Технологія монтажу, ремонту та правила технічного обслуговування синхронних двигунів (стр. 3 из 8)

Багато які синхронні машини мають на роторі, крім обмотки збудження, ще й мідну чи латунну короткозамкнуту заспокоюючу обмотку, яка в неявнополюсному роторі мало відрізняється від аналогічної обмотки ротора асинхронної машишни, а явнополюсному роторі вона виконується у вигляді неповної короткозамкнутої обмотки, стержні якої заложені тільки в пази полюсних наконечників і відсутні в міжполюсному просторі. Ця обмотка допомагає затуханню коливань ротора при неустановлених режимах синхронної машини, а також забезпечують асинхронний пуск синхронних двигунів.

2.2 Принцип дії синхронного двигуна

За будовою синхронні двигуни і генератори майже не відрізняються. Якщо статори синхронних двигуна і генератора практично однакові, то конструкція ротора двигуна залежить від швидкості його обертання. У тихохідних двигунах ярмо нагадує колесо, до якого болтами прикріплено полюси. У швидкохідних ярмо складається із стальних листів, які стягуються шпильками. До такого ярма у Т-подібних пазах кріплять полюси, які складають з окремих листів електротехнічної сталі завтовшки 1-1,5 мм. На ці полюси намотують обмотку збудження, що живиться постійним струмом від збудника, якір якого кріплять на одному валу з двигуном. Якщо до обмотки статора синхронного двигуна підвести трифазний змінний струм, а до обмотки збудження постійний струм, то внаслідок взаємодії постійного магнітного потоку ротора Ф і змінного струму в статорній обмотці І виникає механічний момент:

М = кФІ.

Оскільки магнітний потік у двигуні сталий, а струм змінний, то обертаючий момент змінюватиме напрям дії через кожний півперіод (100 поштовхів за секунду при f – 50 Гц), а в результаті ротор двигуна вібруватиме і залишиться нерухомим. Отже, синхронний двигун не має свого пускового моменту.

Щоб такий синхронний двигун міг працювати, його ротор треба розкрутити іншим двигуном до синхронних обертів, які відповідають частоті струму мережі. При цьому одночасно із зміною напрямку струму в обмотці статора змінюється знак полюса ротора, тобто напрям магнітного потоку ротора.

Наприклад, якщо в якийсь момент часу проти провідника зі струмом, що напрямлений від спостерігача, буде північний полюс ротора, то через півперіод у цьому провіднику струм буде напрямлений на спостерігача, а ротор повернеться на кут 90°. Навпроти цього провідника стане південний полюс і при цьому напрям дії обертаючого моменту залишиться тим самим і ротор продовжуватиме свій рух. З цього часу ротор обертатиметься з синхронною швидкістю разом з обертовим магнітним полем статора, відстаючи від поля на невеликий кут θ. Тепер рознімний двигун можна від’єднати.

Отже, коли синхронна машина працює, як генератор, ведучою ланкою є ротор, вісь магнітного потоку якого випереджає вісь потоку статора на кут θ. У цьому разі синхронна машина перетворює механічну енергію в електричну. Коли синхронна машина працює, як двигун, ведучою ланкою стає потік статора, а веденою – потік ротора, який відстає на кут θ і обертається з тією самою швидкістю, що й поле статора; при цьому електрична енергія перетворюється в механічну.

Способи пуску синхронних двигунів

Пустити синхронний двигун безпосереднім вмиканням у мережу неможливо. Існує два способи його пуску: синхронний і асинхронний. Синхронний пуск полягає в тому, що спеціальний розгінний пусковий двигун (це може бути асинхронний двигун або двигун постійного струму потужністю до 10 % потужності синхронного двигуна), який з’єднують із синхронним двигуном рознімною муфтою, розкручує ротор ненавантаженого синхронного двигуна до синхронних обертів.

Асинхронний пуск полягає в тому, що синхронний двигун запускають як асинхронний. У полюсні наконечники (башмаки) ротора закладають пускову обмотку, яка складається з латунних стержнів, з’єднаних накоротко з обох торців пластинами, і утворює короткозамкнену обмотку, подібну до білячого колеса, асинхронних двигунів. Обертове поле статора в синхроннних двигунах перетинає коротко замкнені витки пускової обмотки й індукує в них струм. Взаємодія цього струму з обертовим потоком створює пусковий обертальний момент, який розганяє ротор до синхронної швидкості. Взаємодія обертового магнітного поля статора і полюсів ротора створює синхронізуючі сили, які обертають ротор із синхронною швидкістю.

2.3 Робота трьохфазної синхронної машини в режимі двигуна

Трифазні синхронні машини мають властивість оборотності, що значить вони можуть без зміни їх конструкції працювати не тільки генераторами електричної енергії, але і двигунами, перетворюючи електричну енергію в механічну. При цьому обмотка статора має бути під’єднана до трифазної мережі змінного струму, що забезпечує збудження магнітного поля, яке обертається з синхронною швидкістю:

або частотою обертів

,

а обмотка ротора приєднана до випрямляча чи збуджувача, що призводить до встановлення в ній постійного струму збудження магнітного поля ротора, силові лінії якого замикаються між північними і відповідними південними полюсами через повітряні зазори і магнітопроводи статора і ротора. Але синхронну машину з нерухомим збудженим ротором не можна пустити в роботу двигуном, якщо обмотку статора під’єднати безпосередньо до трьохфазної мережі змінного струму, так як при цьому магнітне поле статора, яке обертається, буде почергово взаємодіяти то з однойменними, то з різнойменними полюсами ротора, яке має значний момент інерції і піддавати його рівним по величині, але оберненим по напряму механічним поштовхам, в результаті чого ротор залишається нерухомим. По цій причині ротору необхідно задати початкову швидкість, близьку чи рівну швидкості обертання магнітного поля статора, що забезпечить встановлення сили взаємодії цього поля з полюсами ротора в одному напрямі, і він стане рухатись в напрямку руху магнітного поля з синхронною швидкістю

.

В сучасних трьохфазних синхронних двигунах, які мають на роторі коротко замкнуту заспокоюючу обмотку, розгін ротора здійснюється так само, як у асинхронних двигунів з коротко замкнутим ротором. Але для збільшення пускового моменту до значення

зменшення величини перенапруг в обмотці ротора при пуску, як і при розімкнутій обмотці ротора в момент пуску можуть перевищувати номінальну напругу цієї обмотки в 20-30 раз і призвести до пробою ізоляції, а також для скорочення часу розгону до підсихронної швидкості обмотку ротора замикають на розрядний резистор, опір якого

,

де

– опір обмотки ротора.

При дотриманні цих вимог короткочасність початкового пускового струму:

складає 4-5, а обертовий момент двигуна при підсинхронній швидкості називається вхідним, рівний приблизно початковому пусковому моменту

. Після розгону ротора до підсинхронної швидкості розрядний резистор відмикають, а обмотку збудження приєднуютть до джерела живлення постійного струму, в результаті чого двигун переходить на синхронний режим роботи.

При необхідності зміни напряму обертання ротора синхронного двигуна його необхідно зупинити відмиканням кола статора від трьохфазної мережі, при нерухомому роторі змінити розміщення двох із трьох фаз.

Можливо виконати пуск трьохфазного синхронного двигуна при допомозі допоміжного, зазвичай синхронного двигуна, повертаючого ротор синхронної машини майже до синхронної швидкості з наступним ввімкненням її на паралельну роботу з трифазною, яка живить мережею по способу самосинхронізації, що часто використовується при пуску потужних синхронних компенсаторів синхронних машин полегшеної конструкції, працюючих в режимі двигуна без навантаження з перезбудженням для компенсації реактивної потужності, а також для регулювання напруги в мережах енергетичних систем.

2.4 Характеристика трифазного синхронного двигуна

Якщо знехтувати незначними втратами електроенергії в магнітопроводі статора і його обмотці, то можна рахувати електромагнітну потужність і потужність споживання електроенергії із трьохфазної мережі однаковими, а крутний момент синхронного двигуна представити так:

,

де максимальний момент, який відповідає куту

,

.

У встановленому режимі при незмінному струмі збудження

, яким знаходять величину ЕРС Е_х, напрузі мережі u і частоті змінного струпу f обертовий момент синхронного двигуна прямопропорційний значенню , що графічно відображається кутовою характеристикою машини . В режимі холостого ходу кут , а це відповідає спів падінню осей різноіменних полюсів статора і ротора та моменту М, який рівний нулю. При збільшенні навантаження кут θ зростає і при номінальному режимі досягає значення . Короткочасна перенапруга синхронного двигуна можлива, якщо виробнича , що має місце при куту , або при куту виробнича і машина випадає із синхронізму і ротор зупиняється.