15.13. Уравнение электрического состояния, схема замещения и векторная диаграмма фазы синхронного двигателя

В отличие от синхронного генератора в синхронном двигателе ось полюсов ротора отстает от оси полюсов вращающегося магнитного поля статора (см. рис. 15.3, б). Возникающий при этом электромагнитный момент равен противодействующему тормозному моменту на валу двигателя М_эм = M_тop. В синхронном двигателе осуществляется преобразование электрической энергии в механическую. На рис. 15.15 приведена схема замещения фазы синхронного двигателя, подключенного к электрической системе большой мощности (U = const). Эта схема замещения совпадает со схемой замещения фазы синхронного генератора, подключенного к системе большой мощности (см. рис. 15.7), с той разницей, что в первом случае электрическая энергия поступает из системы в двигатель, а во втором случае электрическая энергия поступает из генератора в систему.

Из схемы замещения фазы синхронного двигателя следует уравнение электрического состояния фазы синхронного двигателя

где Ė_о = jωψ_o, х = x_рас + x_я совпадают по своему физическому смыслу с аналогичными понятиями, обсуждавшимися при анализе синхронного генератора (см. § 15.5).

Уравнению электрического состояния (15.16) соответствует векторная диаграмма фазы синхронного двигателя на рис. 15.16. На векторной диаграмме сдвиг фаз θ соответствует геометрическому углу между осью полюсов ротора и осью результирующего магнитного поля синхронного двигателя, деленному на число пар полюсов. Для синхронной машины, работающей в режиме двигателя, значение угла 6 всегда больше нуля (θ > 0).

15.14. Электромагнитный момент и угловая характеристика синхронного двигателя

Электрическая мощность трехфазного синхронного двигателя определяется подобно мощности трехфазного синхронного генератора (15.9) и равна:

где для синхронного двигателя θ > 0.

Преобразуя (15.17) аналогично (15.9) и учитывая, что θ > 0, получим выражение для электромагнитного момента синхронного двигателя, совпадающее с выражением электромагнитного момента синхронного генератора (15.11):

Так как механическая мощность синхронного двигателя равна Р_мех = Р = М_эмω_р, то, учитывая (15.18), получим:

Напряжение U и частота f в электрической системе большой мощности являются постоянными величинами.

Учитывая это обстоятельство, можно сделать вывод, что значения электромагнитного момента М_эя и мощности Р синхронного двигателя, подключенного к такой системе, при постоянном токе возбуждения I_в = const зависят только от угла 6. Такие зависимости М_ьа (б) и Р (0) называются угловыми характеристиками синхронного двигателя и имеют вид, аналогичный угловым характеристикам синхронного генератора (см. рис. 15.10).

Угловые характеристики позволяют анализировать процессы, происходящие в синхронном двигателе при изменении нагрузки.

При увеличении тормозного момента на валу синхронного двигателя

ротор машины замедляет частоту своего вращения и значения угла θ и электромагнитного момента М_эм начинают возрастать. Равновесие тормозного и электромагнитного моментов восстановится (M_тор2 = М_зм2) через некоторый промежуток времени при новом значении угла θ₂ > θ_1.

Для того, чтобы сохранить запас устойчивости π/2 — θ при возросшем тормозном моменте, необходимо увеличить ток возбуждения.