5. Синхронный электромеханический преобразователь

5.1. Электромеханическое преобразование в синхронном двигателе

Рассмотрим электромеханические свойства синхронных двигателей. Схема включения его изображена на рис. 5.1, a.

а    б  

,

в

Рис. 5.1. Схема включения синхронного двигателя (а), двухфазная модель синхронного двигателя в осях , , d, q и в осях d, q(в)

В большинстве случаев синхронные двигатели исполняются с явно выраженным полюсом, на котором размещена обмотка возбуждения (рис. 5.1, б).

Питание обмотки возбуждения осуществляется через контактные кольца и щетки от источника постоянного напряжения.

Обмотки статора модели питаются симметричной системой напряжений:

; (5.1)

Обмотка возбуждения размещена на оси d явнополюсного ротора и подключена к источнику постоянного напряжения U_d.

Уравнения электромеханической характеристики имеют вид:

(5.2)При работе синхронной машины в режиме двигателя ротор отстает от поля статора на угол, поэтому наиболее удобный вид электромеханической характеристики будет в осях d, q.

Формулы прямого преобразования:

Воспользовавшись формулами прямого преобразования, получим уравнения механической характеристики синхронного двигателя в осях d, q:

(5.3)

Уравнения потокосцеплений будут иметь вид:

;     (5.4)

5.2. Угловая характеристика синхронного двигателя

Уравнения механической характеристики нелинейны в связи с наличием произведения переменных. Приближенное уравнение механической характеристики двигателя может быть найдено с помощью угловой статической характеристики синхронной машины.

Положим и и будем пренебрегать активным сопротивлением статора R₁. Будем считать, что обмотка возбуждения питается от источника тока, и во всех режимах . В этом случае уравнения механической характеристики примут вид:

(5.5)

Из первого и второго уравнений определяются токи статора:

      (5.6)

Подставив эти выражения в третье уравнение системы и, учитывая, что , после преобразований получаем уравнение угловой характеристики двухфазного явнополюсного синхронного двигателя:

    (5.7)

Подставив и , получим уравнение угловой характеристики трехфазного асинхронного явнополюсного двигателя:

      (5.8)

  Из этого выражения видно, что момент синхронного двигателя содержит две составляющие. Первая обусловлена взаимодействием вращающегося магнитного поля статора с полем возбуждения ротора, а вторая представляет собой реактивный момент, обусловленный явнополюсным исполнением ротора. Вследствие явнополюсности, энергия магнитного поля максимальна при любом из двух положений ротора, поэтому вторая составляющая момента зависит от двойного угла Ө_эл.

На рис. 5.2 изображена угловая характеристика трехфазной синхронной машины с явновыраженными полюсами.

θ_эл.ном. обычно составляет 20^о÷30^°. Это обеспечивает перегрузочную способность двигателя . Реактивный момент увеличивает крутизну рабочего участка угловой характеристики и несколько повышает перегрузочную способность двигателя.

Рис. 5.2. Угловая характеристика трехфазной синхронной машины

с явновыраженными полюсами

Так как основная составляющая момента определяется линейной зависимостью момента от напряжения питания, то перегрузочная способность двигателя менее чувствительна к изменению напряжения сети, чем у асинхронного двигателя.

Вектор Ψ₁ определяется геометрической суммой потокосцеплений обмотки статора по оси d (рис. 5.1, б):

       (5.9)

и по оси q:

       (5.10)