Лекция 24 электромеханические свойства синхронного двигателя

1.1 Особенности сд

Синхронный двигатель (СД) благодаря хорошим энергетическим показателям по КПД и коэффициенту мощности и повышенной надежности в связи со значительным воздушным зазором между статором и ротором все больше вытесняют асинхронные двигатели в мощных установках с длительным режимом работы. СД стал монопольным для крупных компрессоров и насосов, для главных приводов непрерывных нерегулируемых прокатных станов, для приводов большой и средней мощности в цементной промышленности.

Особенности СД:

- синхронный двигатель обладает абсолютно жёсткой механической характеристикой. Скорость двигателя определяется частотой питающей сети f₁. и числом пар полюсов р_П и не зависит от нагрузки. В настоящее время наметилась возможность применения СД в регулируемом электроприводе, для изменения скорости используется преобразователь частоты;

- важным преимуществом конструкции СД является большой воздушный зазор, вследствие чего его характеристики и свойства мало зависят от износа подшипников и неточности монтажа ротора;

- высокий КПД современных СД, составляющий 96….98%, что на 1... 1,5% выше КПД АД тех же габаритов и скорости;

- возможность регулирования перегрузочной способности СД за счёт регулирования тока возбуждения и меньшая зависимость этого показателя от напряжения сети по сравнению с АД;

- возможность изготовления на большие мощности (до нескольких десятков мегаватт);

- возможность работы с высоким (близким к единице) и даже опережающим коэффициентом мощности cos φ. Даже при работе в двигательном режиме СД может генерировать в сеть реактивную энергию.

Электротехническая промышленность выпускает несколько серий СД различного назначения. Для общего применения выпускаются двигатели серий СД2 и СД3 мощностью от 132 до 1000 кВт, СДН-2 и СДН-3 мощностью от 315 до 4000 кВт и напряжением питания 380 и 6000 В. В приводе вертикальных насосов используются двигатели ВДС и ВДС2 мощностью от 4000 до 12 500 кВт и ВСДН мощностью от 630 до 3200 кВт. Существуют и СД во взрывоопасном исполнении серий СДКП2 (315... 5000 кВт) и СТДП (630... 12 500 кВт). Кроме того, выпускаются СД, предназначенные для привода быстроходных механизмов (серия СТД), мельниц (СДМЗ и СДСЗ-2), поршневых компрессоров (СДК2) и ряд других.

1.2 Принцип действия сд. Схемы включения

Синхронный двигатель - машина переменного тока, у которой обмотка статора переменного тока, как у АД (рис. 112). При подключении статора к сети трехфазного тока создается вращающееся магнитное поле. Ротор СД имеет 2 обмотки - возбуждения и пусковую короткозамкнутую в виде беличьей клетки. Обмотка возбуждения - постоянного тока, размещается на полюсах - у СД с явнополюсным ротором или уложена в пазы ротора - у неявнополюсных СД. Подача постоянного тока в цепь ротора чаще всего осуществляется через контактные кольца.

В качестве источника для питания обмотки возбуждения чаще всего используется генератор постоянного тока 2 небольшой мощности (0,3... 3% от мощности СД), называемый возбудителем, который устанавливается на одном валу с двигателем 1. Регулирование тока возбуждения двигателя I_вд осуществляется изменением с помощью резистора 3 тока I_вв возбуждения возбудителя 4. В современных схемах автоматического регулирования возбуждения (АРВ) СД широко применяются тиристорные управляемые выпрямители (тиристорные возбудители).

Вращающий момент СД обусловлен взаимодействием вращающегося магнитного поля, создаваемого обмотками статора, и магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения или постоянными магнитами на роторе. Взаимодействие этих полей может создать постоянный по направлению вращающий момент СД только в том случае, когда ротор будет вращаться со скоростью магнитного поля ω₀ = 2πf₁/p, т.е. синхронно с вращающимся полем. Таким образом, механическая характеристика СД ω(М) (рис. 112, б) представляет собой горизонтальную линию с ординатой ω₀, которая имеет место до некоторого максимального момента нагрузки М_мах, превышение которого приводит к выпаданию СД из синхронизма, т. е. к нарушению синхронного вращения ротора и магнитного поля.

Рисунок 112 – Схема и механические характеристики СД

Для определения максимального момента нагрузки М_мах, до которого сохраняется синхронная работа двигателя с сетью, служит угловая характеристика СД (рис. 113). Она отражает зависимость момента М от угла сдвига θ между векторами ЭДС статора Е и фазного напряжения сети U_ф.

Момент СД представляет собой синусоидальную функцию угла θ:

где U_ф - фазное значение напряжения сети;

Е - ЭДС в обмотке статора СД;

х₁ - индуктивное сопротивление фазы обмотки СД;

ω₀ - скорость вращения магнитного поля.

Рисунок 113 - Угловая характеристика СД

Максимального значения момент СД достигает при θ = π/ 2. Угол сдвига характеризует собой перегрузочную способность СД: при больших значениях θ двигатель выпадает из синхронизма, при небольших – его работа устойчива. Номинальные значения угла θ_ном составляют обычно 25…30°, им соответствует номинальный момент М_ном, и кратность максимального момента в этом случае λ_м = М_мах /М_ном =2…2,5,для специальных машин λ_м = 3,5…4.