Особенности работы и пуска синхронных двигателей

Синхронные двигатели получили широкое распространение в промышленности для электроприводов, работающих с постоянной скоростью (компрессоров, насосов и т.д.). В последнее время, вследствие появления преобразовательной полупроводниковой техники, разрабатываются регулируемые синхронные электроприводы.

Синхронный двигатель несколько сложнее, чем асинхронный, но обладает рядом преимуществ, что позволяет применять его в ряде случаев вместо асинхронного. К таким преимуществам относятся:

- электромагнитный момент синхронных двигателей практически линейно зависит от напряжения сети. Поэтому они менее чувствительны (более устойчивы) к снижению напряжения сети, чем асинхронные, электромагнитный момент которых пропорционален квадрату напряжения;

- высокая перегрузочная способность. Кроме того, перегрузочная способность синхронного двигателя может быть автоматически увеличена за счет повышения тока возбуждения, например, при резком кратковременном повышении нагрузки на валу двигателя;

- скорость вращения синхронного двигателя остается неизменной при любой нагрузке на валу в пределах его перегрузочной способности;

- благодаря возбуждению постоянным током синхронные двигатели могут работать с  и не потреблять реактивной мощности из сети, а при работе с перевозбуждением отдавать реактивную мощность в сеть. В результате улучшается коэффициент мощности сети и уменьшаются падение напряжения и потери в ней.

С другой стороны, конструкция синхронных двигателей сложнее, чем короткозамкнутых асинхронных двигателей, и, кроме того, синхронные двигатели должны иметь возбудитель или иное устройство для питания обмотки возбуждения постоянным током. Вследствие этого синхронные двигатели в большинстве случаев дороже асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Пуск и регулирование скорости вращения синхронных двигателей также сложнее.

Пуск синхронного двигателя непосредственным включением в сеть невозможен. Если обмотку статора возбужденного синхронного двигателя, не имеющего на роторе массивных полюсов или пусковой обмотки, включить в сеть, то ротор останется неподвижным. Момент, возникающий в результате взаимодействия вращающегося поля якоря c МДС возбуждения неподвижного ротора, меняет свой знак с частотой вращения поля .

Вследствие инерционности ротор не достигает большой скорости вращения за половину периода  пока момент имеет одно направление. Во вторую половину периода момент меняет свое направление и останавливает ротор.

Поэтому для запуска двигателей применяют специальные способы пуска. Практическое применение имеют три способа: пуск посредством вспомогательного двигателя, асинхронный пуск и частотный пуск.

  Пуск синхронного двигателя посредством вспомогательного двигателя протекает аналогично процессу включения синхронного генератора на параллельную работу с сетью. Ротор возбужденного двигателя приводится во вращение, разгоняется до  скорости, близкой к синхронной, и способом точной или грубой синхронизации включают обмотку якоря в сеть. Затем вспомогательный двигатель отключают. Мощность этого двигателядолжна быть немного больше величины потерь холостого хода синхронного двигателя. Поэтому она обычно невелика и составляет 2-5% от номинальной мощности пускаемого двигателя.

Этот способ используют только для двигателей, пускаемых без нагрузки.  Использование такого пуска для нагруженных синхронных двигателей экономически нецелесообразно, так как в этом случае мощности пускаемого и вспомогательного двигателей соизмеримы.

Наиболее широко распространен асинхронный пуск. Для возможности асинхронного пуска двигатель снабжают пусковой обмоткой, которую закладывают в полюсные наконечники или делают ротор массивным со сплошными полюсными наконечниками без специальной пусковой обмотки. Асинхронный пуск двигателей малой мощности до 50 кВт можно осуществить при отсутствии пусковой обмотки за счет токов, индуктированных в массивных частях ротора и в обмотке возбуждения, замкнутой на сопротивление пуска. Синхронные двигатели мощностью выше 50 кВт для пуска снабжаются короткозамкнутой обмоткой, расположенной в полюсных наконечниках ротора. У двигателей большой мощности выше 2000 кВт возникает большой нагрев пусковой обмотки и нарушается ее механическая прочность. Вследствие этого такие двигатели изготавливают с массивным ротором со сплошными полюсными наконечниками, соединенными по обеим сторонам ротора медными кольцами. Индуктированные в полюсных наконечниках токи создают асинхронный момент.

После включения двигателя в нем образуется вращающееся поле. Взаимодействие его с токами, наведенными в пусковой клетке, создает вращающий момент, так же как в короткозамкнутом асинхронном двигателе.

В процессе асинхронного пуска обмотку возбуждения нельзя оставлять разомкнутой, так как магнитный поток статора, пересекающий ее в начальный период пуска с синхронной скоростью, индуктирует в ней ЭДС. Вследствие большого числа витков обмотки возбуждения эта ЭДС достигает значений опасных для целостности изоляции обмотки. Для предотвращения этого обмотку возбуждения на период разгона замыкают на активное сопротивление в 8÷12 раз большее сопротивления самой обмотки возбуждения.

При достаточной величине асинхронного пускового момента двигатель разгонится до частоты, составляющей примерно 95% от синхронной, то есть до скольжения , при котором перемещение магнитного поля якоря относительно полюсов ротора происходит достаточно медленно, чтобы обеспечить хорошие условия для втягивания ротора в синхронизм. Вхождение в синхронизм достигается после включения постоянного тока в обмотку возбуждения под действием возникающего при этом синхронизирующего момента.

При асинхронном пуске в ход синхронных двигателей они обычно непосредственно подключаются к сети, если мощность сети достаточно велика и для нее допустимы большие пусковые токи, которые достигают в начале пуска 5÷6-кратных значений по сравнению с номинальными. Если же необходимо уменьшить пусковые токи, то пуск производится при пониженном напряжении, так же как мощных асинхронных короткозамкнутых двигателей.

При частотном пуске двигатель питается от отдельного синхронного генератора частота напряжения которого плавно поднимается от нуля. При малой частоте изменения напряжения генератора ток якоря двигателя образует вращающееся с малой скоростью магнитное поле. Возбужденный ротор двигателя втягивается в синхронизм при частоте (1 – 4) Гц. Постепенно увеличивают частоту напряжения до номинальной, при этом ротор двигателя за счет синхронного момента разгоняется до номинальной скорости вращения.

Слабым местом большинства электроприводов с синхронными двигателями значительно усложняющим их эксплуатацию и повышающим затраты, являлся электромашинный возбудитель. В настоящее время широкое распространение для возбуждения синхронных двигателей находят тиристорные возбудители.

Тиристорные возбудители синхронных электродвигателей более надежны и имеют более высокий КПД по сравнению с электромашинными возбудителями. С их помощью легко решаются вопросы оптимального регулирования тока возбуждения для поддержания постоянства , напряжения на шинах, от которых питается синхронный двигатель, а также ограничение токов ротора и статора синхронного двигателя в аварийных режимах.

Тиристорными возбудителями комплектуется большинство выпускаемых крупных синхронных электродвигателей. Они выполняют обычно следующие функции:

- пуск синхронного двигателя с включенным в цепь обмотки возбуждения пусковым сопротивлением;

- бесконтактное отключение пускового сопротивления после окончания пуска синхронного двигателя и защиту его от перегрева;

- автоматическую подачу возбуждения в нужный момент пуска синхронного электродвигателя;

- автоматическое и ручное регулирование тока возбуждения;

- необходимую форсировку возбуждения при глубоких посадках напряжения на статоре и резких набросах нагрузки на валу синхронного двигателя;

- быстрое гашение поля синхронного двигателя при необходимости снижения тока возбуждения и отключениях электродвигателя.

Рекомендуемая литература

1. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. тех. учебн. заведений. - 3-е изд., перераб.-Л.: Энергия,1978. -832с.