3. Угловые и u-образные характеристики синхронного двигателя

Синхронный двигатель потребляет электрическую мощность Р₁ из сети. Часть этой мощности расходуется на электрические потери в обмотке якоря P_эа и магнитные потери Р_M в статоре, а остальная ее часть передается вращающимся магнитным полем от статора к ротору. Эта мощность называется электромагнитной. Электромагнитная мощность Р_ЭМ преобразуется в механическую, развиваемую ротором. Частично мощность Р_ЭМ расходуется на покрытие механических Р_MX и добавочных Р_Д по­терь. Оставшаяся ее часть Р₂ является полезной механической мощностью на валу двигателя. Указанное преобразование мощности в синхронном двигателе показано на рис. 4.

Рис. 4. Энергетическая диаграмма синхронного двигателя

Уравнения для электромагнитной мощности синхронного двигателя можно получить из векторных диаграмм. Например, для явнополюсного двигателя электромагнитная мощность равна:

(3)

В неявнополюсном двигателе x_q=х_d, и поэтому вторая составляющая Р" будет отсутствовать. Электромагнитный момент получим, если (3) разделим на угловую скорость поля и ротора :

(4)

В двигателе электромагнитный вращающий момент на­правлен в сторону вращения, тогда как в генераторе — против вращения. В явнополюсном двигателе за счет второй составляющей М" (реактивного момента) вращающий мо­мент может создаваться и при отсутствии возбуждения I_B=0 (E₀=0). Напомним, что в (3) и (4) угол θ следует принимать отрицательным.

Рис. 5. Угловая характеристика электромагнитного мо­мента явнополюсного синхронного двигателя

На рис. 5 показана угло­вая характеристика M=f(θ) для двигательного режима (нижняя часть). Для сопостав­ления там же приведена аналогичная характеристика для генератора. Утолщенная часть кривой соответствует устойчивой части характеристики. Величина М_MAX характеризует перегрузочную способность машины. Отношение М_MAX/М_HOM называется кратностью максимального момента. Согласно ГОСТ 183-74 эта кратность должна быть не менее 1,65. Из (4) видно, что М_MAX в синхронных двигателях прямо пропорционален подводимому напряжению U и ЭДС E₀. Это относится как к неявнополюсному двигателю, так и с некоторым приближением к возбужденному явнополюсному двигателю, так как у последнего М_MAX определяется главным образом первой составляющей. Зависимость M=f(θ), представляющая собой угловую характеристику синхрон­ного двигателя, является его механической характеристи­кой. При номинальной нагрузке θ_HOM=20÷30⁰.

U-образные характеристики двигателя могут быть построены по векторным диаграммам. Более точные результаты получаются из векторных диаграмм с учетом насыщения. U-образные характеристики для различных значений Р (или М) представлены на рис. 7. Как следует из сопоставления рис. 6 и 7, при работе с опережающим током двигатель перевозбужден, а при работе с отстающим током недовозбужден.

Рис. 6. Векторные диаграммы ненасыщенного неявнополюсного двигателя при Р=const

Рис. 7. Зависимости I=f(I_B) и cosφ=f(I_B) для синхронного двигателя при различных значениях Р(М): 1 - при P₁(M₁); 2 - при Р₂>Р₁ (М₂>М₁); 3 - при Р₃>Р₂ (М₃>М₂)

При перевозбуждении двигатель генерирует реактивную мощность непосредственно у потребителя, что способствует повышению cosφ сети. Это позволяет снизить реактивную мощность, вырабатываемую синхронными генераторами на электрических станциях, и уменьшить потери в линиях электропередачи. Возможность генерировать реактивную мощность выгодно отличает синхронные двигатели от асинхронных, которые потребляют реактивную мощность для возбуждения. Поэтому синхронные двигатели проектируются для работы при номинальной мощности с перевозбуждением (с опережающим током) и cosφ_HOM=0,9. Работа с перевозбуждени­ем предпочтительна также и для повышения максимального момента двигателя.

В соответствии с приведенными U-образными характеристиками на рис. 7 построены зависимости cosφ=f(I_B) при различных значениях М. Отсюда следует, что при любых нагрузках на валу синхронные двигатели могут работать с различными значениями cosφ, в том числе и с cosφ=1. Достигается это изменением тока в обмотке возбуждения.