Способы пуска синхронного двигателя

Применяются следующие способы пуска синхронных двигателей: а) частотный, б) при помощи вспомогательного двигателя методом точной синхронизации и в) асинхронный пуск (метод грубой син­хронизации). В данной работе используются способы б) и в).

12.3.1. Пуск при помощи вспомогательного двигателя методом точной синхронизации. Регулируемым вспомогательным двигателем раз­гоняют возбужденный ротор синхронной машины до скорости, близкой к синхронной (n » n₁). В обмотке якоря наводится ЭДС Е= pÖ2fwk_обФ_в, имеющая частоту f= pn; w, k_об - число вит­ков фазы и обмоточный коэффициент обмотки якоря, Ф_в - поток взаимной индукции, созданный обмоткой возбуждения. Обмотка якоря отключена от сети и обесточена, поэтому напряжение этой обмотки равно ЭДС U= E. В сети действу­ет напряжение U₁ с частотой f₁. Регулируют синхронную машину так, чтобы совпали параметры напряжений машины и сети. В момент совпадения включают обмотку статора в сеть, и машина втягивается в синхронизм без всплеска тока.

Меры, приводящие к выравниванию параметров U и U₁, называются синхронизацией, а условия, при которых это достигается, – условиями синхронизации. Если условия выполняются полностью, син­хронизацию называют точной. В противном случае получается грубая синхронизация.

Условия точной синхронизации:

а) совпадение чередования фаз напряжения машины и напряже­ния сети;

б) совпадение частот напряжения машины и напряжения сети: f=f₁;

в) равенство напряжения машины и напряжения сети по значе­нию и временной фазе: и, следовательно, .

Для контроля выполнения условий синхронизации применяются специальные приборы - синхроноскопы (ламповые и электромагнит­ные). Совпадение чередования фаз проверяется с помощью синхро­носкопа или фазоуказателя. В случае несовпадения изменяют чере­дование фаз машины. Равенство частот контролируется синхроноскопом или частотомером и достигается регулированием скорости вращения вспомогательного двигателя; одновременно из­меняется значение ЭДС. Равенство U=U₁ контролируется вольтметром и достигается регулированием то­ка возбуждения синхронной машины, определяющим поток Ф_в. Момент совпадения временных фаз напряжений машины и сети контроли­руется синхроноскопом и достигается регулированием скорости вра­щения вспомогательного двигателя.

Синхроноскопы sh включаются на разность напряжения машины и напряжения сети. Ламповый синхроноскоп можно включить на пога­сание или на "вращение" света ламп (рис. 12.2). В схеме на рис. 12.2,а лампы включены на одноименные фазы сети и машины, а в схеме на рис. 12.2,б – одна лампа (здесь HLcc ) включена на одноименные фазы, а две другие - на разноименные фазы сети и машины.

Системы фазных напряжений сети и машины можно условно изоб­разить в виде звезд векторов, вращающихся с угловыми частотами w₁= 2pf₁ и w = 2pf соответственно. Если f¹ f₁, то звезды век­торов вращаются с различными скоростями, и геометрические раз­ности векторов изменяются по гармоническому закону с час­тотой f₁– f. При этом в схеме на рис. 12.2,а накал всех ламп синхронно изменяется с частотой f₁–f от максимального, когда одноименные векторы и в противофазе, до минимального, когда и совпа­дают по фазе. В схеме на рис. 12.2,б яркость света различных ламп нарас­тает и убывает поочередно, поэтому создается эффект "вращения"света, если лампы расположены по треугольнику. Модуль разности частот f₁–f определяет скорость, а знак этой разности – нап­равление "вращения" света. В момент выполнения условий синхронизации (совпадения векторов и одноименных фаз сети и машины) в схеме на рис. 12.2,а погаснут все лампы, а в схеме на рис. 12.2,б лампа HLcc погаснет, а две другие будут иметь одинаковый немаксимальный накал. В этот момент надо включать машину в сеть.

Если ламповый синхроноскоп включен на погасание, а получа­ется "вращение" света, то это свидетельствует о несовпадении чередования фаз машины и сети. Аналогичный вывод следует в случае одновременной пульсации света всех ламп синхроноскопа, включенного на "вращение" света.

Ненулевой минимальный накал ламп соответствует случаю U¹ U₁ (впрочем, накал нити лампы становится невидимым при напряжении, не превышающем 20% номинального напряжения лампы). Если лампы го­рят с постоянным накалом, то это свидетельствует о том, что либо синхронная машина не возбуждена, либо f₁- f = 0, но звезды векторов не совпадают.

У электромагнитного синхроноскопа в случае несовпадения час­тот f и f₁ стрелка вращается в направлении "медленнее", если f <f₁ , и в направлении "быстрее" при f >f₁. Название направления вращения стрелки характеризует реальную скорость вращения ротора по сравнению с синхронной. В момент вы­полнения всех условий синхронизации стрелка электромагнитного синхроноскопа устанавливается на вертикальную метку шкалы. Если U¹ U₁ или не совпадает чередование фаз машины и сети, стрел­ка быстро проходит метку даже при равенстве частот.

Точная синхронизация требует дополнительного оборудования и занимает достаточно большое время.

12.3.2. Асинхронный пуск синхронного двигателя

Этот способ несложен, но сопровождается значительными вспле­сками тока и электромагнитных сил и требует дополнительных мер:

а) на роторе необходима замкнутая многофазная обмотка (или замкнутые контуры), что­бы двигатель смог разгоняться как асинхронный под действием асинхронного электромагнитного момента (от взаимодействия поля и наведенных токов в этой обмотке). Эту обмотку называют пусковой и устраивают как короткозамкнутую беличью клетку: неизолирован­ные медные или латунные стержни располагают в пазах полюсных наконечников и приваривают к медным сегментам, образующим короткозамыкающие кольца;

б) при пуске вращающееся поле наводит в замкнутой цепи об­мотки возбуждения синхронного двигателя однофазный переменный ток, создающий электромагнитный момент, ухудшающий условия пус­ка; оставить же цепь обмотки возбуждения разомкнутой нельзя из-за опас­ности пробоя изоляции этой обмотки значительной наводимой ЭДС, так как обмотка возбуждения имеет большое количество витков и ее потокосцепление изменяется с большой частотой в начале пуска. Выход: обмотку возбуждения замыкают на разрядное сопротивление R_p=(5...12)R_в, где R_в - сопротивление обмотки возбуждения. При этом невелики напряжение на зажимах обмотки возбуждения и переменный ток в этой обмотке.

Итак, предварительно обмотку возбуждения отключают от возбудителя и замыкают на разрядное сопротивление R_p. Далее обмотку статора включают в сеть, и двигатель запускается как асинхронный. Возникающее вращающееся маг­нитное поле статора наводит в электропроводящих контурах ротора ЭДС и токи с частотой f₂=f₁s, где s – скольжение ротора относи­тельно поля. В используемой на стенде синхронной машине имеется два типа электропроводящих контуров на роторе: обмотка возбуждения и контуры, образованные ферромагнитными частями (сер­дечниками полюсов). Пусковая обмотка отсутствует. Обмотка воз­буждения подключена к большому разрядному сопротивлению R_p , поэто­му ее ток и соответствующий электромагнитный момент невелики. Создаётся асинхронный момент в основном от взаимодействия наведённых токов в ферромагнитных частях ротора с вращающимся полем обмотки статора. Под действи­ем этого асинхронного момента ротор разгоняется и скольжение уменьшается. Пока скорость двигателя невелика, сколь­жение s и частота f₂ достаточно большие. Примерно через 3-5 с после включения скорость ротора при­близится к синхронной (n » 0,95n₁), s и f₂ уменьшаются. При этом сле­дует сразу же подать возбуждение в синхронный двигатель (переключить SAI5®В), чтобы он втянулся в синхронизм. Возникают всплеск тока якоря и дополнительные электромагнитные моменты, под действием которых ротор после ударов и качаний, как правило, втягивается в синхронизм.

Подаваемый ток возбуждения должен обес­печить ЭДС Е » U₁. При подсинхронной скорости разность частот f₁ - f составляет около 5%. Совпадение фаз ЭДС машины и напряжения сети здесь не контролируется вообще, поэтому асинхронный пуск соответствует грубой синхронизации. Наилучшие условия втягивания в синхронизм получаются, если возбуждение подается при n ≥ 0,95n₁ и если момент нагрузки меньше номинального входного мо­мента M_вх. Последний представляет собой электромагнитный момент, развиваемый машиной при асинхронном пуске, когда n = 0,95n₁.

Асинхронный пуск является самым распространенным способом пуска синхронных двигателей.