10195
.pdf
Момент двигателя М. Зависимость момента двигателя М и мощности на валу P2 линейна (см. п. 5.2.5), поэтому с ростом нагрузки возрастает и момент двигателя.
Частота вращения n2 . При холостом ходе, когда P2 0 , частота вращения ротора n2 примерно равняется частоте вращения магнитного поля n2 n1 . С ростом нагрузки P2 частота вращения ротора уменьшается, причем в рабочей части механической характеристики эта зависимость остается линейной.
Скольжение S. При холостом ходе P2 0 , когда n2 n1 скольжение имеет минимальную величину. С ростом нагрузки частота вращения n2 линейно уменьшается, соответственно линейно увеличивается скольжение (5.2).
Коэффициент полезного действия . КПД определяется формулой:
|
|
P2 |
|
P2 |
|
, |
|
|
|
|
|||||
|
|
P |
P P |
||||
|
1 |
|
2 |
|
|
||
где P1 – активная мощность, потребляемая из сети; |
|||||||
P PM PЭ1 PЭ 2 Pмех Pдоб |
(кВт) – суммарные потери мощности, |
||||||
равные сумме потерь мощности в магнитопроводе PM , электрических потерь в статоре PЭ1 и роторе PЭ 2 , механических потерь Pмех и добавочных потерь мощности Pдоб .
При отсутствии нагрузки P2 0 КПД равен нулю. С увеличением нагрузки КПД растет и принимает наибольшее значение max 0,83 0,85 при
условии, |
что |
постоянные |
потери |
мощности |
в электродвигателе |
|||||
PM Pмех Pдоб |
оказываются |
равными |
переменным |
потерям мощности |
||||||
PЭ1 PЭ 2 |
в нем |
(при P2 PH |
). |
При |
дальнейшем |
росте нагрузки |
КПД |
|||
уменьшается. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент мощности |
cos |
: Характер |
зависимости |
cos |
||||||
определяется выражением: |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
cos |
|
P1 |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
U1I1 |
|
|
|
|||
|
|
3 |
|
|
|
|||||
При холостом ходе, когда P2 0 , cos достигает наименьшего значения |
||||||||||
cos 0 0,2 0,3 . |
С увеличением |
нагрузки cos увеличивается и достигает |
||||||||
91
при номинальной нагрузке P2 PH значения 0,83 0,89. С увеличением нагрузки больше номинальной наблюдается некоторое снижение cos за счет увеличения падения напряжения на индуктивном сопротивлении обмотки статора асинхронного двигателя.
5.3. Синхронный двигатель трёхфазного переменного тока
5.3.1. Устройство и принцип работы
Конструктивная схема трехфазного синхронного двигателя показана на рис. 5.18.
A(L1) |
|
B(L2) |
С( L3) |
|
2 |
|
|
RB |
|
3 |
|
|
+ |
|
OB |
n2 |
n1 |
||
|
||||
|
|
|
||
1 |
|
|
UB |
|
|
|
- |
||
|
|
|
Рис. 5.18 |
Синхронный двигатель (СД) состоит из неподвижной части 1, именуемой статором, и подвижной 3, именуемой ротором. Статор выполнен аналогично статору асинхронного двигателя. По окружности статора в пазах размещена трехфазная статорная обмотка 2, которая может быть соединена или в «звезду» U Л 380 B , или в «треугольник» U Л 220 B . На роторе
размещена обмотка возбуждения (ОВ), представляющая собой электромагнит постоянного тока и получающая питание от источника постоянного напряжения.
Если частота вращения ротора n2 1000 об/мин, то ротор выполняется в явнополюсном исполнении (рис 5.18), если же n2 1000 об/мин, то ротор выполняется в неявнополюсном исполнении.
При подаче к трехфазной обмотке статора трехфазного напряжения в ней образуется вращающееся магнитное поле с синхронной частотой вращения
|
n |
|
|
60 f1 |
|
(об/мин), |
(5.21) |
|
|
|
|
||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где f1 |
– частота питающей сети (Гц); |
|
||||||
– число пар магнитных полюсов, 1, 2, 3... |
|
|||||||
Вращающееся магнитное поле, взаимодействуя с однонаправленным |
||||||||
магнитным |
полем обмотки |
|
возбуждения, создает |
электромагнитный |
||||
(вращающий) момент, который разгоняет ротор до частоты вращения |
||||||||
|
n |
|
n |
60 f1 |
, |
(5.22) |
||
|
2 |
|
||||||
|
|
1 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
Так как частоты вращения магнитного поля и ротора одинаковы, двигатель называется синхронным.
Рассмотрим, как образуется электромагнитный момент М синхронного двигателя (рис. 5.12).
2
N
статор 
N
F1
S
N
F2
F1
S
N
F2
S |
S |
а) Мс = 0 |
б) Мс > 0 |
|
Рис. 5.19 |
На рис. 5.19 показано взаимодействие магнитных полюсов статорной обмотки (N-S) и обмотки возбуждения (S-N) в двух случаях:
а) момент сопротивления M C 0 (холостой ход);
б) момент сопротивления M C 0 .
При холостом ходе M C 0 оси магнитных полей статора и обмотки возбуждения, а также силы взаимодействия F1, F 2 между полюсами
93
направлены по одной прямой и не создают вращающего (электромагнитного) момента M 0 .
При нагрузке M C 0 оси магнитных полей статора и обмотки возбуждения образуют между собой угол . Силы взаимодействия между
|
|
|
|
|
полюсами F1, |
F 2 создают вращающий (электромагнитный) момент, который |
|||
компенсирует |
момент нагрузки M M C , и двигатель работает с |
|||
электромагнитным моментом.
Если синхронная машина работает с отставанием магнитного поля обмотки возбуждения (угол θ), то такой режим называется двигательным, если опережает (угол θ2), то синхронная машина переходит в генераторный режим.
5.3.2. Схема замещения трёхфазного синхронного двигателя
Синхронный двигатель (С.Д.) состоит из трех симметричных фаз, поэтому достаточно рассмотреть схему замещения одной фазы (рис. 5.20).
I C |
X C |
|
|
U 1ф ~ |
E0 |
|
Рис. 5.20
На рисунке 5.20 показано:
U1 , IC – напряжение и ток статора статорной обмотки;
X C – индуктивное сопротивление статорной обмотки (Ом);
E0 – ЭДС, наводимая магнитным потоком обмотки возбуждения в
статорной обмотке. ЭДС E0 |
пропорциональна току возбуждения I B E0 |
I B . |
||
Составим уравнение электрического состояния статорной обмотки: |
|
|||
|
|
|
|
|
U 1 |
E0 |
jX C I C |
(5.23) |
|
Векторная диаграмма для схемы замещения показана на рис. 5.21.
jXC I C
U 1 |
|
|
|
E0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I C
Рис. 5.21
Построение |
векторной диаграммы начинаем с |
вектора |
фазного |
|
|
|
|
|
|
напряжения U 1 . |
Под углом сдвига фаз строим вектор тока статора I C . |
|||
|
|
|
|
|
Далее, из конца вектора U 1 под углом 900 к вектору тока I C строим вектор |
||||
|
|
|
|
|
падения напряжения на индуктивном |
сопротивлении |
jX C I C . |
Соединив |
|
|
|
|
|
|
начало вектора U 1 и начало вектора |
jX C I C , получаем вектор ЭДС E0 и |
|||
угол между векторами U 1
Принимая, что синхронная машина идеальная, т.е. без потерь, мощность на валу двигателя P2 будет равна потребляемой активной мощности P1 из
сети: |
|
|
|
|
|
|
P P 3U |
1 |
I |
C |
cos |
(кВт), |
(5.24) |
2 1 |
|
|
|
|
где – угол сдвига фаз.
5.3.3. Формула электромагнитного момента. Угловая характеристика
Электромагнитный (вращающий) момент синхронного двигателя равен:
M P2 (Н∙м),
1
где 1 – угловая частота вращения магнитного поля статора, 1/с.
95
1 30n1 ,
где n1 – частота вращения магнитного поля, об/мин.
С учетом (5.24) электромагнитный момент будет:
M |
3U1 IC cos |
(5.25) |
|
1 |
|||
|
|
В таком виде (6.25) формула момента не используется. После нескольких преобразований [3] формула момента примет следующий вид:
M |
3U1 IC E0 |
sin |
(5.26) |
|
|||
|
1 X C |
|
|
Проанализируем полученное выражение:
момент пропорционален фазному напряжению M U1 , поэтому снижение напряжения не оказывает существенного влияния на момент, в отличие от асинхронного двигателя;
момент пропорционален ЭДС E0 , соответственно току возбуждения
M U1 I B , поэтому, чем больше ток, тем больше момент.
Под угловой характеристикой понимается зависимость момента двигателя от угла θ:
M f .
На рис. 5.22 приведена угловая характеристика синхронного двигателя.
M( Н м ) |
|
|
||
|
|
|
IВ>IB1 |
|
Mкр |
|
IВ1 |
|
|
|
I |
|
II |
|
0 |
|
|
π |
θ |
|
||||
|
||||
|
|
|
||
2
Рис. 5.22
Угловая характеристика позволяет проанализировать процессы в двигателе при изменении нагрузки на валу ротора. При появлении момента сопротивления M C на валу двигателя ротор притормаживается, угол нагрузки
θ увеличивается и в соответствии с угловой характеристикой увеличивается вращающий момент двигателя М. При равенстве М = МС наступает новый установившийся режим. При номинальном режиме двигателя МНОМ
соответствующий угол HOM 25 300 . При M C M max ротор отстаёт больше чем на максимально допустимый угол 2 , момент двигателя начнет
уменьшаться, ротор будет замедляться вплоть до полной остановки. Этот процесс называется выпадением двигателя из синхронизма, при котором
машина должна быть |
отключена от сети. |
|
|
Существуют два |
способа регулирования частоты вращения n2 : |
||
изменением |
частоты |
питающей сети |
f1 var с помощью |
преобразователя частоты |
f f f ' ; |
|
|
изменением числа пар магнитных полюсов p var p 1, 2, 3... , но практического применения этот способ не получил.C 1 1
5.3.4. Пусковые режимы синхронного двигателя
Известно [2], что синхронный двигатель не обладает собственным пусковым моментом. Если его включить в сеть, то ротор будет совершать колебания около положения равновесия с частотой f = 100 Гц, и двигатель не запустится.
Чаще всего синхронный двигатель запускают в асинхронном режиме (рис. 5.23) в следующей последовательности:
97
A(L1) B(L2) С( L3)
О.В. |
К1 |
RB |
|
||
|
|
|
RД |
К2 |
+ |
|
||
|
|
U B |
|
|
- |
|
Рис. 5.23 |
|
1.С помощью контакта K1 отключают обмотку возбуждения ОВ от источника питания U B и замыкают ее с помощью контакта K2 на дополнительное сопротивление RД .
2.Подключают трехфазную статорную обмотку к сети, в ней образуется вращающееся магнитное поле с частотой вращения:
n1 60 f1 (об/мин). p
Этот магнитный поток, пересекая витки дополнительной пусковой обмотки (типа «беличьей клетки»), расположенной на роторе, наводит в ней ЭДС, и по обмотке идет ток. Этот ток, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, образует электромагнитный момент аналогично асинхронному двигателю, который начинает разгонять ротор до частоты вращения n2 .
3. |
При достижении ротором частоты вращения n2 0.95 098n1 с |
|
помощью контакта К1 подключают обмотку возбуждения (ОВ) к |
|
источнику питания. Ротор после нескольких колебаний входит в |
|
синхронизм: |
|
n2 n1 . |
4. |
После достижения синхронизма отключают RД с помощью контакта |
|
K2 , и на этом процесс пуска заканчивается. |
5.3.5. U-образные характеристики синхронного двигателя
Под U-образными характеристиками синхронного двигателя понимается зависимость тока статора I C и коэффициента мощности от тока возбуждения
I B .
IC f I B , |
cos f IB . |
|
|||
Зависимость тока статора I C |
от параметров синхронного |
двигателя |
|||
U1 , E0 , X CИН описывается следующим выражением: |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
E0 |
|
|
||
I C |
U 1 |
. |
(5.27) |
||
jXCИН |
|||||
|
|
|
|||
Из анализа (5.27) в зависимости от величины тока возбуждения синхронный двигатель может работать в трёх качественно различных режимах.
I режим. Ток возбуждения изменяется в пределах 0 I B I BH , где I BH – номинальное значение тока возбуждения. При этом напряжение U1 больше, чем ЭДС E0 U1 E0 , ток статора I C > 0, cos > 0. Двигатель обладает активно-индуктивными свойствами, т.е. потребляет отстающий ток. Двигатель недовозбуждён.
|
II режим. Ток возбуждения IВ = IВН. При этом напряжение U1 |
равняется |
|
ЭДС |
E0 |
U1 E0 , ток статора I C = 0 и cos = 1. Двигатель |
обладает |
активными свойствами и потребляет из сети активную мощность P – |
|||
минимальную мощность. Двигатель имеет номинальный ток возбуждения. |
|||
|
III режим. Ток возбуждения IВ > IВН. При этом напряжение U1 меньше |
||
ЭДС |
E0 |
U1 E0 , ток статора I C < 0 и cos < 0. Двигатель обладает |
|
активно-емкостными свойствами, т.е. потребляет из сети активную мощность P, но отдает в сеть реактивную мощность - QC. Двигатель перевозбужден и потребляет опережающий ток.
Эти режимы изображены на рис. 5.24.
99
Ic(A)
I
cosφ
|
|
MC>0 |
|
|
MC=0 |
|
a’ |
III |
|
|
|
a |
II |
Iв(A) |
|
|
a II
1,0
I |
|
III |
|
IBH |
Iв(A) |
|
|
|
|
|
Рис. 5.24 |
На рис. 5.24 первый режим обозначен I, второй режим обозначен точкой «а» и соответствует номинальному току возбуждения IВН, третий режим обозначен III.
При нагрузке на валу двигателя МС > 0 точка «а» перемещается вправо и соответствует точке «а'».
Свойство синхронных электродвигателей потреблять из питающей сети опережающий ток особенно ценно для промышленных установок, так как оно позволяет одновременно с использованием синхронной машины в качестве приводного двигателя использовать ее и для повышения коэффициента мощности cos установки без применения статических конденсаторов.
5.3.6. Рабочие характеристики синхронного двигателя
Под рабочими характеристиками синхронного двигателя понимаются зависимости тока статора I C , момента M, частоты вращения ротора n2,
коэффициента мощности cos и КПД от мощности на валу двигателя Р2.