12.4. РАБОТА СИНХРОННЫХ МАШИН

Синхронные машины должны вращаться со строго определенной скоростью. Уменьшение скорости хотя бы на 1 % приводит к тому, что изменения тока в обмотке переменного тока перестают соответствовать изменениям в положении обмотки постоянного тока, они как бы выпадают из такта, машина выпадает из синхронизма: обмотка постоянного тока подвергается усилиям, направленным то в одну, то в другую сторону, и машина останавливается.

Для того чтобы понять, что происходит в синхронных машинах, прежде всего нужно обратить внимание на то, что синхронные двигатели и синхронные генераторы устроены совершенно одинаково.

Во всяком синхронном двигателе, приведенном во вращение, начинает наводиться ЭДС, если только в его обмотке возбуждения протекает ток. Как происходит наведение переменного напряжения (явление электромагнитной индукции) в однофазном генераторе, мы уже рассматривали достаточно подробно. Но точно так же наводится напряжение и в обмотках трехфазных машин. Только напряжения во всех трех обмотках будут сдвинуты относительно друг друга по фазе. Действительно, мы знаем, что наведенное напряжение равно нулю, когда ось катушки переменного тока совпадает с осью обмотки постоянного тока; в этот момент почти весь магнитный поток, создаваемый обмоткой постоянного тока, проходит через рассматриваемую катушку (рис. 5.2).

Магнитный поток уже перестал увеличиваться и еще не начал уменьшаться: скорость его изменения равна нулю. Значит, именно в этот момент напряжение также имеет нулевое значение.

Если мы имеем три катушки, сдвинутые в пространстве одна относительно другой на 1/3 окружности, то промежуток времени, отделяющий прохождение через нуль напряжения в двух смежных катушках, будет равен 1/3 периода, т. е. тому времени, которое требуется для того, чтобы обмотка постоянного тока повернулась на 1/2 окружности, так как одному периоду соответствует один полный оборот.

Таким образом, индуктируется трехфазное напряжение.

Возьмем теперь две совершенно одинаковые синхронные машины, пропустим через их роторные обмотки одинаковый постоянный ток и приведем их во вращение с совершенно одинаковой скоростью. Естественно, что при этом ЭДС, наводимые в двух наших генераторах, будут одинаковыми по величине: машины одинаковые, постоянный ток, создающий магнитное поле, также одинаков, угловая скорость тоже одна и та же.

Частота получаемого переменного напряжения также должна быть одинаковой — ведь машины вращаются с одинаковой скоростью.

Но напряжения наших двух машин могут не совпадать по фазе. Действительно, пусть, например, в какой-то момент времени в первой машине ось обмотки возбуждения совпала с осью катушки первой, фазы, а во второй машине не дошла, скажем, на 1/6 долю окружности до совпадения с осью своей катушки первой фазы.

Ясно, что в этом случае будет существовать сдвиг по фазе между напряжениями первых катушек первой и второй машин.

Такой же сдвиг по фазе будет существовать и между напряжениями вторых и третьих катушек первой и второй машин.

В данном случае этот сдвиг между всеми фазовыми напряжениями будет равен 1/6 периода, на эту величину будут отставать напряжения второго генератора.

Этот сдвиг по фазе, очевидно, определяется относительным положением роторов первой и второй машин переменного тока: если оба ротора все время одинаково расположены относительно обмоток переменного тока своих машин, то не будет никакого сдвига фаз; если ротор второй машины опережает ротор первой машины, то соответственно и напряжения, наводимые во второй машине, будут опережать напряжения первой машины.

Пусть обе машины отрегулированы так, что между их напряжениями нет сдвига (кроме того, по-прежнему предполагаем, что напряжения одинаковы по величине и имеют одинаковую частоту). Это значит, что в каждый момент напряжение первой машины равно напряжению второй машины. Если теперь взять и соединить соответственные концы обмоток наших машин, то в получившейся замкнутой цепи ток протекать не будет.

Но попробуем теперь немного сместить относительное положение ротора второй машины. Скажем, заставим его немного отставать (обратите внимание, что для этого нужно не только перестать прилагать силу для ее вращения, но и приложить усилие против направления вращения машины). Теперь в цепи появится ток. Действительно, теперь напряжения двух машин сдвинутся по фазе и разность этих двух напряжений уже не будет равна нулю, а будет вызывать протекание тока в цепи. Этот ток сдвинут по фазе относительно напряжений как первой, так и второй машины. При этом сдвиг по фазе между током и напряжениями первой и второй машин будет различным. Действительно, в тот момент, когда для первой машины ток по одному из проводов поступает от машины в сеть, для другой машины этот же ток (по тому же проводу) поступает из сети в машину.

Одна машина при этом будет работать генератором, другая — двигателем. Очевидно, что двигателем будет работать та машина, у которой ротор относительно отстает, а генератором будет работать та машина, у которой ротор относительно опережает.

Это понятно из чисто механических соображений: та машина, которая вращается, преодолевая тормозящее усилие, поддерживающее относительное отставание ротора, работает двигателем; та машина, к которой нужно прилагать усилие, направленное в сторону ее вращения, чтобы поддерживать относительное опережение ротора, работает генератором, так как к ней будет подводиться механическая энергия.

Чем больше угол сдвига между роторами обеих машин, тем больший ток будет протекать в обмотках переменного тока, тем больше будет и сила взаимодействия между переменным и постоянным токами, протекающими в машинах.

Больший сдвиг ротора соответствует большей механической нагрузке. Сам ротор, после того как он немного сдвинулся назад, продолжает вращаться с прежней скоростью.

Мы предположили, что в наших двух синхронных машинах наводится напряжение, одинаковое по величине. Но как регулировать напряжение? Иначе говоря, как уменьшить или увеличить напряжение синхронного генератора? Очень просто — нужно только изменить величину постоянного тока. Действительно, изменяя величину постоянного тока, мы тем самым будем изменять величину магнитного потока, и чем больше будет изменяющийся магнитный поток, тем больше будет и напряжение, наводимое в машине (разумеется, при постоянстве других условий, т. е. если речь идет о той же самой машине и если ротор вращается с прежней скоростью).

Постоянный ток, создающий магнитное поле в синхронной мащине, называют током возбуждения. Чем больше ток возбуждения, тем больше напряжение, наводимое в машине.