Синхронный двигатель: принцип действия при установившемся режиме.

В режиме двигателя синхронная машина потребляет энергию из сети и преобразует ее в механическую энергию.

Момент машины при этом является движущим, а не тормозящим, как в режиме генератора. Если к ротору приложить вместо вращающего тормозной момент механической нагрузки, противодействующий момент М_кр, то ось полюсов ротора повернется на некоторый угол Q относительно оси полюсов статора против направления движения. Возникнувшие токи в обмотках статора создадут электромагнитные силы взаимодействия токов статора и магнитного поля ротора в направлении вращения, но на этот раз они содействуют ротору, увлекая его в направлении вращения. При некотором значении Q = const наступает некоторое равновесие М = М_кр. Уравнение электрического состояния фазы статора имеет вид:

Так как R_я << X_c, то

.

Работа синхронного двигателя характеризуется следующими зависимостями.

U-образная характеристика - зависимость тока статора (якоря) от

тока возбуждения Iв, I = f(Iв) при мощности на валу Р =const, M =const.

При недовозбуждении (Iв = Iв₁) двигатель является индуктивной на грузкой для сети ( >0). При некотором токе Iв = Iв₂ > Iв₂ ток совпадает по фазе с напряжением U и имеет минимальное значение. двигатель является чисто активной нагрузкой.

При перевозбуждении (I_в3>I_в2) двигатель приобретает свойства емкостной нагрузки, то есть ток опережает напряжение, < 0. Свойство изменения характера тока якоря с изменением характера тока возбуждения спользовано при работе синхронного компенсатора. Это синхронный двигатель, работающий на холостом ходу с перевозбуждением. В таком режиме двигатель потребляет чисто емкостной ток, опережающий напряжение ровно на 90.

Угловая характеристика - зависимость М = f(Q).

При изменении момента от 0 до М_max работа двигателя устойчивая. Угол при этом меняется от 0до +90,

т.е. устойчивость сохраняется при условии, что момент нагрузки не превышает наибольшего значения момента М_max, который в состоянии развить синхронная машина. В противном случае нарушится синхронизация, двигатель останавливается.

Обычно при М_ном угол Q устанавливается в пределах 20 - 35, а М_ном не превышает 0,5 М_max. При изменении направления момента - генераторный режим машины. Условия те же. Механическая характеристика n=f(M). Ее называют абсолютно жесткой, т.к. скорость двигателя не зависит от момента нагрузки и равна синхронной скорости.

Рабочие характеристики - зависимость частоты вращения n, вращающего момента М, тока статора I, коэффициента мощности cos и КПД от Р на валу двигателя при U_c = const, f = const, I_в = const.

Представленные характеристики соответствуют току возбуждения, при котором на холостом ходу двигатель имеет cos =1. Возникновение I_o=I_хх и М_о происходит в результате потерь в двигателе.

С ростом нагрузки увеличивается активная и появляется индуктивная составляющая тока статора, угол растет, а cos уменьшается. Ток I растет за счет увеличения активной и индуктивной составляющих. Изменение КПД - типично для электрических машин.