у генераторов постоянного тока. Промышленностью выпускаются тиристорные возбудительные устройства на различные напряжения возбужде­ния с допустимым значением постоянного тока 320 А.

Наибольшее распространение в современных сериях синхрон­ных двигателей получили возбудительные тиристорные устройст­ва типов ТЕ8-320/48 (напряжение возбуждения 48 В) и ТЕ8-320/75 (напряжение возбуждения 75 В).

Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5% полезной мощности машины (меньшее значение от­носится к машинам большой мощности).

В синхронных машинах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, когда на роторе машины располагаются постоянные магниты. Такой способ воз­буждения дает возможность избавить машину от обмотки возбуж­дения. В результате конструкция машины упрощается, становится более экономичной и надежной. Однако из-за дефицитности мате­риалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбу­ждения постоянными магнитами ограничивается лишь машинами мощностью не более нескольких киловатт.

Контрольные вопросы

1. Какие существуют способы возбуждения синхронных машин?

2. Объясните назначение тиристорного преобразователя в системе самовозбуж­дения синхронного генератора?

3. Объясните устройство явнополюсных и неявноплюсных роторов?

4. Объясните устройство синхронного двигателя серии СДН2?

5. Какие применяются способы крепления полюсов в синхронных явнополюс­ных машинах?

6. Чем обеспечивается неравномерный воздушный зазор в синхронной маши­не?

Характеристики системы возбуждения определяются сочетанием свойств источника питания обмотки возбуждения и устройств автоматического регулирования. Системы возбуждения должны обеспечивать:

1) надежное питание обмотки ротора синхронной машины во всех режимах, в том числе и при авариях;

2) устойчивое регулирование тока возбуждения при изменении нагрузки в пределах номинальной;

3) достаточное быстродействие;

4) форсировку возбуждения.

Системы возбуждения классифицируются в зависимости от источника питания-обмотки возбуждения на зависимые (самовозбуждение) и независимые. Зависимая - питается от главной или дополнительной обмотки якоря возбуждаемого генератора. Независимая питается от других источников (от шин собственных нужд станции, от возбудителя или вспомогательного генератора).

Среди независимых систем возбуждения различают:

а) прямые системы возбуждения, в которых ротор возбудителя или вспомогательного генератора находится на одном валу с ротором
синхронной машины или сопрягается с ним редуктором скорости;

б) косвенные системы возбуждения, в которых ротор возбудителя или вспомогательного генератора приводится во вращение синхронным или асинхронным двигателем, специально установленным для этой цели.

До 60-х годов прошлого века применялись прямые электромашинные системы возбуждения, в которых обмотка возбуждения синхронной машины питается от коллекторного генератора постоянного тока - возбудителя (рис. 24.26, а).

В соответствии с ГОСТ 533-76, ГОСТ 5616-81 и ГОСТ 609-75 турбо- и гидрогенераторы и синхронные компенсаторы могут иметь только обладающие наибольшей надежностью прямую систему возбуждения или систему самовозбуждения. Но электромашинные системы возбуждения по условиям коммутации не могут применяться в турбогенераторах мощностью 200 МВт и выше, у которых мощность возбуждения превышает 800-1000 кВт.

В. настоящее время все большее распространение получают вентильные системы возбуждения . Они применяются для синхронных двигателей и генераторов небольшой мощности, а также для крупных турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов, в том числе и для установок предельных мощностей.

Различают три основные разновидности вентильных систем возбуждения.

1. Независимая вентильная система возбуждения (рис. 24.26, б), в которой питание обмотки возбуждения осуществляется от вспомогательного синхронного генератора, ротор которого укреплен на валу главного генератора. В схемах выпрямителей в этом случае используются полупроводниковые вентили (кремниевые диоды или тиристоры), собранные по трехфазной мостовой схеме. При регулировании возбуждения генератора используются одновременно возможности управления выпрямителями и возможности изменения напряжения вспомогательного генератора.

2. Бесщеточная система возбуждения, которая отличается от независимой вентильной системы (рис. 24.26, б )тем, что имеет обращенный вспомогательный синхронный генератор, у которого обмотка переменного тока 3 размещается на роторе. Выпрямитель 5, получающий питание от этой обмотки, расположен на валу главного генератора. Преимуществом данной системы является отсутствие скользящих контактов, которые в мощных турбогенераторах должны быть рассчитаны на тысячи ампер

3 . Система самовозбуждения (рис. 24.26, в), в которой питание обмотки возбуждения производится от главной или дополнительной обмотки якоря. Выпрямление переменного тока осуществляется с помощью тиристоров. Отбор энергии осуществляется с помощью трансформаторов 9 и 7, включенных соответственно параллельно и последовательно с обмоткой статора. Трансформатор 7 позволяет обеспечить форсирование возбуждения при близких коротких замыканиях, когда напряжение на обмотке якоря существенно снижается. Система самовозбуждения имеет по сравнению с другими системами более высокую надежность и меньшую стоимость из-за отсутствия в ней возбудителя или вспомогательного генератора.

Важными параметрами систем возбуждения являются номинальная скорость нарастания напряжения возбуждения, номинальное напряжение возбуждении, кратность форсировки возбуждения.

Номинальное напряжение возбуждения - напряжение на выводах обмотки возбуждения при питании ее номинальным током возбуждения и сопротивлении обмотки, приведенном к расчетной рабочей температуре.

Кратность форсировки возбуждения - отношение наибольшего установившегося значения напряжения возбуждения к номинальному напряжению возбуждения.

В схеме возбуждения предусматривается специальное устройство, с помощью которого можно в аварийной ситуации достаточно быстро уменьшить ток возбуждения до нуля (погасить магнитное поле ). Например, при внутренних коротких замыканиях в обмотке статора гашение поля осуществляется с помощью автомата гашения поля, который замыкает обмотку возбуждения на специальный гасительный резистор.

Для удержания синхронной машины в синхронизме при снижении напряжения сети при удаленных коротких замыканиях прибегают к форсированию ее тока возбуждения. Форсирование производится автоматически релейной защитой машины. Эффективность форсировки характеризуется кратностью форсировки возбуждения.

11.Характеристики генератора независимого возбуждения.

12.Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения.

13.Характеристики генератора смешанного возбуждения.

14.Потери и кпд двигателя постоянного тока.

16.Характеристики двигателя последовательного возбуждения.

15.Характеристики двигателя параллельного возбуждения.

17.Характеристики двигателя смешанного возбуждения.

18.Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока.

19.Пуск двигателей постоянного тока: прямое включение, от вспомогательного преобразователя и с помощью пускового реостата.

20.Торможение двигателей постоянного тока.

Синхронные машины переменного тока.

22.Образование вращающегося магнитного поля при двухфазной и трёхфазной системе.

23.Мдс обмоток синхронных машин переменного тока.

24.Принципы выполнения и схемы обмоток машин переменного тока.

25.Назначение синхронного генератора и двигателя.

1. Электродвигатели постоянного тока, с якорем на постоянных магнитах;

26.Способы возбуждения синхронных машин.

27.Преимущества и недостатки синхронного двигателя.

2. Асинхронный пуск двигателя.

28. Реакция якоря синхронного генератора при активной, индуктивной, ёмкостной и смешанной нагрузках.

29.Магнитные потоки и эдс синхронного генератора.

1. Намагничивающая сила обмотки возбуждения f/ создает магнитный поток возбуждения Фу, который индуктирует в обмотке статора основную эдс генератора е0.

30.Холостой ход синхронного генератора.

31.Параллельная работа синхронного генератора с сетью.

1. Точная;

2. Грубая;

3. Самосинхронизация.

32.Электромагнитная мощность синхронной машины.

33.Регулирование активной и реактивной мощностей синхронного генератора.

34.Внезапное короткое замыкание синхронного генератора.

1. Механические и термические повреждения электрооборудования.

2. Асинхронный пуск двигателя.

1. Пуск с помощью вспомогательного двигателя.

2. Асинхронный пуск двигателя.

1. Пуск с помощью вспомогательного двигателя.

2. Асинхронный пуск двигателя.

1. Намагничивающая сила обмотки возбуждения f/ создает магнитный поток возбуждения Фу, который индуктирует в обмотке статора основную эдс двигателя е0.

Асинхронные машины переменного тока.

37.Конструкция асинхронного двигателя.

2.8/1.8 А – отношение максимального тока к номинальному

1360 R/min – номинальная частота вращения, об/мин

Ip54 – степень защиты.

38.Работа асинхронной машины при вращающемся роторе.

2О если под действием спускаемого груза раскрутить ротор до скорости больше синхронной, то машина перейдет в генераторный режим

3Ежим противовключения, рис. 106.

39.Асинхронная машина с неподвижным ротором.

40.Переход от реального асинхронного двигателя к схеме замещения.

41.Анализ т-образной схемы замещения асинхронного двигателя.

42.Анализ г-образной схемы замещения асинхронного двигателя.

43.Потери асинхронного двигателя и кпд асинхронного двигателя.

44.Векторная диаграмма асинхронного двигателя.

47.Электромагнитная мощность и момент асинхронного двигателя.

48.Механическая характеристика при изменениях напряжения и сопротивления ротора.

1. При изменении подводимого к двигателю напряжения изменяется момент, т. К. Он пропорционален квадрату напряжения.

49.Паразитные моменты асинхронного двигателя.

50.Рабочие характеристики асинхронного двигателя.

51.Экспериментальное получение рабочих характеристик асинхронного двигателя.

52.Аналитический метод расчёта рабочих характеристик асинхронного двигателя.

53.Расчётно-графический метод определения рабочих характеристик асинхронного двигателя.

54.Пуск трёхфазного асинхронного двигателя.

1Вигатели с двойной «беличьей» клеткой.

2Лубокопазные двигатели.

55.Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя: изменением p, f, s.

1.Частотное регулирование.

2. Изменение числа пар полюсов.

3. Изменение питающего напряжения

4.Изменение активного сопротивления цепи ротора.

57.Однофазные асинхронные двигатели.

56.Работа асинхронного двигателя при некачественной электроэнергии.

58.Использование трёхфазного асинхронного двигателя в режиме однофазного.

Трансформаторы.

60.Режим холостого хода трансформатора и принцип его работы.

61.Работа трансформатора под нагрузкой.

62.Приведение чисел витков обмоток и векторная диаграмма трансформатора.

63.Схема замещения трансформатора.

2.28. Схема замещения трансформатора.

64.Определение параметров схемы замещения трансформатора.

65.Опыт холостого хода трансформатора.

66.Опыт короткого замыкания трансформатора.

67.Потери и кпд трансформатора, энергетическая диаграмма.

68.Изменение вторичного напряжения трансформатора от степени и характера его загрузки.

69.Регулирование вторичного напряжения трансформатора.

1) Стабилизация вторичного напряжения при незначительном (на 5 - 10%) изменении первичного напряжения, что происходит обычно из-за падения напряжения в линии;

2) Регулирование вторичного напряжения (из-за особенностей технологического процесса) в широких пределах при неизменном (или мало изменяющемся) первичном напряжении.

Обозначения начал и концов обмоток трансформатора

71.Группы соединений обмоток.

72. Параллельная работа трансформаторов.

3. Мощности параллельно работающих трансформаторов не должны значительно отличаться одна от другой. Допускается различие мощностей не больше чем в 3 раза.

5. Обмотки фаз трансформаторов, включенных для параллельной работы, должны совпадать, т. Е. Одинаково обозначенные выводы обмоток фаз должны быть присоединены к одной, а не к разным шинам.

73.Работа трёхфазных трансформаторов со схемами обмоток y/Yн, д/Yн,y/Zн при несимметричной нагрузке.

74.Специальные трансформаторы.

75.Переходной процесс при коротком замыкании трансформатора.

По способу возбуждения синхронные машины подразделяются на два типа:

Возбуждение независимого вида.

Самовозбуждения.

При независимом возбуждении схема подразумевает наличие подвозбудителя, который питает: обмотку главного возбудителя, реостат для регулировки, устройства управления, регуляторы напряжения и т. д. Кроме этого способа, возбуждение может осуществляться от генератора, выполняющего вспомогательную функцию, он приводится в работу от двигателя синхронного или асинхронного типа.

Для самовозбуждения , питание обмотки происходит через выпрямитель, работающий на полупроводниках или ионного типа.

Для турбо- и гидрогенераторов используют тиристорные устройства возбуждения. Ток возбуждения регулируется в автоматическом режиме, при помощи регулятора возбуждения, для машин малой мощности характерно использование регулировочных реостатов, они включены в цепь обмотки возбуждения.

27.Преимущества и недостатки синхронного двигателя.

Синхронный двигатель имеет ряд преимуществ перед асинхронным:

1. Высокий коэффициент мощности cosФ=0,9.

2. Возможность использования синхронных двигателей на предприятиях для увеличения общего коэффициента мощности.

3. Высокий КПД он больше чем у асинхронного двигателя на (0,5-3%) это дастигается за счёт уменьшения потерь в меди и большого CosФ.

4. Обладает большой прочностью обусловленной увеличенным воздушным зазором.

5ращающий момент синхронного двигателя прямо пропорционален напряжению в первой степени. Т.е синхронный двигатель будет менее чувствителен к изменению величины напряжения сети.

Недостатки синхронного двигателя:

1. Сложность пусковой аппаратуры и большую стоимость.

2. Синхронные двигатели применяют для приведения в движение машин и механизмов, не нуждающихся в изменении частоты вращения, а так же для механизмов у которых с изменением нагрузки частота вращения остаётся постоянной: (насосы, компрессоры, вентиляторы.)

Пуск синхронного двигателя.

В виду отсутствия пускового момента в синхронном двигателе для пуска его используют следующие способы:

2. Асинхронный пуск двигателя.

1. Пуск с помощью вспомогательного двигателя.

Пуск в ход синхронного двигателя с помощью вспомогательного двигателя может быть произведен только без механической нагрузки на его валу, т.е. практически вхолостую. В этом случае на период пуска двигатель временно превращается в синхронный генератор, ротор которого приводится во вращение небольшим вспомогательным двигателем. Статор этого генератора включается параллельно в сеть с соблюдением всех необходимых условий этого соединения. После включения статора в сеть вспомогательный приводной двигатель механически отключается. Этот способ пуска сложен и имеет к тому же вспомогательный двигатель.

2. Асинхронный пуск двигателя.

Наиболее распространенным способом пуска синхронных двигателей является асинхронный пуск, при котором синхронный двигатель на время пуска превращается в асинхронный. Для возможности образования асинхронного пускового момента в пазах полюсных наконечников явнополюсного двигателя помещается пусковая короткозамкнутая обмотка. Эта обмотка состоит из латунных стержней, вставленных в пазы наконечников и соединяемых накоротко с обоих торцов медными кольцами.

При пуске в ход двигателя обмотка статора включается в сеть переменного тока. Обмотка возбуждения (3) на период пуска замыкается на некоторое сопротивление Rг, рис. 45, ключ К находится в положении 2, сопротивление Rг = (8-10)Rв. В начальный момент пуска при S=1, из-за большого числа витков обмотки возбуждения, вращающее магнитное поле статора наведет в обмотке возбуждения ЭДС Ев, которая может достигнуть весьма большого значения и если при пуске не включить обмотку возбуждения на сопротивление Rг произойдет пробой изоляции.

Рис. 45 Рис. 46.

Процесс пуска синхронного двигателя осуществляется в два этапа. При включении обмотки статора (1) в сеть в двигателе образуется вращающее поле, которое наведет в короткозамкнутой обмотке ротора (2) ЭДС. Под действием, которой будет протекать в стержнях ток. В результате взаимодействия вращающего магнитного поля с током в коротко замкнутой обмотке создается вращающий момент, как у асинхронного двигателя. За счет этого момента ротор разгоняется до скольжения близкого к нулю (S=0,05), рис. 46. На этом заканчивается первый этап.

Чтобы ротор двигателя втянулся в синхронизм, необходимо создать в нем магнитное поле включением в обмотку возбуждения (3) постоянного тока (переключив ключ К в положение 1). Так как ротор разогнан до скорости близкой

к синхронной, то относительная скорость поля статора и ротора небольшая. Полюса плавно будут находить друг на друга. И после ряда проскальзываний противоположные полюса притянутся, и ротор втянется в синхронизм. После чего ротор будет вращаться с синхронной скоростью, и частота вращения его будет постоянной, рис. 46. На этом заканчивается второй этап пуска.

Дмитрий Левкин

Конструкция синхронного электродвигателя с обмоткой возбуждения

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения, как и любой вращающийся , состоит из ротора и статора. Статор - неподвижная часть, ротор - вращающаяся часть. Статор обычно имеет стандартную трехфазную обмотку, а ротор выполнен с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения соединена с контактными кольцами к которым через щетки подходит питание.

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения (щетки не показаны)

Принцип работы

Постоянная скорость вращения синхронного электродвигателя достигается за счет взаимодействия между постоянным и вращающимся магнитным полем. Ротор синхронного электродвигателя создает постоянное магнитное поле, а статор – вращающееся магнитное поле.

Работа синхронного электродвигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора

Статор: вращающееся магнитное поле

На обмотки катушек статора подается трехфазное переменное напряжение. В результате создается вращающееся магнитное поле, которое вращается со скоростью пропорциональной частоте питающего напряжения. Подробнее о том, как посредством трехфазного напряжения питания образуется можно прочитать в статье " ".

Взаимодействие между вращающимся (у статора) и постоянным (у ротора) магнитными полями

Ротор: постоянное магнитное поле

Обмотка ротора возбуждается источником постоянного тока через контактные кольца. Магнитное поле создаваемое вокруг ротора возбуждаемое постоянным током показано ниже. Очевидно, что ротор ведет себя как постоянный магнит, так как имеет такое же магнитное поле (в качестве альтернативы можно представить, что ротор сделан из постоянных магнитов). Рассмотрим взаимодействие ротора и вращающегося магнитного поля. Предположим вы придали ротору начальное вращение в том же направлении как у вращающегося магнитного поля. Противоположные полюса вращающегося магнитного поля и ротора будут притягиваться друг к другу и они будут сцепляться с помощью магнитных сил. Это значит, что ротор будет вращаться с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле, то есть ротор будет вращаться с синхронной скоростью.

Магнитные поля ротора и статора сцепленные друг с другом

Синхронная скорость

Скорость с которой вращается магнитное поле может быть вычислена по следующему уравнению:

• где N s – частота вращения магнитного поля, об/мин,
• f – частота тока статора, Гц,
• p – количество пар полюсов.

Это значит, что скорость синхронного электродвигателя может очень точно контролироваться изменением частоты питающего тока. Таким образом эти электродвигатели подходят для высокоточных приложений.

Прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети

Почему синхронные электродвигатели не запускаются от электрической сети?

Если ротор не имеет начального вращения, ситуация отличается от описанной выше. Северный полюс магнитного поля ротора будет притягиваться к южному полюсу вращающегося магнитного поля, и начнет двигаться в том же направлении. Но так как ротор имеет определенный момент инерции, его стартовая скорость будет очень низкой. За это время южный полюс вращающегося магнитного поля будет замещен северным полюсом. Таким образом появятся отталкивающие силы. В результате чего ротор начнет вращаться в обратную сторону. Таким образом ротор не сможет запуститься.

Демпферная обмотка - прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети

Чтобы реализовать самозапуск синхронного электродвигателя без системы управления между наконечниками ротора размещается "беличья клетка", которая также называется демпферной обмоткой. При запуске электродвигателя катушки ротора не возбуждаются. Под действием вращающегося магнитного поля, индуцируется ток в витках "беличьей клетки" и ротор начинает вращаться подобно тому, как запускаются .

Когда ротор достигает своей максимальной скорости, подается питание на обмотку возбуждения ротора. В результате, как говорилось ранее, полюса ротора сцепляются с полюсами вращающегося магнитного поля и ротор начинает вращаться с синхронной скоростью. При вращении ротора с синхронной скоростью, относительное движение между белечьей клеткой и вращающимся магнитным полем равно нулю. Это значит, что отсутствует ток в короткозамкнутых витках, а следовательно "беличья клетка" не оказывает воздействия на синхронную работу электродвигателя.

Выход из синхронизма

Синхронные электродвигатели имеют постоянную скорость независящую от нагрузки (при условии что нагрузка не превышает макимально допустимую). Если момент нагрузки больше, чем момент создаваемый самим электродвигателем, то он выйдет из синхронизма и остановиться. Низкое напряжение питания и низкое напряжение возбуждения также могут быть причинами выхода двигателя из синхронизма.

Синхронный компенсатор

Синхронные электродвигатели могут также использоваться для улучшения коэффициента мощности системы. Когда единственной целью использования синхронных электродвигателей является улучшение коэффициента мощности их называют синхронными компенсаторами . В таком случае вал электродвигателя не соединяется с механической нагрузкой и вращается свободно.