23. Характеристики синхронных двигателей

U-образные характеристики I₁=f(I_f) двигателя имеют такую же форму, как и характеристики генератора.

Д

Рис. U-образные характеристики синхронного двигателя

ля двигателя угол сдвига фаз φ принято отсчитывать от вектора напряжения сети U_c. У двигателя в режиме холостого хода ток статора не равен нулю при I_f=I_fн.

При недовозбуждении ток I₁ отстает от напряжения сети U_c, т. е. двигатель потребляет из сети реактивную мощность.

При перевозбуждении ток I₁ опережает напряжение сети U_c, т. е. двигатель отдает в сеть реактивную мощность.

Это значит, что синхронный двигатель может работать в качестве двигателя и в качестве генератора реактивной мощности.

Это свойство используется для повышения cosφ электрических сетей.

Рабочие характеристики синхронного двигателя — это зависимости потребляемой мощности P₁, момента на валу M₂, тока статора I₁, коэффициента мощности cosφ₁, частоты вращения ротора n₂ и КПД η от отдаваемой механической мощности на валу двигателя P₂, т.е. P₁, M₂, I₁ , cosφ₁, n₂, η = f (P₂) при U_c = const, f_c = const, I_f = const.

Частота вращения ротора n₂=n₁ = const, так как f_c = const. Поэтому зависимость n₂=f(P₂) представляет собой прямую линию, параллельную оси ординат.

Момент на валу двигателя равен . Поэтому M₂=f(P₂) линейна при n₂= const.

Потребляемая мощность P₁, зависит от потерь. Потери в стали практически не зависят от нагрузки, а электрические потери в обмотках зависят от квадрата нагрузки. Поэтому кривая , имеет нелинейный характер.

Коэффициент мощности cosφ₁ зависит от тока возбуждения. Синхронные двигатели могут работать при cosφ₁=1, но обычно их рассчитывают на работу с перевозбуждением при номинальной нагрузке с опережающим током и cosφ₁=0,9. В этом случае двигатель отдает реактивную мощность в сеть, что улучшает суммарный cosφ сети. Создаваемая синхронным двигателем опережающая реактивная составляющая тока I₁ компенсирует отстающую реактивную составляющую тока асинхронных двигателей. При снижении нагрузки двигателя и I_f = const активная составляющая тока I₁ уменьшается, а реактивная составляющая увеличивается, угол φ₁ увеличивается, а cosφ₁ уменьшается. При увеличении нагрузки, наоборот cosφ₁ увеличивается. Зависимость cosφ₁ = f (P₂) при работе машин с перевозбуждением имеет максимум в области P₂> P_н.

Ток в обмотке статора равен I₁=Р₁/m₁U_c cosφ₁. Ток I₁ при холостом ходе является практически реактивным. По мере роста нагрузки возрастает активная составляющая тока и cosφ₁. Потребляемая мощность также растет. При этом Р₁ и cosφ₁ изменяются с разной скоростью. Зависимость I₁=f(P₂) является нелинейной.

КПД двигателя, как и потребляемая мощность, зависит от потерь. Кривая η = f (P₂) имеет характер общий для всех электрических машин.

24. Пуск и регулирование частоты синхронных двигателей

Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока, электромагнитный момент будет дважды изменять свое направление. Ротор обладает инерцией и не может быть в течение одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

Для пуска могут быть используются следующие способы:

1. Асинхронный пуск.

2. Пуск с помощью разгонного двигателя.

3. Частотный пуск.

При пуске с помощью разгонного двигателя обмотка статора отключена от сети, а на обмотку возбуждения подается напряжение постоянного тока. Специальный разгонный двигатель разворачивает ротор синхронного двигателя до частоты вращения близкой к синхронной. Затем обмотка статора включается в сеть, а разгонный двигатель выключают.

Асинхронный пуск аналогичен пуску асинхронного двигателя.

Рис. Пусковая обмотка синхронного двигателя

Для этого синхронный двигатель снабжают специальной коротко-замкнутой пусковой обмоткой, выполненной по типу «беличья клетка» и уложенной в полюсных наконечниках ротора. Чтобы увеличить сопротивление стержней, клетку изготовляют из латуни. Обмотку возбуждения предварительно замыкают на гасящий резистор, сопротивление которого в 8—12 раз превышает активное сопротивление обмотки возбуждения с целью избежать перенапряжений.

При включении трехфазной обмотки статора в сеть образуется вращающееся магнитное поле статора, которое будет пересекать пусковую обмотку и наведет в ней ЭДС и ток. Вращающееся магнитное поле статора, взаимодействуя с полем пусковой обмотки, создает электромагнитные силы F и вращающий момент. Момент разгонит ротор до частоты вращения, близкой к синхронной (s<0,05). После этого обмотку возбуждения переключают с гасительного резистора на возбудитель. При подаче питания на обмотку возбуждения ротор втягивается в синхронизм.

Возможна схема с постоянно подключенным к обмотке возбуждения возбудителем. В этом случае во время пуска пусковую обмотку можно считать замкнутой накоротко, так как сопротивление возбудителя весьма мало. С уменьшением скольжения до s =0,3-0,4 возбудитель возбуждают. В обмотку возбуждения подается постоянный ток, обеспечивающий при s<0,05 втягивание ротора в синхронизм. Такая схема более простая, но имеет худшие пусковые характеристики, чем схема с гасительным резистором, из-за так называемого одноосного эффекта.

Его суть в том, что ток, индуцируемый в обмотке возбуждения при пуске двигателя, создает обратный электромагнитный момент. При частоте вращения двигателя, меньшей 0,5n₁ он является ускоряющим, а при большей частоте — тормозящим. Особенно резко проявляется действие обратного поля при n=0,5n₁.

Пусковой обмотка на роторе существенно уменьшает обратное магнитное поле и создаваемый им момент. Однако этот момент, складываясь с асинхронным моментом пусковой обмотки (кривая 1), создает в кривой результирующего пускового момента провал при частоте вращения, равной половине синхронной (кривая 4). Этот провал тем больше, чем больше ток в обмотке возбуждения. Включение гасительного резистора на период пуска уменьшает ток в этой обмотке и улучшает форму кривой пускового момента.

Если обмотку возбуждения при пуске не отключить от возбудителя, то по якорю возбудителя в период пуска проходит переменный ток, что может вызвать искрение щеток. Поэтому такую схему пуска применяют в случае небольшого нагрузочного момента — не более 50% от номинального, при сравнительно небольшой мощности двигателя.

Свойства двигателя при асинхронном пуске характеризуются на-чальным пусковым моментом М_п при s = 1 и входным моментом М_0,05 s = 0,05. В технических данных эти моменты и ток приводятся в долях номинального момента и тока в синхронном режиме.

Особой разновидностью синхронных двигателей являются асинхронизированные двигатели, напоминающие по своему устройству асинхронные двигатели с фазным ротором. От последних они отличаются, тем, что имеют больший воздушный зазор и увеличенное сечение вторичной трехфазной обмотки. При пуске обмотка ротора двигателя замыкается на пусковой реостат. Затем обмотка ротора присоединяется к возбудителю (или выпрямительному устройству), возбуждается постоянным током, и ротор втягивается в синхронизм. Такие двигатели обладает пусковыми характеристиками асинхронного двигателя с фазным ротором и рабочими свойствами синхронного двигателя.

При частотном пуске регулируемым преобразователем плавно повышают частоту от нуля до номинальной. Частота вращения поля статора также плавно изменяется от нуля до синхронной. Ротор, следуя за полем статора, также плавно разгоняется. Одновременно с изменением частоты необходимо регулирование питающего напряжения.

Частоту вращения синхронного двигателя можно регулировать изменением числа пар полюсов. При этом необходимо менять число пар полюсов как на статоре, так и на роторе, что приводит к значительному усложнению конструкции и удорожанию машины.

Поэтому на практике частоту вращения регулируют изменением частоты питающего напряжения. При неизменных значениях нагрузочного момента и тока якоря необходимо выдерживать условие

U/f₁ = const,

т. е. изменять напряжение U, подаваемое к электродвигателю от преобразователя частоты, пропорционально изменению частоты. При изменении нагрузки необходимо изменять поток возбуждения Ф_f и ток I_f. В чистом виде частотное регулирование применяется только при очень малых мощностях, когда нагрузочные моменты невелики, а инерция приводного механизма мала. При больших мощностях такие условия имеются только в некоторых типах электроприводов, например в электроприводах вентиляторов.

Для синхронных двигателей, применяемых в электроприводах с большим моментом инерции приводного механизма, необходимо очень плавно изменять частоту питающего напряжения, чтобы двигатель не выпал из синхронизма. Для таких электроприводов применяется метод частотного регулирования с самосинхронизацией, при котором управление преобразователем частоты осуществляется от системы датчиков положения ротора. В результате напряжение подается на каждую фазу двигателя при углах нагрузки  < 90⁰. При таком регулировании автоматически обеспечиваются условия устойчивой работы двигателя и его перегрузочная способность определяется только перегрузочной способностью преобразователя частоты.

Синхронные двигатели, регулируемые путем изменения частоты с самосинхронизацией, называют вентильными двигателями.