5.2. Угловые, u-образные и рабочие характеристики синхронных двигателей

У равнения угловых характеристик активной и реактивной мощностей синхронного генератора справедливы и для двигательного режима при подстановке отрицательного угла нагрузки θ.

Электромагнитные мощность Р и момент М изменяют свой знак, так как в реальной машине изменяется направление активной мощности при переходе из генераторного режима в двигательный.

Зависимости Р, М = f (θ) явнополюснго двигателя при постоянных токе возбуждения I _f, напряжении U_C и частоте f_C сети изображены на рис. 5.3. Значения номинального θ_Н и максимального θ_m углов нагрузки двигателей такие же, как у генераторов. Двигатель статически устойчив при углах нагрузки θ_m < θ ≤ 0.

Синхронные двигатели рассчитывают для работы в режимах перевозбуждения с опережающим номинальным коэффициентом мощности cosφ_H, в большинстве случаев равным 0,9. При этом статическая перегружаемость двигателей k_П = Р_m/Р_Н должна быть не менее 1,65.

Вследствие постоянства скорости вращения ротора кратность максмального момента синхронных двигателей k_m = М_m /М_Н = k_П.

Электромагнитный момент М синхронных двигателей практически линейно зависит от напряжения сети. Поэтому они менее чувствительны (более устойчивы) к снижению напряжения сети, чем асинхронные, электромагнитный момент которых пропорционален квадрату напряжения. Кроме того, статическую устойчивость двигателя при значительном снижении напряжения можно кратковременно повысить увеличением тока возбуждения.

Левая часть графика Q = f (θ) при θ < 0 представляет угловую характеристику реактивной мощности синхронного двигателя. Все пояснения и выводы, касающиеся зависимости Q = f (θ) генератора, справедливы и для двигателя.

Направление реактивной мощности в синхронной машине при постоянном угле нагрузки θ не зависит от его знака, а определяется током возбуждения I _f. Физические процессы, связанные только с изменением I _f одинаковы в двигателях и генераторах. Поэтому U-образные характеристики двигателя практически совпадают с идентичными характеристиками генератора при равной полезной мощности Р₂ = const.

В режиме холостого хода U-образные характеристики двигателя и генератора различны. Это обусловлено тем, что в генераторах при полезной электрической мощности Р₂ = 0 тока в обмотке якоря нет, если установлен нормальный ток возбуждения I _{f П}. Все потери холостого хода компенсируются механической мощностью, подводимой к валу от приводного двигателя или турбины. В двигателе потери холостого хода компенсируются потребляемой из сети электрической мощностью Р₁ = р_ХХ. Поэтому даже при отсутствии нагрузки на валу (P₂ = 0) в обмотке якоря есть ток, равный току холостого хода I_XX. При нормальном возбуждении ток I_XX чисто активный и не превышает (0,01–0,1)I_Н.

Способность перевозбужденных синхронных двигателей отдавать ре- активную мощность в сеть является преимуществом по сравнению с асинхронными, так как позволяет разгрузить электрические сети от реактивных токов и передать по сетям большую активную мощность.

К недостаткам синхронных двигателей относят: большую сложность конструкции и стоимость, меньшую надежность, необходимость более квалифицированного обслуживания в эксплуатации, сложность пуска по сравнению с асинхронными (особенно короткозамкнутыми) двигателями.

Рабочими характеристиками двигателя называют зависимости потребляемой мощности Р₁, тока якоря I, полезного момента на валу М₂, частоты вращения ротора n, коэффициента мощности сosφ и КПД η от полезной мощности на валу Р₂ при постоянных токе возбуждения I _f, напряжении U_C и частоте f_C сети.

Частота вращения ротора неизменна при нагрузке двигателя до предела статической устойчивости и зависимость n = f (P₂) представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс.

Полезный момент на валу

, (5.10)

при  = π n = const линейно зависит от P₂.

Электромагнитный момент (см. рис. 7.1)

, (5.11)

где момент холостого хода

. (7.12)

Если принять добавочные потери р_Д = 0 и учесть постоянство потерь на возбуждение р_f и механических р_МЕХ, то момент холостого хода М_ХХ = const. согласно (5.11) зависимость электромагнитного момента M = f (P₂) повторяет график полезного момента М₂, смещенный вверх на величину М_ХХ.

В режиме холостого хода потребляемая двигателем из сети активная мощность Р₁ практически равна постоянным потерям р_ХХ, так как электрические потери в обмотке якоря р_Э ≡ I ² незначительны вследствие малого тока холостого хода I_XX (см. рис. 5.4, 5,5).

Ток возбуждения отрегулирован так, что в режиме холостого хода ток I_XX активный и коэффициент мощност и сosφ = 1,0. При неизменных U_C, I _f и допущениях, принятых ранее в параграфе 4.5 (– Ė_r = – U = U_C), МДС F_r и F _f постоянны.

С увеличением нагрузки растет угол θ и МДС якоря изменяются по величине и фазе (рис. 5.5), так как конец вектора – F_{a f} перемещается по дуге окружности радиусом F_f = const. Вектор тока якоря İ поворачивается вслед за вектором F_{a f} . Угол φ увеличивается с нагрузкой двигателя, а коэффициент мощности уменьшается. Ток якоря отстает от напряжения сети и двигатель работает с отстающим сosφ, потребляя из сети реактивную мощность.

Если ток возбуждения отрегулировать так, что сosφ = 1,0 при номинальной нагрузке (Р₂ = Р_2Н), то при уменьшении нагрузки угол θ уменьшается. При уменьшении угла θ векторы МДС – F_{a f} и тока якоря İ поворачиваются против часовой стрелки (рис. 5.5). Угол φ увеличивается при уменьшении нагрузки двигателя, а коэффициент мощности уменьшается. Ток якоря опережает напряжение сети и двигатель работает с опережающим сosφ, отдавая в сеть реактивную мощность. Соответствующие графики сosφ и I показаны на рис. 7.4 пунктирной линией. Из-за реактивной составляющей ток холостого хода будет больше, чем в предыдущем случае (сosφ = 1,0 при Р₂ = 0). В общем случае характер изменения коэффициента мощности зависит от возбуждения двигателя.

С увеличением Р₂ потребляемая активная мощность Р₁ сначала растет практически линейно. В дальнейшем зависимость Р₁ = f (Р₂) отклоняется от линейной вследствие более быстрого по сравнению с Р₂ роста электрических потерь в обмотке якоря, пропорциональных I ² или Р₂².

Ток якоря I при малых θ и φ практически линейно зависит от Р₂. Ток I возрастет в большей степени, чем Р₂, вследствие нелинейной зависимости Р₁ = f (P₂) и увеличения реактивной составляющей тока в случае работы с сosφ = 1,0 при Р₂ = 0.

Зависимость η = f (P₂) такая же, как и в генераторном режиме. Синхронные двигатели проектируют так, чтобы КПД достигал максимума η_max при значениях коэффициента загрузки k_Зmax = 0,6–1,0.