Принцип действия и устройство синхронных двигателей

Синхронным называется двигатель, частота вращения ротора которого n равна частоте вращения поля n₁ (n= n₁).

Индуктор (источник первичного магнитного поля) обычно рас­полагается на роторе и представляет собой систему электромаг­нитов чередующейся полярности в виде катушек обмотки возбужде­ния, расположенных на полюсах с явно выраженными полюсными нако­нечниками (рис. 12.1). Мощные быстроходные двигатели имеют неявнополюсный ротор. В обмотку возбуждения подается постоянный ток возбуждения i_в от внешнего источника (возбудителя) через два контактных кольца и щеточный аппарат. Магнитное поле возбуждения "привяза­но" к полюсам и вращается вместе с ними.

Обмотка якоря обычно трехфазная, распределенная по пазам сердечника статора. Конструкция синх­ронного двигателя является обращенной по сравнению с двигателем постоянного тока.

При протекании трехфазной системы токов по трехфазной обмот­ке якоря (статора) в двигателе создается магнитное поле якоря с индукцией, распределенной вдоль окружности воздушного зазора по закону, близкому к

Рис. 12.1. Явнополюсная синхронная машина: 1 – сердечник якоря с пазами для обмотки; 2 – катушка обмотки возбуждения; 3 – полюс индуктора; 4 – пусковая обмотка; 5 - контактное кольцо; 6 – щётка; 7 - вал

к гармоническому Это поле вращается в направлении чередования фаз с частотой n₁=f₁/p , где f₁-часто­та тока, р - число пар полюсов поля статора.

Ток обмотки возбуждения создаёт поле возбуждения с индукцией, распределенной вдоль окружности воздушного зазора также по гармоническому закону. В результате взаимодействия полей возбуждения и якоря возникают электромагнитные силы f_эм и моменты, действующие на ротор и на статор в противоположных направлениях.

При несинхронном вращении ротора и поля якоря (n¹ n₁) изменяется взаимное положение полей возбуждения и якоря, поэтому элект­ромагнитные силы и моменты также изменяются по значению и направлению с частотой p(n₁-n), и среднее за период изменения значение электро­магнитного момента М получается равным нулю.

Только при n = n₁ сохраняется взаимное положение полей возбуждения и якоря, и поэтому может создаваться ненулевой момент (М¹0). При этом в двигателе поле якоря опережает поле возбуждения и как бы тянет за собой ротор. Электромагнитный момент, действующий на ротор двигателя, направлен в сторону вращения поля и является движущим, обеспечивающим вращение ротора и присоединённой к нему рабочей машины.

При вращении ротора двигатель развивает механическую мощность за счёт активной мощности, потребляемой обмоткой якоря из сети. Потребляя из сети актив­ную мощность, машина вырабатывает механическую мощность при обя­зательном условии, что ротор вращается синхронно с полем якоря и отстаёт в пространстве от него. Такая машина является синхронным двигателем. Наилуч­шие условия работы обеспечиваются при одинаковом числе полюсов поля якоря и индуктора.

Поле якоря безынерционно и после включения обмотки якоря в сеть практически сразу вращается с частотой n₁. Роторы двигателя и рабочей машины имеют моменты инерции, поэтому сразу после включения двигатель и поле возбуждения неподвижны (n = 0). Возникающий электромагнитный момент изменяется с большой частотой (см. выше), ротор не поспевает следовать за полем якоря, и поэтому пусковой электромаг­нитный момент в среднем равен нулю. Это существенный недостаток синхронно­го двигателя. Чтобы запустить синхронный двигатель, необходимо плавно повышать частоту подводимого напряжения или предварительно разгонять ротор двигателя до скорости, близкой к скорости поля с помощью дополнительных средств.

Ротор синхронного двигателя вращается под действием электро­магнитного момента М, последний действует в направлении вращения магнитного поля якоря. Поэтому для реверса двигателя необходи­мо изменить чередование фаз сети, подключенной к обмотке якоря.

В соответствии с принципом действия частота вращения ротора двигателя остается постоянной – n = n₁ = f₁/p, если f = const и момент нагрузки не превышает максимального значения электромагнитного момента, развиваемого двигателем при неизменных значениях напряжения на обмотке статора и тока возбуждения. Следовательно, механическая характеристика синхронного двигателя является абсо­лютно жесткой.

Конструкцию синхронного двигателя можно изучить по любо­му учебнику [2…5] и макету в лаборатории.

Изобразите в отчёте необходимые упрощенные эскизы двигателя, прону­меруйте и назовите функционально важные элементы, укажите их назначение и используемые в них материалы.