1) Общие сведения по аэп с синхронными двигателями (сд)

2) Схема включения, режимы работы

3) Типовые схемы управления эп с сд

1 Общие сведения по АЭП с синхронными двигателями

Широкое применение СД обусловлено их высокими технико-экономическими показателями.

СД имеет высокий коэффициент мощности, близкий к единице или даже опережающий.

КПД современных СД составляет 96…98%, что на 1…1,5% выше КПД АД с теми же габаритными размерами и скоростью.

В синхронных двигателях имеется возможность регулирования перегрузочной способности посредством регулирования тока возбуждения.

СД обладает абсолютно жесткой механической характеристикой.

Важным преимуществом СД является наличие большого воздушного зазора, вследствие чего его характеристики и свойства мало зависят от износа подшипников и неточности монтажа ротора.

Для общего применения выпускаются двигатели серий СД2 и СД3 мощностью от 132 до 1000 кВт

Синхронные двигатели нашли применение в с.х. для привода мощных насосов, компрессоров.

2 Схемы включения, режимы работы

Статор СД выполняется аналогично статору АД, подключаемой к сети переменного тока. Ротор СД может быть явнополюсным и неявнополюсным в виде цилиндра. Ротор СД вращается с той же частотой вращения, что и вращающееся магнитное поле созданное обмоткой статора. Отсюда и название машины – синхронный ЭД (рисунок 1). В качестве источника питания для обмотки возбуждения чаще используется генератор постоянного тока небольшой мощности (0,3…3% от мощности СД), называемый возбудителем, который устанавливается на одном валу с СД. Регулирование тока возбуждения осуществляется резистором тока возбуждения возбудителя.

В современных системах автоматического регулирования возбуждение СД обеспечивается тиристорными управляемыми выпрямителями.

Вращающийся момент СД создается только в том случае, если ротор будет вращаться со скоростью магнитного поля, т.е. синхронно с вращающимся полем. Таким образом механическая характеристика СД представляет собой горизонтальную линию с ординатой ω_о, которая имеет место до некоторого максимального значения М_max , превышение которого приводит к выпадению СД из синхронизма, т.е. к нарушению синхронного вращения ротора и магнитного поля.

Рисунок 1 – Схема включения и механическая характеристика СД

Пуск СД. При неподвижном роторе и подключенных: обмотки статора и возбуждения, из-за постоянно изменяющихся взаимных направлений магнитных полей статора и ротора СД будет развиваться не постоянный по направлению, а знакопеременный вращающийся момент, следовательно СД не может разогнаться до синхронной скорости без применения специальных мер по его запуску.

Один из способов пуска, который нашел ограниченное применение, заключается в том, что ненагруженный СД разгоняется вспомогательной машиной до синхронной частоты, после чего осуществляется его синхронизация с сетью. На представленной схеме (рисунок 1), возбудитель, на период пуска может работать в двигательном режиме, раскручивая вал СД.

Наибольшее распространение получил другой способ пуска СД, называемый асинхронным. Для его реализации на роторе СД укладывается дополнительная пусковая обмотка, выполняемая аналогично короткозамкнутой обмотке АД типа беличьей клетки. В этом случае при подключении СД к сети его разбег происходит аналогично АД при замкнутом контакте S1 и разомкнутом контакте S2, т.е с дополнительным сопротивлением в роторе (исключается перенапряжение, облегчается пуск, R_доп=8…12R_ОВ). При достижении подсинхронной скорости ω=0,95ω₀, контакт S1 размыкается, а S2 замыкается - ток подается в обмотку возбуждения двигателя и он втягивается в синхронизм с сетью (рисунок 2).

Пусковые свойства СД характеризуются М_пуск и М_вх (входной) или подсинхронной момента, т.е. момента, развиваемого двигателем при ω=0,95ω₀.

Стремление увеличить М_пуск, путем повышения R_в приводит к уменьшению М_вх. Поэтому характеристики необходимо согласовать и по М_n и М_вх (рисунок 3). В данном случае на характеристике 2, хотя и обеспечивается больший пусковой момент, но синхронизм не может быть обеспечен, т.к. М_вх2<М_с.

Рисунок 2 – Пуск СД первоначально по характеристике 1, аналогично АД, затем переход на характеристику 2

Рисунок 3 – Пример согласования М_n , М_вх , М_с; на характеристике 2 синхронизм не может быть обеспечен, т.к. М_вх2<М_с

При определенной величине нагрузки, СД может выйти из синхронизма. Для определения области устойчивой работы и перегрузочной способности СД служит угловая характеристика, отражающая зависимость развиваемого двигателем момента М от угла сдвига фаз Q между U и Е (Э.Д.С.) двигателя (рисунок 4). Выражение угловой характеристики синхронного двигателя имеет вид

М=М_max·sinQ.

Следовательно с повышением Q, от 0º до 90º, момент, развиваемый двигателем растет и достигает максимума при Q=90º, далее – убывает. Номинальный момент двигателя соответствует Q =20…25º.

Величина перегрузочной способности .

Рисунок 4 – Угловая характеристика СД

СД может работать в режиме генератора параллельно с сетью, когда нагрузочный момент на валу будет иметь отрицательное значение (для торможения такой режим практически значения не имеет, т.к. при этом нельзя получить понижение скорости).

Для торможения СД обычно применяют динамическое торможения, отключая и закорачивая обмотку статора на добавочные резисторы, но не отключая источник возбуждения (характеристики такие же как и у АД в динамическом торможении интенсивность торможения зависит от U_возб)

Торможение СД противовключением практически не применяется в виду сложности управления, и необходимости отключения СД при подходе к нулевой скорости.

СД, имея высокий cosφ, часто используется для повышения коэффициента мощности.

При пуске СД большой мощности (сотни, тысячи кВт), возникает необходимость ограничения пусковых токов, что достигается чаще всего использованием добавочных резисторов, реакторов или автотрансформаторов (рисунок 5).

Рисунок 5 – Пуск СД с реактором и автотрансформатором

В случае с реактором, при отключенном КМ2 осуществляется пуск СД с реактором в цепи статора, обеспечивая снижение пусковых токов. При достижении подсинхронной скорости замыкается выключатель КМ2, шунтируя реактор. Автоматизация пуска обычно осуществляется в функции времени.

В случае использования автотрансформатора, при пуске замыкают выключатели КМ1, КМ3, к СД подводится пониженное напряжение. При достижении подсинхронной скорости отключается КМ3 и замыкается КМ2. Автотрансформаторный пуск всегда является более дорогостоящим.

Сравнивая два рассмотренных пуска, необходимо отметить, что при использовании автотрансформатора пусковой ток снижается пропорционально квадрату отношения напряжения СД и сети, а при использовании реакторов и резисторов – пропорционально этому отношению.