Принцип работы синхронной машины
Здесь рассматривается трехфазная синхронная машина, работающая в режиме генератора и возбуждаемая со стороны ротора постоянным током.
Возбужденный ротор синхронной машины приведен во вращение со скоростью п в таком направлении, чтобы порядок следования фаз статора был А — В — С. Если иметь в виду обмотку на рис. 11, то для этого нужно привести ротор во вращение по часовой стрелке. Поле ротора наводит в обмотке статора э. д. с. и токи с частотой / = jm/60. Как это уже известно и как видно на рис. 21-11, в> г, 5, трехфазный ток в обмотке статора создает магнитное поле, первая гармоническая которого вращающееся в том же направлении и с той же скоростью п, что и ротор.
Чтобы выяснить характер взаимодействия полей статора и ротора синхронной машины, проще всего воспользоваться моделью этой машины.
На рис. 1 поля ротора и статора изображены для ясности в виде двух систем полюсов, вращающихся с одинаковой скоростью слева направо.
Если в обмотке статора нет тока, то линии магнитного поля в полюсах статора составляют продолжение линий поля ротора, и оси обоих полей совпадают (рис. 1, а). Так как магнитные линии обладают упругостью, то участки линий в зазоре показаны в виде пружин, оси которых совпадают с направлением полей ротора и статора.
Если синхронная машина приводится во вращение приводным двигателем и работает в режиме генератора, то при заданных на рисунке полярности полюсов ротора и направлении его вращения в обмотке статора (на рис. 1, б она изображена кружком) наводится э. д. с. и течет ток (активная составляющая) за плоскость чертежа. Этот ток создает поле, направленное встречно относительно поля ротора справа от оси полюса (набегающий край полюса ротора) и согласно с полем ротора слева от оси полюса (сбегающий край полюса ротора).
При наложении одного поля на другое получается картина результирующего поля статора на рис. 1, в, где видно, что ось этого поля сместилась относительно оси поля ротора в направлении, противоположном направлению вращения ротора на угол 0. Линии магнитного поля в зазоре теперь идут наклонно и создают электромагнитную силу, имеющую две составляющие: радиальную Fv и касательную FK.
Рис. 1. Принцип работы синхронной машины: а — холостой ход, б и в — в режиме генератора, г — в режиме двигателя
Радиальные силы всех полюсов взаимно уравновешиваются, а касательные, складываясь, образуют момент Мэм, направленный встречно относительно момента Мг приводного двигателя. Следовательно, момент Мэм является тормозящим по отношению к моменту Mv Установившийся режим работы синхронного генератора соответствует такому его состоянию, когда Мг = = — Мэм, т. е. когда эти два момента — вращающий и тормозящий — находятся во взаимном равновесии.
Если подвести к приводному двигателю большее количество пара, воды, нефти и т. п., то соответственно увеличится вращающий момент Мг на валу генератора. Под действием этого момента ротор начнет смещаться относительно полюсов статора вперед по направлению вращения, и угол 0 будет увеличиваться. Но при этом магнитные линии в зазоре будут сильнее растягиваться, оказывая все большее противодействие моменту приводного двигателя Мх. Такое увеличение угла и соответственно противодействующего момента генератора Мэм будет продолжаться до тех пор, пока момент Мэм не станет равным по величине моменту Мг. После этого дальнейшее увеличение угла 0 прекратится, и генератор будет продолжать работать с прежней синхронной скоростью п, но с новым, в данном случае большим, углом 0. При чрезмерном увеличении момента Mi электромагнитное взаимодействие между статором и ротором может
быть нарушено. В этом случае поля статора и ротора начинают
вращаться с разными скоростями и, следовательно, постоянное взаимодействие между ними становится невозможным, т. е. генератор выпадает из синхронизма.
Если синхронная машина работает двигателем при тех же, что на рис. 1, полярности полюсов ротора и направлении его вращения, то ток (активная составляющая) в обмотке статора изменяется по направлению, что объясняется совершенно так же, как в двигателях постоянного тока (см. рис. 1). Соответственно этому изменяется действие поля статора по отношению к полю ротора, а именно: набегающий край полюса ротора намагничивается полем якоря, а сбегающий —- размагничивается. Поэтому картина результирующего поля теперь имеет вид, показанный на рис. 1, г. Ось результирующего поля статора сместилась относительно оси поля ротора на угол 0 по направлению вращения ротора, вследствие чего изменился наклон магнитных линий в зазоре и знак момента М9м. Теперь этот момент является вращающим.
Таким образом, при работе синхронной машины генератором ось поля ротора опережает ось поля статора на угол +0, а при ее работе двигателем — отстает от оси поля статора на угол — 0.
При перегрузке синхронный двигатель, так же как синхронный генератор, может выпасть из синхронизма.
