3.6. Механическая и угловая характеристики

синхронного двигателя

Из теории электрических машин известно, что синх-ронный двигатель (СД) имеет трехфазную обмотку статора, на которую подается трехфазный ток, создающий вращающееся магнитное поле, подобно АД. На роторе имеются две обмотки: пусковая (демпферная) обмотка и обмотка возбуждения, на которую подается постоянный ток. В синхронном режиме ротор вращается со скоростью магнитного поля статора, то есть синхронно с ним.

Синхронные двигатели большой мощности (200 кВт и вы-

ше) дешевле асинхронных и обладают, кроме того, компенсационными свойствами. В последнее время, в связи с развитием силовой полупроводниковой техники, в частности, частотных преобразователей, стало возможным применять СД в регулируемых приводах.

Различают СД с неявнополюсными роторами при скорости ≥1500 об/мин и явнополюсными роторами при частотах вращения 1000 об/мин и менее (до 100 об/мин).

3.5.1. Электромеханическое преобразование энергии

в синхронном двигателе

Принципиальная электрическая схема синхронной машины с обмоткой возбуждения и демпферной обмоткой приведена на рис. 3.35. Там же показано направление потоков мощности.

Обмотка статора трехфазная, аналогичная статорной обмотке асинхронного двигателя. При подаче трехфазного напряжения на обмотку статора в ней создается вращающееся магнит- ное поле, синхронная скорость которого равна ₁

91

Рис. 3.47. Схема и потоки энергии в синхронном

двигателе (СД)

Рис. 3.48. Принципиальная электрическая схема СД

Вращающееся магнитное поле наводит ЭДС в пусковой обмотке, расположенной на роторе, и по обмотке протекает ток, который способствует возникновению электромагнитного момента, подобно асинхронному двигателю. Под действием этого момента ротор начинает вращаться, достигая подсинхронной скорости, когда в обмотку возбуждения подается по

стоянный ток. Возникает постоянное магнитное поле, при

92

взаимодействии которого с вращающимся магнитным полем статора двигатель втягивается в синхронизм и начинает работать на механической характеристике (рис. 3.49) со статической жесткостью

.

Рис. 3.49. Механическая характеристика СД

При этом возникает ряд вопросов, связанных с дальнейшей работой синхронного двигателя:

1.Какова зависимость момента М от параметров СД и нагрузки?

2. Какие условия выхода двигателя из синхронизма?

3. От чего зависит максимальный момент М_maх двигателя и можно ли управлять им?

Рассмотрим векторную диаграмму СД c явнополюсным ротором в осях d и q, причем обмотка возбуждения размещена на оси d (рис.3.50). На этой диаграмме приняты следующие обозначения:

- векторы фазных э.д.с. обмотки статора и нап-

- вектор фазного тока статора;

x_c - индуктивное сопротивление фазы статора;

x_d - индуктивное сопротивление фазы статора по продольной оси d;

93

Рис. 3.50. Векторная диаграмма СД

x_q - индуктивное сопротивление фазы статора попопереч-ной оси q;

φ – фазовый угол сдвига между током статора и напряже-нием сети;

θ – внутренний угол сдвига между э.д.с. статора и напря-жением сети;

ψ - угол сдвига между э.д.с. статора и током статора.

Момент, развиваемый машиной, может быть определен на основе упрощенной векторной диаграммы напряжений синхронного двига­теля, приведенной на рис. 3.50. Диаг-рамма не учитывает активного падения напряжения в об-мотке статора. Это допущение упрощает определение мощности и момента двигателя и не вносит значительной

ошибки. Электромагнитная мощность при этом равна мощности, по­требляемой из сети, т. е.

Р_эм = 3Uicos φ

Отсюда

М = = . (3.80)

94

Из векторной диаграммы могут быть получены следующие соотноше­ния:

φ = θ + ψ; (3.81)

sin θ = ; (3.82)

сos θ = ; (3.83)

sin ψ = ; (3.84)

cos ψ = . (3.85)

Подставляя в (3.80) значение угла φ из (3.81), будем иметь

М = .

Учитывая выражения (3.84) и (3.85), имеем

М =

и с учетом выражений (3.82) и (3.83)

М = ) =

= . (3.86)

Выражение (3.86) называют угловой характеристикой СД и как следует из него, электромагнитный момент состоит из двух слагаемых:

1. синхронного (основного) момента М_син, пропорцио-нального индуктирован­ной э.д.с. и sin θ ;

2. реактивного момента, возникающего в двигателе без возбужде­ния из-за наличия явнополюсной системы.

95

В двигателе с неявнополюсной системой х_а = х_д и реактивный мо­мент равен нулю.

Синхронный момент возрастает с увеличением угла θ и достигает своего максимального значения при θ = 90°; при дальнейшем увели­чении угла 6 момент двигателя падает. Таким образом, устойчивая работа возможна при углах θ, не превышающих 90°.

Учитывая возможность толчков нагрузки, стараются иметь θ_ном = 20⁰ - 30°. При этих условиях перегрузочная способность синхрон­ного двигателя будет:

λ = ≈ 2 – 3.

В связи с тем, что синхронный момент прямо пропорционален пер­вой степени напряжения и первой степени э. д. с. от магнитодвижущей силы основного возбуждения, перегрузочная способность двигателя может быть повышена в моменты пиков нагрузки увеличением возбуж­дения.

Рис. 3.51. Зависимость электромагнитного момента синхронного двигателя и его составляющих от угла θ.

96

Зависимость электромагнитного момента и его составляющих — синхронного и реактивного моментов — от угла θ представлена на рис. 3.51. Из кривых моментов следует, что у дви-

гателей с явнопо­люсной системой максимальное значение электромагнитного момента за счет влияния реактивного момента имеет иместо при θ_макс < 90°.