12.3. Реактивні двигуни [40]

12.3.1. Переваги й недоліки синхронних реактивних двигунів

Можливість роботи синхронного двигуна звичайної конструкції при відсутності збудження була вперше виявлена Сіменсом у 1874 р., коли він випадково вимкнув збудження у синхронного двигуна, який продовжував після цього обертатись. Але в той час це явище не було пояснене й розглядалось як цікавий курйоз. Лише через 20 років Блондель запропонував метод аналізу на основі теорії двох реакцій, за допомогою якого й пояснили принцип дії синхронного реактивного двигуна.

У зв'язку з тим, що основний магнітний потік у двигуні створюється МРС реакції якоря, він називається реактивним.

Основною відмінністю синхронних реактивних двигунів є те, що вони не мають збудження з боку ротора. А звідси – простота конструкції, порівняно низька вартість та висока надійність, пов'язана з відсутністю швидко зношуваних частин (колектор, контактні кільця, щітки) та збуджувача.

Недоліками цих двигунів, які обмежують області їх застосування, є споживання ними з мережі реактивної потужності, що зменшує максимальний момент , cos φ (звичайно 0.5), ККД (при номінальній потужності у кілька десятків ват η=30-40%, а при від часток до одиниць ват η=5-25%) та збільшує габарити й масу, велика чутливість до коливань напруги U мережі, оскільки електромагнітний момент прямо пропорційний , та схильність до коливань ротора при раптових коливання моменту навантаження або кутової частоти обертання ω.

12.3.2. Обертаючий момент і електромагнітна потужність синхронних реактивних двигунів (срд)

В машинах великої й середньої потужності, які розглядаються у загальному курсі електричних машин, для спрощення аналізу при визначенні електромагнітних моменту й потужності наближено вважається активний опір обмотки статора дорівнюючим нулеві. Для цих машин таке припущення не створює великих погрішностей, оскільки та . В мікромашинах активний опір r такого ж порядку, як й , тому припущення створює великі погрішності. У зв’язку з цим необхідно при визначенні , та кутової характеристики враховувати r.

Рис. 12.5. Векторна діаграма явнополюсного синхронного двигуна

Для визначення цих величин та уточнення принципу дії СРД розглянемо спочатку роботу звичайного явнополюсного синхронного двигуна в режимі недозбудження. Цьому випадку відповідна векторна діаграма рис.12.5.

Судячи з наведеної векторної діаграми, висновуємо, що при недозбудженні синхронний двигун споживає з мережі струм, який відстає від напруги за фазою та створює подовжню підмагнічуючу МРС . Фізично це пояснюється тим, що при U=const результуючий магнітний потік . Тому нестача або надлишок МРС збудження компенсується підмагнічуючою або розмагнічуючою .

Якщо довести струм збудження ротора (а отже й )до нуля, то =0, й магнітний потік буде повністю створюватись з сильно відстаючим споживаним струмом I. Якщо це врахувати, то одержимо векторну діаграму синхронного реактивного двигуна, наведену на рис. 12.6.

Рис. 12.6. Векторна діаграма синхронного реактивного двигуна

Спочатку визначимо електромагнітну потужність:

(12.7)

Потужність споживання з мережі:

, (12.8)

де - фазна напруга.

Враховуючи те, що

(12.9)

, (12.10)

, (12.11)

одержимо:

(12.12)

Але:

. (12.13)

З системи рівнянь (12.13) визначаються струми:

(12.14)

(12.15)

Підставимо з (12.14), (12.15), (12.12) у (12.7) та після перетворень одержимо: (12.16)

З урахуванням (12.16) підраховується електромагнітний момент:

(12.17)

Якщо у відповідності з виразами (12.17), (12.16) побудувати низку залежностей при фіксованих значеннях інших величин, то одержимо графіки рис.12.7, з яких видно, що зі збільшенням r зменшується , а кутова характеристика зсовується в область менших кутів θ. Звичайно в реактивному двигуні виникає при θ=25-40º.

Рис. 12.7. Кутові характеристики синхронного реактивного двигуна

З формул (12.16), (12.17) видно, що та не дорівнюють нулеві тільки в тому випадку, коли , тобто коли машина явнополюсна. Звідси виходить, що СРД повинен бути принципово явнополюсним. Щоб спростити подальший аналіз, вважаємо Тоді з формули (12.17), (12.16):

(12.18)

(12.19)

З формули (12.19) видно, що зі зменшенням збільшується . Спеціальною конструкцією ротора досягають =0.3-0.65.

Синхронізуючий момент

, (12.20)

тобто, якщо r=0 й θ=0, то =0, а якщо , то