Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электромеханические системы. Учебное пособие
.pdf
1
fnp
fnp
f
fnp
стотой вращения
. При неподвижном индукторе (роторе)
1
0п
2
магнитное поле возбуждения также неподвижно, поля статора и ротора
перемещаются относительно друг друга и поэтому не взаимодействуют, следовательно, электромагнитный момент равен нулю,
эм
0М
Синхронный двигатель не имеет собственного пускового момента. Режим двигателя обеспечивается созданием условий для сохранения неподвижности полей статора и ротора (индуктора и якоря). Используется асинхронный или частотный способ пуска.
3. Но если частота вращения ротора (индуктора) искусственно до-
стигнет частоты вращения магнитного поля якоря
1
1
, то поля ста-
нут неподвижны относительно друг друга, при взаимодействии полей
возникнет электромагнитный момент, пропорциональный ЭДС, создаваемой полем возбуждения в обмотке статора, и току в обмотке
статора (якоря). Физически момент обеспечивается притяжением полюсов якоря и индуктора (статора и ротора).
4. В синхронном двигателе поле возбуждения необходимо перемещать относительно
неподвижных контуров статора (обмоток) или
обеспечить перемещение контуров (проводников, обмоток) в магнитном поле возбуждения. Тогда в обмотке статора наводится ЭДС с ча-
стотой
np
12
. Магнитное поле вращается с частотой
1
1
.
np
2
p
– частоты вращения ротора и магнитного поля равны, дви-
n
2
гатель – синхронный.
3.2.2. РАБОТА СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Двигатель работает с сетью большой мощности, поэтому активную
потребляемую мощность синхронных двигателей определяет механический момент нагрузки. Следовательно, активная составляющая тока
в обмотке статора (якоря) зависит от механической мощности и только
ею регулируется. Реактивная мощность и ее характер изменяются регулированием тока возбуждения. При этом активная мощность (активный ток) не
изменяется. Если сеть сохраняет величину напряжения и
41
частоту (U и f const) неизменными, то зависимость тока якоря
тока возбуждения
представляется U-образной характеристикой.
I
в
от
I
1
Характеристика определяется при постоянной электромагнитной мощности
эм
ct()onsР
. По U-образным характеристикам, определенным
при разных электромагнитных мощностях, получают зависимость тока
возбуждения
от тока якоря
I
в
в 1
, которую называют регули-
()IfI
ровочной характеристикой.
Величина ЭДС, наводимая в обмотке якоря (статора), зависит от
частоты вращения индуктора (ротора)
и максимальной величины
n
2
магнитного потока индуктора (от тока возбуждения). Мгновенное значение ЭДС всегда равно e = – dψ/dt. Действующее значение ЭДС в фазе обмотки при перемещении индуктора как в синхронном двигателе,
так и в синхронном генераторе, будет
4, 44 Ф
Е fW
вэф
,
m
где коэффициент, приводящий мгновенное (максимальное) значение
ЭДС к действующему значению, равен
стота ЭДС, созданная вращающимся полем индуктора;
тивное число витков обмотки статора;
4, 44 2;
Ф
– максимальное значение
m
f рn
в 2
– эффек-
W
эф
– ча-
магнитного потока, сцепленного с фазой обмотки.
В синхронном двигателе основное взаимодействие связано с магнитным полем возбуждения и полем реакции якоря. Поле реакции якоря создается током обмотки статора, взаимодействует с магнитным
полем возбуждения, в результате чего образуется результирующее
магнитное поле синхронного двигателя. Кроме того, существуют поля
рассеяния
обмотки статора. Действия магнитных полей учитывают с
помощью индуктивных сопротивлений.
Синхронные двигатели обычно неявнополюсной конструкции, что
позволяет учитывать взаимодействие полей с помощью синхронного
индуктивного сопротивления
Х . Пространственная ориентация
син
магнитных полей связана с линиями симметрии индуктора. Соответственно поле возбуждения с осью полюса – продольной осью d, а поле
реакции якоря с линией симметрии между полюсами – поперечной
осью q.
Такая ориентация магнитных полей позволяет установить угол
между осями магнитных полей возбуждения и результирующего маг-
42
нитного поля. Этот угол зависит от нагрузки двигателя и назван углом
E
нагрузки θ. Электромагнитная мощность может быть представлена как
функция угла нагрузки θ:
sin /Р mU E Х
эм 1 вс
,
где
– напряжение сети;
U
1
– ЭДС, созданная потоком возбуждения.
в
Влияние изменения нагрузки и магнитного поля возбуждения на
процессы в синхронном двигателе наглядно показывают векторные
диаграммы и графики зависимостей тока обмотки статора (тока якоря)
от тока возбуждения
I
1
, при постоянной нагрузке.
I
в
Двигатель работает с источником большой мощности, напряжение U которого неизменно и изображено на векторной диаграмме вектором, совпадающим с осью ординат. Величина нагрузки задается активной составляющей тока якоря на уровне линии cd, параллельной
оси абсцисс. Ток обмотки якоря создает магнитное поле реакции якоря, которое
наводит в обмотке статора ЭДС –
.
Е
а
Магнитное поле реакции якоря, взаимодействуя с полем возбуждения, образует результирующее магнитное поле, которое наводит в обмотке статора ЭДС –
Е .
0
Векторная диаграмма U-образные характеристики
43
Проекция ЭДС
х
s
х
s
х
s
Х
Е на ось абсцисс равна 0sin ,
0
нагрузке ограничивается линией ab. Геометрическая сумма ЭДС
с учетом падения напряжения на индуктивном сопротивлении об-
Е
а
Е при данной
и
Е
0
мотки якоря равна напряжению сети. В синхронных двигателях ЭДС в
обмотке статора представляют как падение напряжения на индуктивных сопротивлениях реакции якоря
и рассеяния
а
. Сумму индук-
тивного сопротивления реакции якоря с индуктивным сопротивлением
рассеяния
противлением
обмотки якоря называют синхронным индуктивным со-
()
x х .
син a
Такое представление позволяет записать для цепи статора уравнение в виде
U Е I . Векторная диаграмма построена в соот-
1
jХ
0 син 1
ветствии с данным уравнением при различных токах возбуждения,
определяющих характер цепи статора.
Влияние изменения магнитного поля возбуждения на величину реактивного тока якоря определяется видом U-образных характеристик.
Зависимость определяется при неизменной частоте и неизменном
напряжении сети и показывает соотношение магнитных полей обмотки
якоря (статора)
сети
и напряжения на зажимах синхронного двигателя, созданного
U
с
собственными полями (
Напряжение на зажимах синхронного двигателя (
и возбуждения для обеспечения равенства напряжения
).
U
1
) определяется
U
1
как векторная сумма ЭДС, созданных полем возбуждения и полями
реакции якоря и вектором падения напряжения на собственном (активно-индуктивном) сопротивлении обмотки якоря.
Когда
1 с
возбуждения
или говорят ток возбуждения нормальный
ря (
I ) минимален, так как имеет только активную составляющую, а
1
, магнитное поле возбуждения нормально, т. е. ток
UU
достаточен для обеспечения равенства напряжений,
I
в
I
в. норм
. При этом ток яко-
коэффициент мощности равен единице. При уменьшении тока возбуждения магнитное поле возбуждения не может обеспечить равенства
напряжений, т. е.
тивная составляющая
UU, и, следовательно, в токе 1I появляется реак-
1 с
, которая создает дополнительное магнитное
I
р
поле, усиливающее поле возбуждения. При увеличении тока возбуждения поле возбуждения становится избыточным, т. е.
44
1 с
, и, сле-
UU
довательно, в токе
появляется составляющая
I
1
, которая создает
I
р
дополнительное магнитное поле, уменьшающее поле возбуждения.
В результате:
1)
1 с
, ток возбуждения
UU
I
в. норм
– нормальный, СД нор-
мально возбужден, ток якоря чисто активный, cos φ = 1, СД потребляет
из сети только активную мощность;
токе
UU, ток возбуждения
2)
1 с
появляется составляющая
I
1
II
вв. норм
, которая создает дополнительное
I
р
, СД недовозбужден, в
магнитное поле, усиливающее поле возбуждения, cos φ < 1, СД потребляет из сети активную и реактивную мощность;
токе
3)
1 с
появляется составляющая
I
1
, ток возбуждения
UU
II
вв. норм
, которая создает дополнительное
I
р
, СД перевозбужден, в
магнитное поле, ослабляющее поле возбуждения, cos φ < 1, СД потребляет из сети активную и отдает в сеть реактивную мощность;
максимальная, или предельная, мощность синхронного двигате-
4)
ля зависит от приложенного к обмотке статора напряжения (сети) и от
ЭДС, созданной в обмотке магнитным полем возбуждения.
3.2.3. ЭНЕРГЕТИКА СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Потребляемая из сети активная электрическая мощность
111
cos ,Р mI U
где φ угол между фазным напряжением и фазным током. Потери в
обмотке и стали статора определяются аналогично индукционным
двигателям. Следовательно, электромагнитная мощность равна
эм 1 м1 ст
–( )РРрр
. Часть этой мощности
расходуется на воз-
р
в
буждение машины статическими системами возбуждения, а также рассеивается в виде электрических потерь
ных потерь
в магнитопроводе якоря. Подробнее показано в энер-
р
ст
в обмотке якоря и магнит-
р
м1
гетической диаграмме.
Электромагнитная мощность передается через зазор вращающимся
магнитным полем на ротор в виде полной механической мощности.
Естественно, что полная механическая мощность равна электромагнитной мощности:
РР
мх эм
. Из этой мощности компенсируются
45
механические
р
Р
р
Р
Р
М
f
и добавочные
р
мех
потери мощности в роторе и
д
формируется полезная механическая мощность:
.
P
2
р
р
мех
д
– уравнение момен-
P
1
рв
Энергетическая диаграмма синхронного двигателя
Так как
/( )/Ррр , или
2 дмех
РР М , то справедливо соотношение эмМ
мх эм эм
РРрр
мх 2 дмех
δ
Pэм = Pмх
р
р
м1
ст
МММ
эм 2 стат
тов.
Полезная механическая мощность на валу двигателя:
–( )Р P рр
2 мх д мех
или, подставив выражение электромагнитной мощности,
,
где
Рр
21
рр р р р полные потери мощности в дви-
вм1 ст мех д
гателе.
Коэффициент полезного действия
/(– )/1–/
РР рР рР
21 1 1 1
3.2.4. РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
.
Рабочими характеристиками двигателя называют зависимости потребляемой мощности
лу
частоты вращения ротора n, коэффициента мощности сos φ и
,
2
КПД η от полезной мощности на валу
буждения
, напряжении
I
в
, тока якоря I, полезного момента на ва-
1
при постоянных токе воз-
Р
2
и частоте
U
с
46
сети.
с
Частота вращения ротора неизменна при нагрузке двигателя до
М
Р
I
M
Р
I
I
M
I
M
f
М
предела статической устойчивости, и зависимость
()nfP
2
представ-
ляет собой прямую, параллельную оси абсцисс.
Полезный момент на валу:
//2
РРn
22 2
,
при ω = π, n = const полезный момент линейно зависит от мощности
.
2
Электромагнитный момент с учетом потерь на возбуждение, отнесенных к ротору:
где
эм 2 дмех в
М
стат
/( )/МР рр р , или
– момент холостого хода.
η, cosφ
1
МММ
эм 2 стат
n
,
n1
1,0
Р
1
M
2н
хх
р
Рабочие характеристики двигателя
cosφ
н
н
η
max
M
х
хх
х
k
0
Зmax
2
1,0
P
η
P
1
эм
k
З
Р
2
2н
Если принять добавочные потери
терь на возбуждение
стого хода постоянен
()
P повторяет график полезного момента
2
на величину
М
стат
и механических потерь
р
в
. Электромагнитный момент
constМ
стат
.
и учесть постоянство по-
0р
l
, то момент холо-
р
мех
, смещенный вверх
2
M
эм
47
В режиме холостого хода потребляемая двигателем из сети актив-
Ė
F
F
F
F
Р
Р
ная мощность
электрические потери в обмотке якоря
ствие малого тока холостого хода
Р практически равна постоянным потерямххр , так как
1
2
р I
м1
.
I
хх
незначительны вслед-
Ток возбуждения отрегулирован так, что в режиме холостого хода
ток
ных
лы (намагничивающие) результирующего магнитного поля
возбуждения
активный и коэффициент мощности сos φ = 1,0. При неизмен-
I
хх
,UI и допущениях, что
св
неизменны.
в
––()
UU
0 с
, магнитодвижущие си-
0
и поля
С увеличением нагрузки растет угол θ и МДС якоря изменяются по
величине и фазе (см. рисунок), так как конец вектора
ся по дуге окружности радиусом
рачивается вслед за вектором
= const. Вектор тока якоря I пово-
в
. Угол φ увеличивается с нагрузкой
F
aв
перемещает-
aв
двигателя, а коэффициент мощности уменьшается. Ток якоря отстает
от напряжения сети, и двигатель работает с отстающим сos φ, потребляя из сети реактивную мощность. Если ток возбуждения отрегулировать так, что сos φ = 1,0 при номинальной нагрузке
()РР
22н
, то при
уменьшении нагрузки угол θ уменьшается. При уменьшении угла θ
векторы МДС
и тока якоря I поворачиваются против часовой
F
aв
стрелки (см. рисунок). Угол φ увеличивается при уменьшении нагрузки двигателя, а коэффициент мощности уменьшается. Ток якоря опережает напряжение сети, и двигатель работает с опережающим сos φ,
отдавая в сеть реактивную мощность. Из-за реактивной составляющей
ток холостого хода будет больше, чем в предыдущем случае (сos
= 1,0 при
). В общем случае характер изменения коэффициента
0Р
2
φ =
мощности зависит от возбуждения двигателя.
С увеличением
потребляемая активная мощность
Р
2
растет практически линейно. В дальнейшем зависимость
сначала
Р
1
()Р f Р
12
отклоняется от линейной вследствие более быстрого по сравнению с
Р роста электрических потерь в обмотке якоря, пропорциональ-
2
2
I или
ных
Ток якоря I при малых θ и φ практически линейно зависит от
Ток I возрастет в большей степени, чем Р
2
.
2
2
, вследствие нелинейной
2
.
48
зависимости
fP
()Р f Р и увеличения реактивной составляющей тока
12
в случае работы с сos φ = 1,0 при
U
с
Φ
н
Р
= 0.
2
3
θ1 = θ
θ
İ
н
F0
хх
2
Fв
θ
3
–
F
ав
1
2
1
İ
хх
2
Fн = const
Зависимость
3
Рисунок к объяснению рабочих
характеристик двигателя
такая же, как и в генераторном режиме.
()
2
Синхронные двигатели проектируют так, чтобы КПД достигал максимума
при значениях коэффициента загрузки
max
k
Зmax
= 0,6…1,0.
Общий вывод. Электромагнитный момент синхронных двигателей
практически линейно зависит от напряжения сети. Поэтому они менее
чувствительны (более устойчивы) к снижению напряжения сети, чем
асинхронные, электромагнитный момент которых пропорционален
квадрату напряжения. Кроме того, статическую устойчивость двигателя при значительном снижении напряжения можно кратковременно
повысить увеличением тока возбуждения. Направление реактивной
мощности в синхронном двигателе
определяется током возбуждения.
Физические процессы, связанные только с изменением тока возбуждения, одинаковы в двигателях и генераторах [3, 6, 10, 15].
49
3.3. ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
М
я
М
Е
Принцип обратимости электрических машин просто усвоить на
примере машины постоянного тока. В исходном состоянии машина
постоянного тока включена в сеть с постоянным напряжением U.
В генераторном режиме ЭДС машины больше напряжения сети
(E > U), ток якоря поступает в сеть. На валу машины действует электромагнитный момент
нического момента
М
, направленный против вращающего меха-
эм
. При снижении тока возбуждения
мх
умень-
I
в
шается поток Ф и ЭДС машины Е, а следовательно, и ток в якоре. При
значении ЭДС Е = U ток генератора и электромагнитный момент обратятся в нуль. При дальнейшем понижении ЭДС машины вновь появится разность величин Е и U, и, так как E < U, то с противоположным
знаком. В этом
случае ток якоря
машину. Поскольку направление тока
изменит направление – из сети в
I
в обмотке возбуждения и по-
I
в
лярность основных полюсов останутся прежними, то изменится знак
электромагнитного момента
. Электромагнитный момент стано-
эм
вится вращающим, преодолевая механический момент сопротивления
на валу
и преобразовывая подводимую к МПТ электрическую
М
мх
мощность в механическую. Но при этом якорь продолжает вращаться в
прежнем направлении. Таким же образом поведет себя машина, если
оставляя ток возбуждения неизменным, уменьшать частоту вращения
якоря. Отсоединив первичный двигатель, получим нормальную схему
двигателя параллельного возбуждения. Обратными действиями можно
также плавно перевести машину из
двигательного режима в генера-
торный режим.
3.3.1. ПРИНЦИП РАБОТЫ
Поле возбуждения создается постоянным током (или магнитами) и
всегда неподвижно относительно индуктора (статора). При перемещении якоря (проводников, обмоток) в магнитном поле возбуждения
наводится ЭДС в обмотке якоря, электрически соединенной с коллектором. Электродвижущая сила в обмотке якоря пропорциональна частоте вращения якоря и магнитному потоку полюсного деления при
постоянстве параметров
обмотки якоря:
/ Ф
раNn
50
,
2
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]