5. Синхронные двигатели

5.1. Энергетическая и векторная диаграммы синхронного двигателя

При создании тормозного механического момента М₂ на валу синхронная машина, включенная в сеть, переходит в двигательный режим (см. параграф 6.2). За счет потребления активной мощности в машине образуется вращающий электромагнитный момент М и двигатель сохраняет постоянную частоту вращения ротора n. Активная составляющая тока якоря I_a, угол нагрузки θ и момент М меняют знак по сравнению с генератoрным режимом.

Преобразование энергии в двигателе можно иллюстрировать энергетической диаграммой (рис. 5.1).

П отребляемая из сети активная электрическая мощность

, (5.1)

где m – число фаз; U и I – фазные напряжение и ток якоря; cosφ – коэффициент мощности.

Часть этой мощности р_f расходуется на возбуждение машины статическими системами возбуждения, а также рассеивается в виде электрических потерь р_Э в обмотке якоря и магнитных потерь р_М в магнитопроводе якоря.

Электромагнитная мощность

(5.2)

передается через зазор вращающимся магнитным полем на ротор в виде полной механической мощности Р_МЕХ = Р. Часть этой мощности компенсирует механические р_МЕХ и добавочные р_Д потери мощности.

Полезная механическая мощность на валу двигателя

. (5.3)

или подставляя выражение (5.2) электромагнитной мощности в формулу (5.3), получим

, (5.4)

где Σр = р_f + р_Э + р_М + р_МЕХ + рд  полные потери мощности в машине, причина возникновения и место локализации отдельных видов потерь объясняется в пункте 3.6.6.

П ри бесщеточном или прямом электромашинном возбуждении потери на возбуждение р_f показывают в правой части .энергетической диаграммы на стороне полезной механической мощности Р₂

Д иаграммы напряжений и МДС двигателя можно чертить по уравнениям (3.30)–(3.36), (3.40)–(3.50), соответствующим генераторному режиму. Угол φ между векторами напряжения машины U и тока якоря İ превышает /2 (рис. 5.4, в), коэффициент мощности сosφ отрицателен, что не всегда удобно. Поэтому коэффициент мощности в двигательном режиме характеризуют углом φ между векторами напряжения сети U_C и тока якоря İ.

У равнения напряжения синхронных двигателей получают, заменив в уравнениях напряжения генератора вектор напряжения машины U равным и противоположно направленным вектором напряжения сети U_C = – U. Выполнив такую замену, получим уравнения напряжения ненасыщенных неявнополюсного:

, (5.5)

(5.6)

и явнополюсного двигателей:

. (5.7)

Как и для генератора, уравнение (5.7) можно представить в виде:

, (5.8)

. (5.9)

Уравнения МДС справедливы и для двигателя.

Диаграмма перевозбужденного явнополюсного двигателя без учета насыщения магнитной цепи изображена на рис. 5.2.

Т ок якоря İ опережает напряжения сети U_С, поэтому говорят, что перевозбужденный двигатель работает с опережающим сosφ. При этом двигатель по отношению к сети подобен емкостной нагрузке и отдает реактивную мощность в сеть.

Т ок якоря İ недовозбужденного двигателя отстает от напряжения сети U_С и недовозбужденный двигатель работает с отстающим сosφ. Машина подобна индуктивности, включенной в сеть, и потребляет из сети реактивную мощность.