9.3. Общая характеристика синхронных электродвигателей

Схема подключения СД приведена на рис. 9.4, а. Основными парамет­рами режима являются: активная Р и реактивная Q мощности, потреб­ляемые СД из сети; ток статорной обмотки I; электромагнитный мо­мент на валу СД М_э, равный в установившемся режиме моменту сопро­тивления механизма М_мех; частота вращения ротора СД  или скольжение ротора; синхронная частота вращения ротора СД _с; угол , характеризующий положение ротора СД относительно синхронно вращающейся оси, которую можно совместить с вектором ЭДС элект­рической системы Е_c.

Из-за не симметрии ротора СД (обмотка возбуждения имеется толь­ко по продольной оси) схемы замещения СД по продольной и попе­речной осям ротора различаются Параметрами схемы замещения являются r_ct, R_f, R_1d, R_1q — соответственно активные сопротивления статорной обмотки, обмотки возбуждения и демпферных обмоток по продольной и поперечной осям ротора; X_ad, X_aq — сопротивление взаи­моиндукции между статорными и роторными обмотками СД по осям d и q; X_ , X_f, X_ld, X_1q — соответственно индуктивные сопротив­ления рассеяния статорной обмотки, обмотки возбуждения и демпфер­ных обмоток по осям d и q, R_fn — активное сопротивление обмотки возбуждения в период пуска СД, когда обмотка возбуждения замкнута на дополнительное пусковое сопротивление R_n (Rf_n = Rf + R_n).

На основе параметров схемы замещения могут быть определены обобщенные параметры и параметры режима СД. Обобщенными параметрами СД являются:

ной обмотке, равные

постоянные времени обмотки возбуждения при разомкнутой и ко-роткозамкнутой статорных обмотках

постоянные времени демпферных обмоток по продольной и попе­речной осям при разомкнутой и короткозамкнутой статорных обмот­ках

постоянные времени переходного (T^’_d0) и сверхпереходного (T^”_do) процессов по продольной оси ротора при разомкнутой статорной об­мотке, определяемые системой уравнений

где ₀ — общий коэффициент рассеяния обмотки возбуждения и демп­ферной обмотки но продольной оси при разомкнутой статорной об­мотке:

постоянные времени переходного (Т^’_d) и сверхпереходного (T^”_d) процессов по продольной оси ротора при короткозамкнутой статорной

обмотке, определяемые системой уравнений

где ' — общий коэффициент рассеяния обмотки возбуждения и про­дольной демпферной обмотки при короткозамкнутой статорной об­мотке:

Для переходного сопротивления СД с учетом демпферной обмотки Х^’_d и сверхпереходных сопротивлений справедливы следующие соот­ношения:

Параметры схемы замещения и режима СД удобно выражать в относительных единицах, когда за независимые базисные единицы приняты: S_б = S_ном — полная номинальная мощность СД; U_б = U_ном — номинальное междуфазное напряжение. Исключение составляет электромагнит­ный момент, который целесообразно выразить в долях номинального момента двигателя.

Параметры режима возбужденного СД содержат синхронные и асин­хронные составляющие. Например, активную и реактивную мощности СД в соответствии с принципом наложения можно представить в виде

Асинхронные составляющие мощности обусловлены асинхронными свойствами обмоток на роторе СД и в соответствии со схемами замеще-

ния (см. рис. 9.3) равны

где Z_d(s) и Z_q(s) — эквивалентные комплексные (сопряженные) сопротивления по продольной и поперечной осям в асинхронном режи­ме при скольжении s.

Эквивалентное активное сопротивление обмотки возбуждения опре­деляется режимом обмотки возбуждения: у невозбужденного СД, когда обмотка возбуждения замкнута на пусковое сопротивление,

у возбужденного СД, когда обмотка возбуждения замкнута на возбудитель,

Зависимости от скольжения Р_a(s), Q_a(s), I_а(s), M_a(s) при номиналь­ном напряжении на выводах двигателя называются пусковыми характе­ристиками СД.

Синхронные составляющие режима обусловлены вынужденным то­ком в обмотке возбуждения СД, т. е. током от возбудительного устрой­ства. Без учета активного сопротивления статорной обмотки синхрон­ные составляющие активной и реактивной мощностей равны соответ­ственно

где E_q - синхронная ЭДС, опре­деляемая типом и режимом воз­будительного устройства СД;  - угол между векторами U и E_q (рис. 9.5). Синхронная составляющая электромагнитного момента СД

Подача возбуждения СД может осуществляться по току статора или по частоте вращения ротора. Установка подачи возбуждения по току статорной обмотки составляет I_уст = (2  3)I_ном по частоте _уст = 0,94  0,96. Если параметром подачи возбуждения является ток ста­торной обмотки, то при выполнении условия

обмотка возбуждения подключается к возбудительному устройству, т. е. на СД подается возбуждение (R_fэ = R_f, Е_q > 0). Аналогично если параметром подачи возбуждения является частота вращения ротора, то при выполнении условия

на СД подается возбуждение.

После подачи возбуждения синхронная ЭДС Е_q изменяется по закону

Уравнения (9.46) — (9.54) определяют основные параметры режима СД.

В каталогах СД задаются: номинальные P_ном, U_ном, _ном, cos_hоm, а также М_п — пусковой (при s = 1) и М_в — входной (при s =0,05) асин­хронные электромагнитные моменты; m_c.M — максимальный синхрон­ный момент; I_П — пусковой ток СД; U_fном, I_fном — номинальные напряжение и ток обмотки возбуждения.

Синхронные двигатели с шихтованными полюсами являются наи­более распространенным типом явнополюсных СД с частотой вращения ротора п_ном  1000 об/мин. К ним относятся синхронные двигатели се­рий СД, СДН, СДВ, СДК и ряд других, используемых в качестве при­водов разнообразных промышленных механизмов (насосы, компрес­соры, вентиляторы, мельницы, мешалки и т. п.). Пуск СДШП, как правило, осуществляется от полного напряжения сети при обмотке возбуждения, замкнутой на дополнительное пусковое сопротивление.

Асинхронная моментная характеристика СД с шихтованным рото­ром в случае, когда обмотка возбуждения двигателя замкнута нако­ротко, может иметь провалы при частоте вращения, близкой к синхрон­ной. Происходит "застревание" двигателя на подсинхронной частоте. Устранение провалов осуществляется включением возбуждения на дополнительное R_п.

Пусковое сопротивление обмотки возбуждения выполняет следую­щие функции: улучшает асинхронную моментную характеристику; позволяет увеличить скорость гашения поля; предотвращает перенапря­жения в обмотке возбуждения, возникающие из-за большой скорости изменения тока возбуждения при отключении возбудителя.

К синхронным двигателям с массивным ротором относятся двигате­ли серий СТМ, СТД с номинальной частотой вращения 3000 c^-1. СДМП получили широкое распространение, в частности, в качестве приводов магистральных насосов и газовых компрессоров. В отличие от двигате­лей с шихтованным ротором, имеющих сосредоточенную демпферную обмотку, у СДМР ротор представляет собой единую стальную поков­ку с выфрезерованными пазами для обмотки возбуждения и система демпферных контуров распределена по всей бочке ротора. Наличие мощной демпферной системы, распределенной в массивном роторе, значительно улучшает пусковые характеристики турбодвигателей, однако приводит к существенному усложнению расчетов параметров и пусковых характеристик двигателей. Пуск СДМР осуществляется в основном от полного (иногда сниженного) напряжения при коротко-замкнутой обмотке возбуждения.