При выпадении из синхронизма синхронная машина ведет себя подобно асинхронной, но ввиду различия конструкции ротора и наличия в общем случае тока возбуждения асинхронный режим  синхронной машины имеет ряд особенностей.

     Так как выпадение синхронных машин  из синхронизма при авариях в энергосистемах происходит нередко, то выявление особенностей асинхронного режима и выяснение рациональных способов восстановления нормальных режимов работы имеют существенное практическое значение.

     Широко  применяется асинхронный пуск синхронных двигателей и компенсаторов, когда  невозбужденная машина приключается к  сети и ее скорость достигает почти  синхронной скорости подобно асинхронному двигателю.

     Асинхронные режимы работы невозбужденной и возбужденной синхронной машины существенным образом отличаются друг от друга. Асинхронный режим возбужденной синхронной машины является более сложным, и его можно рассматривать как наложение асинхронного режима невозбужденной асинхронной машины и режима установившегося короткого замыкания синхронного генератора.

     Рассмотрим  в первую очередь установившийся асинхронный режим работы невозбужденной синхронной машины.

Схемы замещения и их параметры.

 

     Если  бы ротор синхронной машины обладал  магнитной и электрической симметрией, то работа этой машины в асинхронном режиме без возбуждения ничем не отличалась бы от работы нормальной асинхронной машины. Однако в общем случае такой симметрии нет, и поэтому требуется самостоятельное рассмотрение вопроса.

     Пусть обмотка статора (якоря) трехфазной синхронной машины включена в сеть. Токи якоря при этом создают вращающееся поле, перемещающееся относительно несимметричного ротора со скоростью скольжения. Для анализа явлений при несимметричном роторе разложим вращающееся относительно него поле на два пульсирующих поля, одно из которых действует по продольной (d), а другое — по поперечной (q} оси ротора. Эти поля пульсируют со сдвигом по фазе на 90°. Кроме того, как и у асинхронной машины, рабочий процесс синхронной машины в асинхронном режиме можно привести к эквивалентному процессу при неподвижном роторе. Далее можно представить себе, что у такой машины с неподвижным ротором на статоре вместо трехфазной обмотки имеется эквивалентная двухфазная обмотка, причем одна фаза этой обмотки создает магнитный поток, пульсирующий по продольной оси, а другая фаза — поток, пульсирующий по поперечной оси ротора

     

     Рис.1

     причем  напряжения этих фаз U и jU сдвинуты по фазе на 90°. В подобной двухфазной системе взаимная индукция между фазами отсутствует и явления по осям d и q можно рассматривать независимо друг от друга. В результате вместо одной схемы замещения для симметричной асинхронной машины для синхронной машины получаем две схемы замещения - одну для продольной и другую для поперечной оси.

     При наличии успокоительной или пусковой обмотки (рис. 2, а и б) в схеме  для продольной оси имеются две  вторичные цепи, как и у двухклеточного асинхронного двигателя, а в схеме  для поперечной оси –

     

Рис 2, а

     

     Рис 2, б

     одна  вторичная цепь. При отсутствии указанных обмоток (рис. 2, в и г) количество вторичных цепей уменьшается на единицу. На схемах рис. 2 принято r_а = 0 и не учитываются потери в стали статора. При наличии в цепи возбуждения добавочного сопротивления (например, сопротивления гашения поля) его величина должна включаться в r_f

     В основе рассмотрения явлений согласно рис. 1 и 2 лежит представление о двухфазной машине. Поэтому сопротивления схем рис. 2 также следовало бы считать эквивалентными сопротивлениями двухфазной машины. Однако, чтобы избежать введения в рассмотрение 
 

     

     Рис 2,в

     

     Рис 2,г

     новых параметров, будем предполагать, что  сопротивления, фигурирующие в схемах рис. 2, представляют собой параметры m-фазной машины. 

     Асинхронные режимы различных видов синхронных машин. 

     При потере возбуждения синхронные генераторы переходят в асинхронный режим и их скорость вращения будет увеличиваться до тех пор, пока не наступит равенство между движущим моментом на валу и электромагнитным моментом машины. При этом машина будет потреблять из сети намагничивающий ток

           

     и отдавать в сеть активную мощность.

     При малых скольжениях поверхностный  эффект в теле ротора турбогенератора  проявляется слабо и поэтому  глубина проникновения токов велика. В результате активное сопротивление тела ротора мало и момент достигает весьма большой величины уже при малых скольжениях. 

     

     Поэтому турбогенераторы способны развивать  в асинхронном режиме большую  мощность, причем потери в роторе малы и не представляют опасности в  отношении нагрева ротора. Допустимую мощность турбогенератора в асинхронном режиме ограничивает ток статора, величина которого из-за большого намагничивающего тока достигает номинального значения. В большинстве случаев при I = I_н  в турбогенераторах   Р = (0,5 - 0,7) P_н,.

     Ввиду относительно благоприятных характеристик M_a = f (s) на электростанциях разрешается кратковременная работа (до 30 мин) турбогенераторов в асинхронном режиме при условии, что потери в роторе и статоре не превышают потерь при номинальном режиме и потребление реактивной мощности с точки зрения режима работы энергосистемы допустимо. В течение указанного времени можно устранить неисправности в системе возбуждения, перевести турбогенератор на резервное возбуждение или перевести нагрузку на другие турбогенераторы или станции. Использование возможности работы турбогенераторов в асинхронном режиме позволяет увеличить надежность энергоснабжения потребителей.

     Асинхронные характеристики гидрогенераторов значительно  менее благоприятны. Гидрогенераторы имеют шихтованные полюсы, и успокоительные обмотки во многих случаях у них отсутствуют. При отсутствии успокоительной обмотки мощность в асинхронном режиме развивается только за счет токов, индуктируемых в обмотке возбуждения. Активное сопротивление успокоительной обмотки велико, и в этом случае момент M_a при малых s также мал. Поэтому гидрогенераторы не могут развивать значительной мощности в асинхронном режиме, успокоительная обмотка быстро нагревается, и если восстановление возбуждения в течение 10—15 сек невозможно, то их нужно отключать от сети.

     Все синхронные двигатели имеют пусковые обмотки и обычно пускаются в  ход как асинхронные двигатели, причем обмотка возбуждения замкнута через разрядное, или гасительное, сопротивление      r_г = (5 — 10) r_f или замкнута накоротко. Пуск с разомкнутой обмоткой возбуждения недопустим, так как при этом может произойти повреждение ее изоляции. Скольжение невозбужденного двигателя изменяется при пуске от s = 1 до s = 0,05, когда включается ток возбуждения и двигатель втягивается в синхронизм.

     Кривые  М, = f (s) синхронных двигателей представлены на рис.. Момент, развиваемый обмоткой возбуждения, достигает максимального значения при малых скольжениях, в особенности, когда r_г = 0, так как r_f мало, а относительно велико. Наоборот, момент, развиваемый пусковой обмоткой, достигает максимума при s = 0,3 - 0,4, так как активное сопротивление этой обмотки значительно больше и рассеяние меньше. При расчете кривых было принято, что сопротивление обмотки якоря r_a = 0. Поэтому на этих кривых не отражено возникновение провала момента при s = 0,5 вследствие одноосного эффекта. Следует, однако, отметить, что при наличии пусковой обмотки на роторе этот эффект проявляется слабо.

     Начальный пусковой момент (s = 1) синхронных двигателей при U = U_н должен быть достаточно велик. С другой стороны, при малых s

     

     момент  М_а также должен быть достаточно велик, так как в противном случае при пуске под нагрузкой двигатель в асинхронном режиме не сможет достичь скорости вращения, достаточно близкой к синхронной, и двигатель после включения тока возбуждения не втянется в синхронизм.

     Крутизну  характеристики М_а = f (s) при малых s принято определять значением М_а при s = 0,05, и эту величину момента условно называют входным моментом М_вх. Очевидно, что чем больше М_вх, тем лучше условия втягивания в синхронизм. Обычно требуется, чтобы М_вх = М_п Однако для увеличения  М_а необходимо увеличить активное сопротивление пусковой обмотки, а для увеличения — уменьшить его. Поэтому вопрос о выборе величин М_вх и М_п надо решать компромиссным образом и использовать явление вытеснения тока в

     

     пусковой  обмотке для увеличения М_п. Стержни пусковой обмотки с целью увеличения их сечения и теплоемкости изготовляются из латуни.

     Как видно из рис., при пуске без разрядного сопротивления М_вх получается меньше и, кроме того, при малых s может образоваться провал момента, так как максимум момента от действия обмотки возбуждения наступает при весьма малом s. Поэтому при r_г = 0 втягивание в синхронизм происходит в менее благоприятных условиях.

     Если  синхронная машина лишена успокоительной или пусковой обмотки и имеет  немассивные полюсы или ротор, то в результате сильного проявления одноосного эффекта асинхронный пуск ее возможен только на холостом ходу или при малой нагрузке на валу, причем обмотка возбуждения должна быть замкнута через значительное активное сопротивление.

     Синхронные  двигатели с массивными роторами или полюсами имеют благоприятную  характеристику Ма = f (s), если отношение При малом большое влияние на величину тока в полюсных наконечниках начинает оказывать сопротивление торцевых зон полюсного наконечника, и асинхронный момент поэтому М_a уменьшается.

Асинхронный режим возбужденной

  синхронной машины

 

     Асинхронный режим возбужденной синхронной машины, возникает в результате ее перегрузки или падения напряжения в сети, а также при подаче возбуждения генератору после потери возбуждения или при использовании метода самосинхронизации в двигателе при его асинхронном пуске

     При вращении синхронной машины со скольжением  s постоянный ток возбуждения i_f индуктирует в обмотке якоря э. д. с. Е_к и токи /к частоты (1 — s) f₁. Токи I_к накладываются на ток частоты f₁ протекающий в якоре под действием напряжения сети. Так как в самой сети э. д. с. и напряжений частоты (1 — s) f₁ нет, то относительно э. д.с.. Поэтому ток I_к в сущности эквивалентен току установившегося короткого замыкания синхронного генератора.

           

           

     Момент  M_k стремится уменьшить скорость вращения ротора и в режиме генератора облегчает, а в режиме двигателя затрудняет вхождение машины в синхронизм.

     Отметим, что на холостом ходу или при небольшой  нагрузке на валу явнополюсная синхронная машина, вращающаяся с небольшим скольжением, способна втянуться в синхронизм и без возбуждения, в результате действия реактивного момента, который при s 0 также пульсирует с частотой sf₁.

     В этом случае после включения тока возбуждения полярность полюсов может не соответствовать необходимой полярности, и тогда произойдет «проскальзывание» ротора относительно поля якоря на одно полюсное деление, причем одновременно возникнет также

     

 

     кратковременный всплеск тока статора. Подобный переход не представляет для машины никакой опасности.

Самовозбуждение синхронной машины

 

     В цепях обмотки  якоря синхронных машин часто содержатся емкости (емкость  между проводами  длинных линий  передачи и между  ними и землей; емкости  так называемой продольной компенсации индуктивного сопротивления линий передачи, включаемые последовательно в фазы линии передачи сверхвысокого напряжения — 500 кв и выше; батареи конденсаторов для улучшения коэффициента мощности сети и др.). В таких случаях возможно самовозбуждение синхронных машин, когда вращающаяся машина развивает напряжение и нагружается током при отсутствии тока возбуждения.