0. Электрическая схема замещения сд. Уравнение электрического состояния. Угловая характеристика сд

Электрическая схема замещения СД моделирует электромагнитные процессы, происходящие в одной фазе статорной обмотки. В простейшем виде она имеет вид на рис. 4.3.

Рисунок 4.3 – Электрическая схема замещения СД. U – действующее значение напряжения, приложенного к фазе статорной обмотки; I – действующее значение тока, протекающего по фазе обмотки статора; Х_Я – индуктивное сопротивление фазы обмотки статора; Е_В – ЭДС, которое наводится в фазе статорной обмотки магнитным потоком, создаваемым обмоткой возбуждения (ЭДС взаимоиндукции, ); Е_Я – ЭДС самоиндукции, наведенная в фазе статорной обмотки при изменении тока по синусоидальному закону, .

Если в соответствии со вторым законом Кирхгофа с учетом направления величин запишем уравнение

,

учитывая, что

,

получим

Это уравнение носит название уравнение электрического состояния СД

Построим векторную диаграмму, соответствующую этому уравнению.

Рисунок 4.4 – Векторная диаграмма

Электрическая мощность (активная), потребляемая двигателем из сети, может быть записана следующим образом

Механическая мощность

Если пренебречь потерями в двигателе, то

а это значит, что

(4.1)

Для получения зависимости М=f(Θ) воспользуемся геометрическим приемом, а именно, из конца вектора Е_В на векторной диаграмме (рис. 4.4) восстановим перпендикуляр на вектор напряжения U. Величина этого отрезка «ab» равна

Подставим в выражение (4.1) последнее равенство

Полученное уравнение выражает зависимость электромагнитного момента и называется уравнением угловой характеристики СД, где критический момент

Следовательно

Графическая зависимость, соответствующая уравнению угловой характеристики СД, представлена на рис. 4.5.

Рисунок 4.5 – Угловая характеристика СД

Проанализировав угловую характеристику в двигательном режиме, нетрудно убедиться, что в области угла рассогласования увеличивается нагрузка на валу двигателя, т. е. увеличение угла рассогласования влечет возрастание электромагнитного момента, а это значит, что эта часть угловой характеристики описывает область устойчивой работы СД (рабочая часть). Также направление электромагнитного момента при изменении угла рассогласования изменяется с удвоенной частотой, т. е. f=100 Гц. Следовательно, СД обладает знакопеременным моментом, в этом проявляется негативное свойство СД, которое носит название склонность к качаниям (или колебания ротора).

Поэтому СД конструируют так, что номинальному режиму по паспорту двигателя соответствует угол рассогласования Θ=20÷30º. Тогда перегрузочная способность двигателя

Лекция 16

Пуск СД. Механические характеристики СД при пуске

В отличие от АД процесс пуска СД представляет собой более сложную задачу, т. к. существуют три проблемы, связанные с запуском двигателя:

1. Двигатель должен успеть разогнаться до скорости, близкой к синхронной скорости ω₀, за тот промежуток времени, который соответствует изменению угла рассогласования . Если двигатель не успевает разогнаться, то электромагнитный момент изменяет свое направление и двигатель запустить не удается;

2. Кроме того, возникает еще одна проблема, связанная с ограничением пускового тока, так называемого, броска тока;

3. Также существует специфическая особенность СД – это разгон двигателя от скорости, близкой к синхронной скорости, до синхронной скорости. Этот процесс называется втягивание в синхронизм.

Наиболее простым и доступным способом решения трех перечисленных проблем является, так называемый, асинхронный пуск синхронного двигателя.

С этой целью ротор СД при его изготовлении на заводе, помимо обмотки возбуждения, снабжается еще одной дополнительной обмоткой по типу «беличье колесо», которая предназначена для выполнения двух функций:

1. Создание пускового момента при пуске;

2. Гашение колебаний ротора в переходных режимах. Эта функция называется «демпфирование».

При этом схема запуска СД представлена на рис. 4.6.

Рисунок 4.6 – Схема пуска СД

Асинхронный пуск СД начинается замыканием линейного контактора КЛ, при этом пусковой контактор КП находится в левом положении «пуск», а обмотка возбуждения ротора отсоединена от источника постоянного напряжения (возбудителя В) и замкнута на разрядный резистор R_РАЗР.. В качестве возбудителя до последнего времени использовался генератор постоянного тока независимого возбуждения малой мощности, а в настоящее время используются статические тиристорные возбудители.

Разрядный резистор выполняет две функции:

1. Главная функция – гашение перенапряжения на обмотке возбуждения при отключении ее от возбудителя. Причиной возникновения перенапряжения является то, что при отключении обмотки возбуждения от источника постоянного напряжения, двигатель работает как повышающий трансформатор с учетом того, что число витков обмотки возбуждения значительно превосходит число витков статорной обмотки. Поэтому если обмотку возбуждения оставить разомкнутой, то при напряжении питания статора U₁=220 кВ, напряжение на зажимах обмотки возбуждения U_ВОЗБ.≈ 10 кВ, это может привести к пробою изоляции обмотки возбуждения.

2. Второстепенная функция – увеличение активного сопротивления цепи ротора, которое в свою очередь будет увеличивать пусковой момент двигателя.

Пуск СД включает в себя два этапа:

1. Асинхронный разгон. На этом этапе двигатель должен разогнаться до угловой скорости

ω=0,95·ω₀,

эта скорость называется подсинхронной скоростью.

2. Втягивание в синхронизм, т. е. изменение угловой скорости от подсинхронной скорости до синхронной скорости (0,95·ω₀≤ω≤ω₀).

Рассмотрим влияние величины разрядного сопротивления на успешность реализации обеих стадий пуска. При увеличении величины разрядного сопротивления, увеличивается активное сопротивление цепи ротора и как следствие увеличивается пусковой момент. При этом, естественно, первый этап пуска проходит успешно. Семейство механических характеристик имеет вид, изображенный на рис. 4.7.

ω₀

Рисунок 4.7 – Семейство механических характеристик при пуске СД

После того как СД разогнался до подсинхронной угловой скорости, контакты КП пускового контактора переводятся в правое положение «работа», при этом обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного напряжения, к возбудителю В, и начинается второй этап пуска – втягивание в синхронизм. Для того чтобы двигатель успешно преодолел этот этап, необходимо создать момент, который был бы больше суммы момента сопротивления и момента динамического торможения, который создается при взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного статического магнитного поля обмотки возбуждения. Этот момент называется входным момент

М_ВХ.≥ М_С+М_{ДИН.ТОРМ.}

Из семейства механических характеристик при пуске (рис. 4.7) видно, что при увеличении разрядного сопротивления, величина входного момента уменьшается, т. е. чем меньше величина разрядного сопротивления, тем легче двигатель втягивается в синхронизм.

Таким образом, правильный расчет разрядного сопротивления должен обеспечивать три критерия:

1. Гашение перенапряжения на обмотке возбуждения при одновременном ограничении токов в обмотке возбуждения;

2. Создание достаточного для асинхронного разгона пускового момента;

3. Создание достаточного для втягивания в синхронизм входного момента.

При этом определяющим фактором выбора величины разрядного сопротивления является вид производственного механизма. Так для грузоподъемных и транспортных механизмов, у которых статический момент сопротивления постоянный, т. е. не зависит от угловой скорости вращения, величину разрядного сопротивления подбирают так, чтобы пусковой момент был равен входному моменту (М_П=М_ВХ.). А для механизмов с вентиляторным законом изменения статического момента сопротивления (М_С≡ ω²), т. е. для турбомеханизмов, входной момент должен принимать значение

М_ВХ.≈ 2,5·М_П.

Кроме того, асинхронный пуск СД имеет еще одну характерную особенность. В процессе асинхронного пуска на двигатель действует асинхронный момент М_АС, который равен сумме трех составляющих

М_АС=М_Б.К+М_ПР.+М_ОБР.,

где М_Б.К – момент, создаваемый вспомогательной обмоткой по типу «беличье колесо»;

М_ПР. – прямая составляющая момента, которая создается обмоткой возбуждения, замкнутой на разрядное сопротивление, при пересечении ее с силовыми линиями магнитного поля с частотой f₂=f₁·S;

М_ОБР. – обратная составляющая момента, создаваемая обмоткой возбуждения, при пересечении ее с силовыми линиями магнитного поля с частотой (f₁-f₁·S).

При этом механическая характеристика СД имеет вид (рис. 4.8).

Рисунок 4.8 – Механическая характеристика СД при влиянии асинхронного момента

Наличие провала в суммарной пусковой характеристике влияет на перегрузочную способность двигателя в процессе запуска. При этом влияние провала также существенным образом зависит от величины разрядного сопротивления. Чем больше разрядное сопротивление, тем меньше провал механической пусковой характеристики. Разрядное сопротивление, выраженное в относительных единицах,

,

где R₂ – активное сопротивление обмотки возбуждения.

При разных значениях относительного разрядного сопротивления, механические характеристики будут иметь различный вид (рис.4.8).