Устройство синхронного электродвигателя таково, что он развивает вращающий момент только при условии вращения его ротора синхронно с магнитным полем статора. Для обеспечения разгона синхронного электродвигателя его ротор снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой.
В пазы полюсных наконечников укладывают стержни пусковой обмотки и замыкают ее накоротко короткозамыкающими кольцами. При этом при подключении статорной обмотки синхронной электрической машины в сеть она будет запускаться как обычный асинхронный электродвигатель с КЗ ротором. Пусковой момент будет создаваться взаимодействием магнитных потоков статора и короткозамкнутого ротора и, соответственно, электродвигатель будет разгонятся. Когда скорость ротора достигнет «подсинхронной», а это 95% — 98% синхронной, на обмотку возбуждения подают постоянный ток (ток возбуждения), после чего двигатель втягивается в синхронизм. Механическая характеристика синхронной машины при пуске будет иметь две характерные точки:
- Пусковой момент Мпуск, который двигатель может развить при неподвижном состоянии (S = 1);
- Входной или подсинхронный момент Мвх, который развивает синхронный электродвигатель при 95% синхронной скорости (S ≈ 0.05).
В зависимости от назначения, а также условий работы электропривода, требуются различные соотношения между данными моментами и различные их величины.
Чем больше будет сопротивление пусковой обмотки, тем будет больше критическое скольжение, которое влияет на максимум момента. Соответственно поменяется и величина пускового момента при S = 1, а также подсинхронного S = 0,05; величина последнего довольно существенна при вхождении в синхронизм. Чем будет больше подсинхронный момент, тем больше будет скорость, к которой сможет разогнаться синхронный электродвигатель а режиме асинхронного и, соответственно, ему будет легче втянутся в синхронизм. Механическая характеристика для асинхронного режима показана ниже:
Из данной фигуры мы можем увидеть, что увеличивая подсинхронный момент мы уменьшаем пусковой, и наоборот. Поэтому выбирая синхронный электродвигатель для конкретного механизма необходимо всегда согласовать пусковые характеристики электродвигателя и рабочего механизма Мс = φ(n).
При асинхронном пуске ток статора будет больше номинального в несколько раз Iпуск = 3÷5Iном. Чтоб снизить этот ток понижают напряжение на обмотках статора. Для этого используют пусковые реакторы или автотрансформаторы. При этом величина пускового тока будет снижена пропорционально напряжению на статоре, но при этом снизится пусковой и критический моменты пропорционально квадрату напряжения. Благодаря развитию современных технологий используют для пуска преобразователи частоты, но этот вид пуска мы рассмотрим в отдельной статье.
Также пусковые характеристики будут во многом зависеть от перегрузочной способности синхронной машины в нормальном режиме. Перегрузочная способность возрастет с увеличением воздушного зазора, однако такое увеличение приведет к увеличению потока рассеивания, что в свою очередь приведет к уменьшению моментов при асинхронном пуске. В связи с такой противоречивостью условий пуска и перегрузочной способности приходится принимать некоторые средние параметры, при которых характеристики двигателя в наибольшей степени отвечают всем поставленным требованиям.
В процессе пуска также непосредственное участие принимает и обмотка ротора. В начальной стадии пуска в ней индуктируется довольно значительная ЭДС, которая может привести к пробою изоляции (если оставить ее в разомкнутом виде). Поэтому обмотку ротора замыкают на активное сопротивление в 10 – 12 раз больше чем сопротивление самой обмотки. Замыкание роторной обмотки в процессе пуска накоротко не рекомендуется, так как из-за явления одноосного включения возможно значительное уменьшения пускового момента при половине синхронной скорости. Это может привести к устойчивой работе электродвигателя при пониженной скорости.
Физически данное явление можно объяснить так. Вращающееся поле статора будет индуктировать в обмотке ротора ЭДС частоты скольжения f2 = f1S. Данная ЭДС инициирует появления тока, который создаст пульсирующую МДС. Эту МДС, в свою очередь, можно разложить на две составляющие F1 и F2, которые вращаются относительно ротора в разные стороны, но с одинаковыми скоростями n2 = ±(n0 — n). То есть получается аналогичная картина режиму с введением в цепь ротора асинхронной машины несимметричных сопротивлений.
МДС F1 относительно статора будет вращаться со скоростью:
Данная МДС будет создавать дополнительный вращающий момент, который будет суммироваться с вращающим моментом от пусковой обмотки.
МДС F2 создаст обратно-синхронное поле, которое вращается со скоростью относительно статора:
При этом в статоре будет индуктироваться ЭДС частоты:
Данная ЭДС обусловит токи в статоре, которые замыкаясь через сеть будут взаимодействовать с обратно-синхронным полем ротора и создавать дополнительный момент, величина которого зависит от скорости вращения синхронной машины. При n = 0.5n0 частота тока в статоре f3 = 0 и дополнительный момент тоже будет равен нулю. При n<0.5n0 создаваемый МДС F2 поток, будет вращаться в сторону, противоположную вращению ротора (2n – n0<0). При этом можно полагать, что электродвигатель возбуждается с ротора (именно ротор является источником МДС F2), то развиваемый момент будет положителен и направлен по вращению ротора. При n>0.5n0 поток, создаваемый МДС F2 ротора, будет вращаться согласно с ротором, и вращающий момент будет отрицательным, то есть тормозным:
Просуммировав кривую 3, создаваемую МДС F2, с моментами создаваемыми МДС пусковой обмотки 1 и МДС F1 обмотки 2, получим результирующую механическую характеристику в пусковом режиме синхронного электродвигателя 4. Провал в характеристике 4 при скорости, близкой к 0,5n0, может стать причиной «застревания» синхронного электродвигателя на промежуточной скорости. Данное явления может реализоваться в случае если Мс>Ммин.
Влияние одноосного включения можно убрать путем включения в цепь обмотки возбуждения на время пуска добавочного сопротивления. При этом максимум момента от МДС F1 сместится в сторону большего скольжения, а момент от МДС F2 уменьшится по величине.
Пусковая характеристика синхронного электродвигателя (показанная выше) построена при упрощенном рассмотрении явлений. В действительности при пуске синхронного электродвигателя играют роль еще и моменты от вихревых токов в полюсных наконечниках, реактивный и гистерезисный моменты. Явнополюсное строение ротора изменяет его магнитное сопротивление в зависимости от его положения. Отсутствие стержней пусковой обмотки в междуполюсном пространстве приводит к несимметричности обмотки. Оба эти явления способствуют появлению пульсаций момента и, следовательно, периодических изменений скольжения. Точный учет всех факторов и получения максимально приближенной к реальной математической модели пусковой характеристики весьма сложная задача. При практических расчетах следует пользоваться пусковыми характеристиками приводимыми в каталогах.
