Пуск в ход и регулирование частоты вращения.

Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если подключить обмотку якоря к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока электромагнитный момент будет дважды менять свое направление, т. е. средний момент за период будет равен нулю. Следовательно, для пуска в ход синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной. Для этой цели применяют метод асинхронного пуска. Синхронный двигатель пускают в ход как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой 3 (рис. 293). В полюсные наконечники ротора 2 синхронного двигателя закладывают медные или латунные стержни, замкнутые накоротко двумя торцовыми кольцами. Пусковая обмотка выполнена подобно беличьей клетке асинхронной машины, но занимает лишь часть окружности ротора. В некоторых двигателях специальная короткозамкнутая обмотка

Рис. 292. Электромагнитный момент в синхронной машине, образующийся в различных режимах

Рис. 293. Схема асинхронного пуска синхронного двигателя;

Рис. 294 Устройство пусковой обмотки синхронного двигателя: 1 — ротор; 2 — стержни; 3 — кольцо; 4 — обмотка возбуждения

27 Работа синхронного генератора под нагрузкой. Реакция якоря.
Если синхронный генератор не нагружен, т. е. работает вхолостую, то тока в обмотках статора нет. Магнитный поток полюсов, созданный током возбуждения, индуктирует в трехфазной обмотке статора эдс.
При нагрузке генератора по обмотке статора протекает ток.
При симметричной нагрузке токи в фазах обмотки статора равны и сдвинуты на 1/3 периода. Токи статора создают вращающееся магнитное поле, частота вращения которого n1 = 60f/p = n, т. е. магнитноe поле, созданное токами в обмотке статора, вращается синхронно с магнитным полем полюсов.
В обмотке статора синхронного генератора создается эдс, величина которой зависит от магнитного потока полюсов.
Если магнитный поток полюсов очень мал, то и эдс также мала. При увеличении магнитного потока возрастает и эдс машины. Таким образом, при постоянной частоте вращения ротора эдс пропорциональна магнитному потоку, который возбуждается постоянным током, протекающим по проводникам обмотки возбуждения.
Если повысить ток в обмотке возбуждения, то возрастет и магнитный поток полюсов, что вызовет увеличение эдс машины.
Следовательно, изменение тока в обмотке возбуждения вызывает соответствующее изменение эдс машины и позволяет регулировать напряжение на зажимах генератора.
При холостом ходе синхронного генератора напряжение равно эдс, индуктированной в обмотке статора.
При нагрузке генератора напряжение не равно эдс, так как в сопротивлении (активном и реактивном) обмотки статора возникает падение напряжения.
Кроме того, токи, проходящие по обмоткам статора, создают поток реакции якоря, который воздействует на поток полюсов, так что при нагрузке магнитный поток не будет равен магнитному потоку полюсов при холостой работе генератора.
Поэтому изменение нагрузки, т. е. тока в статоре генератора, будет вызывать изменение напряжения на зажимах генератора в случае, если ток в обмотке возбуждения остается неизменным.
На (изо,а) изображены внешние характеристики синхронного генератора при активной и реактивной нагрузках. Эти характеристики показывают зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при неизменных частоте вращения ротора и токе возбуждения.
Различный вид этих характеристик при активной, индуктивной и емкостной нагрузках объясняется неодинаковым воздействием поля реакции якоря на магнитный поток полюсов.
Характеристики синхронного генератора: а - внешние, б - регулировочные,
1 - емкостная, 2 - активная, 3 - индуктивная

Для нормальной работы любого приемника электрической энергии требуется постоянное напряжение сети.
Чтобы обеспечить постоянное напряжение сети при изменении нагрузки в синхронном генераторе, изменяют и ток возбуждения.
Зависимость, показывающая, каким образом необходимо изменить ток в обмотке возбуждения для того, чтобы при изменении нагрузки генератора напряжение на его зажимах оставалось неизменным, называется регулировочной характеристикой
(изо, б).
При активной нагрузке увеличение тока в статоре вызывает незначительное понижение напряжения, так как реакция якоря уменьшает магнитный поток в малой степени.
При этой нагрузке требуется незначительно увеличить ток возбуждения для обеспечения постоянства напряжения.
При индуктивной нагрузке создается размагничивающее поле реакции якоря, уменьшающее поток полюсов. Поэтому, для постоянства напряжения (т. е. для постоянства результирующего магнитного потока) необходимо в большей мере увеличить ток возбуждения для компенсации размагничивающего поля реакции якоря.
При емкостной нагрузке происходит усиление магнитного поля и для постоянства напряжения следует уменьшить ток возбуждения при увеличении тока в статоре.
Наиболее часто синхронные генераторы работают на общую мощную сеть электростанции или энергосистемы. Напряжение такой сети Uc и частота тока в ней неизменны. Эдс генератора eгравна и пpотивоположна напряжению сети ег = - uс.
Результирующее магнитное поле Фр статора, вращающееся с частотой n1 = 60f/p в пространстве, опережает напряжение Ег на 90 (изо).
При неизменном напряжении сети Uc амплитуда магнитного потока Фр результирующего магнитного поля статора также неизменна.
При активной нагрузке генератора ток статора I совпадает по фазе с напряжением Uг. Поток реакции якоря Фя совпадает по фазе с токомI, так что вектор тока в статоре I в другом масштабе определит вектор Фя. Результирующий магнитный поток создается действием потока полюсов Фm и потока реакции якоря Фя и может быть представлен геометрической суммой этих магнитных потоков.
Векторная диаграмма синхронного генераторапри различных токах возбуждения
Изменение тока возбуждения генератора не вызывает изменения его активной мощности, так как мощность, потребляемая им от первичного двигателя, остается неизменной (вращающий момент первичного двигателя и частота вращения постоянны).

Поэтому активная составляющая тока статора постоянна и конец вектора I (Фя) находится на прямой АВ, параллельной горизонтальной оси.
Если увеличить ток возбуждения, то возрастет поток полюсов Фm`, вектор которого находится между прямой АВ и концом неизменного вектора Фр.
В этом случае изменится как по величине, так и по направлению вектор I` и Фя`, т. е. ток окажется отстающим по фазе от напряжения генератора.
При уменьшении тока возбуждения уменьшится также и поток полюсов Фm", что приведет к изменению тока в статоре I" (Фя") как по величине, так и по фазе.
Таким образом, изменение тока возбуждения генератора, работающего на мощную сеть, вызывает изменение реактивной составляющей тока в статоре, т. е. изменяет реактивную мощность, вырабатываемую генератором.
Для изменения активной мощности необходимо изменить вращающий момент первичного двигателя, приводящего во вращение ротор синхронного генератора.
Под действием вращающего момента первичного двигателя М1 ротор машины с помещенными на нем полюсами приводится во вращение с частотой вращения
в минуту n.
Результирующее поле статора вращается в том же направлении с частотой
n1 = n (изо, а).
Следовательно, поле полюсов Фm и результирующее поле статора Фр вращаются синхронно, оставаясь неподвижными друг относительно друга, и между этими полями устанавливается взаимодействие. В результате создается электромагнитный тормозной момент Мэ, уравновешивающий момент первичного двигателя.
При равновесии моментов M1 = Mэ угол между осями магнитных полей остается неизменным.
Если увеличить момент первичного двигателя M1` (изо, 6), то он окажется больше тормозного, и ротор, получив некоторое ускорение, начнет перемещаться относительно поля статора, вращающегося с постоянной частотой n1 = 60f/p (частота тока сети f постоянна).
При этом угол между осями магнитных полей ротора и статора 1возрастет, увеличивая тормозной электромагнитный момент Мэ`так, что вновь восстановится равновесие моментов, т. е. M1`= Мэ`.
Угол между осями магнитных полей ротора и статора при меньшем (а),
большем (б) моментах первичного двигателя и при работе синхронной машины двигателем (в)

Для включения генератора в сеть необходимо:
одинаковое чередование фаз в сети и генераторе;
равенство напряжения сети и эдс генератора;
равенство частот эдс генератора и напряжения сети;
включать генератор в тот момент, когда эдс генератора в каждой фазе направлена встречно напряжению сети.

Невыполнение этих условий ведет к тому, что в момент включения генератора в сеть возникают токи, которые могут оказаться большими и вывести из строя генератор.

При включении генераторов в сеть используют специальные устройства - синхроноскопы.
Простейшим синхроноскопом три лампы накаливания, включаемые между зажимами генератора и контактами сети. Лампы должны быть рассчитаны на двойное напряжение сети и до включения генератора будут одновременно загораться и погасать.
В момент, когда эдс генератора равна и направлена встречно напряжению сети, лампы погаснут, так как напряжение на каждой лампе равно нулю. При погасании ламп генератор включается в сеть.
До включения генератора в сеть эдс его измеряется вольтметром и регулированием тока возбуждения устанавливают ее, равной напряжению сети.
Частота эдс генератора регулируется изменением частоты вращения первичного двигателя.