Можливо, найпростішим і в той же час найбільш важливим класом електричних машин є синхронні двигуни і генератори У генераторах обертове магнітне поле створюється обмоткою збудження, розташованої на роторі і живиться постійним струмом Це магнітне поле створює змінну напругу на обмотках статора Обмотки статора розташовують так, щоб обертове магнітне поле генерувало синусоидальное напруга або (в трифазних генераторах) три синусоїдальних напруги У двигунах використовується зворотний процес: на обмотки статора подається трифазне змінну напругу, а з ротора знімається обертає момент

На Рис 83 приведена векторна діаграма для синхронної машини У ній не враховано опір обмоток статора, але воно зазвичай на практиці грає незначну роль Є такі змінні:

Коли висновки статора генератора замкнені накоротко, струм досягає набагато більших значень, ніж у стаціонарному стані У момент ко-

Реактанс X & і Xq є результатом витоків і взаємної індуктивності обмоток і залежать від кута між ротором і фазовими обмотками Ця векторна діаграма описує стаціонарний стан машини

Ротко замикання магнітне поле захоплюється індуктивністю розсіювання обмоток, що призводить до різкого зменшення реактанс в порівнянні з його значенням в стаціонарному режимі Початковий реактанс називається сверхпереходнш і прикладається по обох осях, прямий і квадратурної, створюючи X D і X g Пізніше магнітне поле змінюється, струм зменшується, і характеристики визначаються перехідними реактанс Xо і Хц Наприкінці ток зменшується до значення, обумовленого синхронним реактанс XD На додаток до змінної компоненті струму має місце і постійний струм зміщення, який спадає за експоненціальним законом Його пікове значення може досягативід середньо

квадратичного значення надперехідного синусоїдального струму, а максимальне середньоквадратичне значення струму за полперіода визначається формулоюОднак для вибору струму спрацювання автоматич

тичного вимикача частіше використовується коефіцієнт 16, ніж 1732, в розрахунку на швидке спадання струму

Надперехідного реактанс відіграють важливу роль в силовій електроніці Випрямляч або перетворювач, що працює від синхронного генератора, повинен передавати струм в навантаження послідовно від фаз вхідного напруги Цей процес комутації описаний у наступних розділах, а тут досить відзначити, що генератор піддається впливу повторюваних коротких замикань між фазами, причому тривалість кожного замикання становить кілька електричних градусів Отже, реактанс при комутації є надперехідного величиною і зазвичай представляється середнім значенням між X D і Х ц Технічно напруга, при якому відбувається комутація, має бути напругою, що виникають після надперехідного реактанс На практиці, однак, це зростання напруги відносно малий, і в більшості розрахунків характеристик перетворювачів можна використовувати напругу на висновках Найбільша помилка буде при великих токах і великих кутах зсуву фаз напруги і струму, коли коефіцієнт потужності близький до нуля

Положення ротора відносно магнітного поля статора в синхронних машинах змінюється залежно від навантаження, як механічною, так і електричної На Рис 84 показані ці процеси в генераторі і двигуні У генераторі момент обертання, прикладений до валу, має бути збільшений, якщо збільшується потужність, що віддається в навантаження Це викликає збільшення кута випередження 5 положення ротора по відношенню до поля, створюваному статором У двигунах процес протилежний, і ротор відстає від поля на що збільшується кут при зростанні навантаження валу В обох машинах граничним є кут 90 ° Перевищення цього кута викликає прослизання полюсів, і ротор не зможе обертатися синхронно з магнітним полем статора Тривале прослизання полюсів створює передумови для серйозної аварії Типовими причинами, викликають прослизання полюсів, є коротке замикання для генератора і перевантаження по обертального моменту для двигуна

Рис 84 Кути сдвігамеждуротором і полем в генераторі і двигуні

Для запуску синхронного генератора просто потрібно розкрутити його ротор до потрібної швидкості обертання відповідним механічним приводом, подати струм в обмотку статора і підключити навантаження У разі, якщо генератор повинен бути підключений до вже працюючої мережі, ще треба синхронізувати частоту і фазу вихідної напруги генератора і мережі Запуск синхронного двигуна ненабагато складніше Більшість синхронних двигунів мають допоміжні обмотки на статорі, так звані заспокійливі обмотки, які перешкоджають виникненню коливань швидкості обертання при зміні навантаження двигуна Ці обмотки дозволяють запускати мотор як асинхронний двигун, без струму для створення магнітного поля Великі двигуни часто запускають при зменшеному напрузі, що здійснюється за допомогою автотрансформаторів або тиристорних пускачів і дозволяє утримувати значення пускового струму в прийнятних межах Магнітне поле статора подається тоді, коли швидкість обертання вала двигуна майже досягне швидкості при синхронному управлінні Якщо двигун призначений для роботи із змінною частотою живильного ланцюга, то його запуск здійснюють при включених обмотках статора з частотою, близькою до нуля, а потім розганяють шляхом збільшення частоти до необхідної швидкості обертання У складніших схемах управління здійснюється визначення положення ротора при подачі маленького збудливого поля і контролюються індуковані напруги на обмотках статора Потім відбувається підстроювання фазових кутів, що забезпечує при запуску як виняток різких змін обертального моменту, так і виникнення обертання у зворотну сторону

Сучасні схеми управління із змінною частотою живильного ланцюга дозволяють замінити синхронними двигунами безліч великих двигунів постійного струму, що використовуються, наприклад, в сталепрокатному виробництві, де потрібна швидка зміна напрямку обертання валів У сучасних схемах забезпечуються перехідні значення обертального моменту, в кілька разів більші, ніж у стаціонарному режимі При цьому автоматично визначається кут відставання ротора від поля і підтримується безпечна межа до початку проковзування полюсів

Джерело: Сукер К Силова електроніка Керівництво розробника – М: Видавничий дім «Додека-ХХI, 2008 – 252 c: Ил (Серія «Силова електроніка»)