Д) Пуск в ход синхронного двигателя

Синхронные двигатели долгое время находили себе применение лишь в редких случаях вследствие тех затруднений, которые создавались при пуске их в ход.

Электромагнитный вращающий момент М _эм будет все время направлен в одну сторону только при синхронной частоте вращения ротора. Если же двигатель подключить к сети переменного тока, когда его ротор неподвижен, а в обмотке возбуждения имеется постоянный ток, то электромагнитный момент, получающийся от взаимодействия неподвижного поля полюсов и перемещающихся с синхронной частотой по окружности статора токов, будет в течение периода дважды изменять свое направление (над северным, например, полюсом ротора будут иметь место токи то одного направления, то, спустя полпериода, другого направления). Двигатель не придет во вращение, так как электромагнитный момент не сможет в течение полпериода разогнать ротор до синхронной частоты из-за его инерции.

Следовательно, для того чтобы электромагнитный вращающий момент в синхронном двигателе был направлен все время в одну сторону, необходимо до подключения синхронного двигателя к сети раскрутить его каким-нибудь посторонним двигателем до синхронной частоты вращения. После этого включение рубильника или масляного выключателя должно быть произведено в определенный момент времени, который устанавливается при помощи синхроноскопа. Способы включения здесь те же, что и для генератора.

Пуск синхронного двигателя при помощи постороннего двигателя, называемого разгонным или пусковым, обладает рядом крупных недостатков, которые и препятствовали широкому распространению синхронных двигателей.

При помощи разгонного двигателя, мощность которого обычно составляла 5 15% от номинальной мощности синхронного двигателя, последний можно было пускать только при малой нагрузке на валу. Установка к тому же получалась громоздкой и неэкономичной.

В качестве разгонного двигателя обычно использовался асинхронный двигатель с числом полюсов на два меньшим, чем число полюсов синхронного двигателя.

В настоящее время пуск в ход при помощи разгонного двигателя на практике почти не применяется; он иногда находит себе применение главным образом для мощных синхронных компенсаторов (см. § 4-8, ж).

В последние годы почти во всех случаях практики применяется так называемый асинхронный пуск в ход. Синхронный двигатель при этом пускается как асинхронный. Его ротор должен быть снабжен специальной пусковой обмоткой, выполняемой так же, как продольно-поперечная успокоительная обмотка (рис. 4-46). Она мало отличается от короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя. Стержни пусковой обмотки закладываются в пазы полюсных наконечников и соединяются на торцах пластинами, образующими короткозамыкающие кольца (рис. 4-81). Вместо пусковой клетки иногда используются массивные полюсные наконечники, которые на торцах также должны быть соединены пластинами.

Рис. 4-81. Ротор синхронного двигателя с пусковой (успокоительной) обмоткой

Принципиальная схема асинхронного пуска в ход синхронного двигателя приведена на рис. 4-82.

Рис. 4-82. Схема синхронного двигателя (при асинхронном пуске в ходе).

После включения двигателя в нем образуется вращающееся поле. Взаимодействие его с токами, наведенными в пусковой клетке, создает вращающий момент, так же как в короткозамкнутом асинхронном двигателе.

Обмотка возбуждения при этом должна быть замкнута, так как в противном случае в ней наводилась бы вращающимся полем большая э.д.с., опасная не только для изоляции обмотки, но и для обслуживающего персонала. Ее замыкают для увеличения пускового момента на сопротивление, приблизительно в 8 12 раз большее сопротивления самой обмотки возбуждения (переключатель на рис. 4-82 должен быть включен вверх). (При отсутствии пусковой клетки и при замкнутой накоротко обмотке возбуждения наблюдается "явление одноосного включения" (см. § 3-21, д).)

Синхронный двигатель, вращаясь как асинхронный, доходит почти до синхронной частоты. Получающееся при этом скольжение зависит от нагрузки на валу и от параметров электрических цепей ротора. Вхождение в синхронизм достигается после включения постоянного тока в обмотку возбуждения под действием возникающего при этом синхронизирующего момента (переключатель на рис. 4-82 должен быть включен вниз).

При асинхронном пуске в ход синхронных двигателей они обычно непосредственно подключаются к сети, если мощность сети достаточно велика и для нее допустимы большие пусковые токи, которые достигают в начале пуска 5¸6-кратных значений по сравнению с номинальными. Если же необходимо уменьшить пусковые токи, то пуск производится при пониженном напряжении, так же как мощных асинхронных короткозамкнутых двигателей.

Здесь также применяется пуск при переключении обмотки статора со звезды на треугольник, что дает уменьшение фазного напряжения при пуске в раз, а линейного тока — примерно в 3 раза. Чаше для понижения напряжения при пуске используется автотрансформатор или реактор (реактивная катушка). Соответствующие принципиальные схемы пуска представлены на рис 4-83.

Рис. 4-83. Схема пуска синхронного двигателя при пониженном напряжении.
а — автотрансформаторный пуск; б — реакторный пуск.

Автотрансформаторный пуск производится по схеме рис. 4-83, а, причем порядок пусковых операций следующий: замыкается выключатель В ₃, соединяющий обмотки автотрансформатора AT в звезду; затем замыкается выключатель В ₁; по достижении двигателем некоторой определенной частоты вращения выключатель В ₃ размыкается и автотрансформатор превращается в реактивную катушку; наконец, замыкается выключатель В ₂, и двигатель получает полное напряжение, после чего включается постоянный ток в обмотку возбуждения и двигатель входит в синхронизм.

Реакторный пуск производится по схеме рис. 4-83, б. Порядок пусковых операций в этом случае следующий: на первой стадии пуска замыкается выключатель В ₁; затем по достижении определенной частоты вращения замыкается выключатель В ₂ и к двигателю подается полное напряжение; после этого включается постоянный ток в обмотку возбуждения и двигатель входит в синхронизм.

Автотрансформаторный пуск является трехступенчатым пуском. На первой ступени к двигателю подводится напряжение U ₂, равное 40 60% номинального напряжения U _н; на второй ступени, когда автотрансформатор используется как реактор, к двигателю подводится напряжение, составляющее 70 80% номинального. Пусковые токи, получаемые из сети в начале пуска, здесь уменьшаются, как показано ниже, пропорционально квадрату напряжения.

Начальный пусковой ток в обмотке статора уменьшается пропорционально напряжению. Если при полном напряжении U _н на обмотке статора начальный пусковой ток равен I _нач, то при напряжении U ₂ он равен . Ток из сети I _с — ток первичной обмотки автотрансформатора, имеющего коэффициент трансформации ; следовательно, , т. е. ток сети пропорционален квадрату напряжения, так же как начальный вращающий момент, развиваемый двигателем.

При реакторном пуске ток сети I _с, поступающий в двигатель в начале пуска, пропорционален напряжению, тогда как начальный вращающий момент пропорционален квадрату напряжения. В этом — недостаток реакторного пуска по сравнению с автотрансформаторным. Однако к его преимуществам нужно отнести большую простоту схемы, меньшее количество необходимой аппаратуры. Поэтому при питании двигателей от достаточно мощных подстанций, когда допустимы большие пусковые токи, следует предпочесть более простой и дешевый реакторный пуск.