Файл: Глава 4.doc

Рис.4.24. Механические характеристики синхронного двигателя

1 – характеристика синхронного режима

2 – пусковая характеристика (асинхронный режим)

Поскольку ротор двигателя вращается с синхронной скоростью и скольжение отсутствует, то вся мощность электромагнитного поля статора Р_эм преобразуется в механическую мощность на валу синхронного двигателя. Если пренебречь потерями в статоре, то , откуда

. (4.41)

Рассмотрим векторную диаграмму неявнополюсной синхронной машины (рис.4.25). Двигатель с неявнополюсным ротором имеет симметричную в магнитном отношении конструкцию. Пренебрегая активным сопротивлением статора получим .

ЗдесьЕ₁ – э.д.с., наводимая в обмотках статора вращающим-ся вместе с ротором полем Ф₀.

Из векторной диаграммы следует:

или

.

П

Рис.4.25. Векторная диаграмма синхронного двигателя

. (4.42)

Из этого выражения и соответствующей ему угловой характеристики (рис.4.26) следует, что по мере нагружения синхронной машины угол нагрузки увеличивается и момент достигает максимума при . Учитывая пропорциональность между э.д.с.Е₁ и магнитным потоком Ф₀ (т.е. током возбуждения I_В), получим, что максимальный момент синхронной машины будет равен

, (4.43)

т.е. максимальный момент синхронного двигателя (в отличие от асинхронного) зависит от величины питающего напряжения в первой степени и в определенных пределах (когда не сказывается насыщение магнитной цепи) пропорционален величине тока возбуждения. Исходя из соотношения (4.43) в большинстве схем автоматического регулирования возбуждения синхронных двигателей для сохранения постоянной перегрузочной способности двигателя предусматривается автоматическое увеличение тока возбуждения при приложении ударной нагрузки или снижении величины питающего напряжения.

Рис.4.26. Угловая характеристика синхронного двигателя: а) неявнополюсной машины; б) – явнополюсной машины

1 – при номинальном потоке возбуждения;

2 – при форcировке возбуждения

Для синхронной машины с несимметричной магнитной цепью, когда ротор имеет явнополюсную конструкцию, кроме момента, вызванного полем ротора, возникает реактивный момент, определяемый стремлением ротора занять такое положение в пространстве, при котором магнитная проницаемость пути, по которому замыкается магнитное поле статора, была бы максимальной. Возникновение реактивного момента соответствует закону Ленца, который определяет: «При всяком изменении магнитного потока возникают силы электрического и механического характера, стремящиеся сохранить этот поток».

Для анализа угловой характеристики явнополюсного синхронного двигателя разложим векторы токов и падений напряжения по продольной d (согласно вектору э.д.с. Е₁) и поперечной q осям ротора. Очевидно, что индуктивные сопротивления двигателя по этим осям будут разными, причем x_d>x_q. Преобразуем выражения (4.41) в соответствии с векторной диаграммой 4.25, где .

.

Обозначив , получим

. (4.44)

Из векторной диаграммы следует:

(4.45)

Подставляя I_1d и I_1q из (4.45) в (4.44), после преобразований получим:

. (4.46)

Первый член выражения представляет электромагнитный момент M’, возникающий в результате взаимодействия полей статора и ротора, второй член – реактивный момент M”, возникающий из-за несимметрии магнитной цепи двигателя и связанного с ней стремления ротора ориентироваться по оси поля статора. Угловая характеристика синхронной машины с явнополюсным ротором показана на рис.4.26б. Максимальная величина реактивного момента составляет обычно 15-20% от момента, определяемого взаимодействием полей.

Заметим, что явнополюсная синхронная машина развивает момент даже при отсутствии тока возбуждения – за счет реактивного момента. Это свойство синхронной машины легло в основу создания синхронных электроприводов без возбуждения на базе синхронных реактивных двигателей. У этих машин индуктивность по продольной и поперечной осям различается значительно, что обуславливает создание достаточного по величине реактивного момента на валу двигателя. Синхронные реактивные двигатели используются, как правило, для приводов небольшой мощности (менее 1кВт).

4.7. Режимы работы синхронного двигателя

4.7.1. Пуск синхронных двигателей

Поскольку синхронный двигатель имеет в синхронном режиме одну рабочую скорость, то пуск этих двигателей осуществляется в асинхронном режиме. Для этого в конструкции ротора предусмотрена короткозамкнутая обмотка, конструкция которой аналогична клетке ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя. Поэтому при разгоне до подсинхронной скорости двигатель работает как асинхронный короткозамкнутый с механической характеристикой 2 (см.рис.4.24). По достижении подсинхронной скорости, которая должна быть не менее, чем 0,95, в обмотку возбуждения подается постоянный ток, и двигатель втягивается в синхронизм, переходя на работу в точкеб, соответствующей синхронному режиму.

При работе в установившемся режиме с синхронной скоростью ток в пусковой клетке не протекает. Пусковая клетка ротора рассчитывается на кратковременный режим работы, и длительная (свыше 20-30с) работа в асинхронном режиме недопустима.

Кроме обеспечения режима пуска, пусковая клетка играет роль демпферной обмотки, стабилизируя переходные процессы при работе двигателя в синхронном режиме.

4.7.2.Возбуждение синхронных двигателей

Синхронные двигатели промышленного назначения имеют электромагнитное возбуждение от независимого источника постоянного тока, в качестве которых используются: генераторы постоянного тока (возбудители), которые могут располагаться на одном валу с синхронным двигателем (рис.4.27а) или приводиться во вращение отдельным двигателем (рис.4.27б), тиристорные управляемые выпрямители, которые могут получать питание от промышленной сети (рис.4.27в), либо от специального генератора переменного тока, располагаемого на одном валу с синхронным двигателем. В последнем случае (рис.4.27г) полупроводниковые выпрямители располагаются на роторе синхронной машины (система с вращающимися выпрямителями), вследствие чего не требуются щетки и кольца для подвода тока к обмотке возбуждения, т.е. синхронная машина становится бесконтактной.

Во время разгона, когда двигатель работает в асинхронном режиме, возбудитель может быть подключен к обмотке ротора при снятом напряжении возбудителя (схема с глухоподключенным возбудителем), а может быть отключен от обмотки возбуждения контактором КМ (см., например, схемы рис.4.22 и 4.27). В последнем случае обмотка возбуждения замыкается на сопротивление или замыкается накоротко. Оставлять концы обмотки возбуждения во время разгона разомкнутыми нельзя, т.к. в обмотке при больших скольжениях наводится значительная э.д.с. скольжения.

Рис.4.27. Схемы возбуждения синхронного двигателя

При использовании в качестве возбудителя тиристорного преобразователя или вращающихся выпрямителей во время пуска обмотка возбуждения закорачивается через шунтирующие тиристоры.

Рассмотрим схему 4.27в. При пуске двигателя в асинхронном режиме напряжение тиристорного преобразователя UD равно нулю. В обмотке возбуждения индуктируется переменная э.д.с. скольжения, под действием которой через стабилитроны VD открываются вспомогательные тиристоры VS, и обмотка возбуждения закорачивается на разрядное сопротивление R. Когда двигатель достигает подсинхронной скорости, э.д.с. скольжения становится малой, стабилитроны запираются и тиристоры VS отключают разрядное сопротивление, после чего в обмотку возбуждения подается постоянный ток от преобразователя UD.

В последние годы получили распространение возбудители, встроенные в конструкцию синхронной машины (рис.4.27г). Возбудитель состоит из синхронного генератора G, ротор которого расположен на валу синхронного двигателя М, неуправляемых выпрямителей, вспомогательных тиристоров и разрядных сопротивлений, также размещенных на валу синхронного двигателя. Регулирование тока возбуждения производится изменением тока возбуждения возбудителя G. По достижении подсинхронной скорости цепи, шунтирующие обмотку возбуждения, размыкаются и в обмотку подается постоянный ток, после чего двигатель втягивается в синхронизм, его скорость достигает синхронной, и в дальнейшем он работает в синхронном режиме.