3.3. Электромеханические характеристики синхронных электродвигателей

3.3.1. Принцип работы синхронного двигателя

Для нерегулируемых электроприводов большой мощности (свыше 160 кВт) широко применяются синхронные электродвигатели с электромагнитным возбуждением. Схема включения такого двигателя показана на рис.3.23.

Конструкция статора синхронного двигателя аналогична конструкции статора асинхронного двигателя. Токи, протекающие по трехфазной обмотке статора, создают намагничивающие силы, результирующий вектор которых образует вращающееся в пространстве электромагнитное поле статора . Скорость вращения поля статора равна согласно (3.1)

и является рабочей скоростью синхронного двигателя.

На роторе синхронного двигателя расположена обмотка возбуждения, которая питается постоянным током от независимого регулируемого источника напряжения – возбудителя. Ток возбуждения создает электромагнитное поле , неподвижное относительно ротора и вращающееся в установившемся режиме вместе с ротором со скоростью. Магнитные силовые линии поля ротора сцепляются с вращающимся синхронно с ним электромагнитным полем статора. Взаимодействие полей статора и ротора создает электромагнитный момент на валу синхронной машины.

. (3.36)

При отсутствии нагрузки векторы поля статора и поля роторасовпадают в пространстве (см. рис.3.24,а) и совместно вращаются со скоростью. При появлении на валу двигателя момента сопротивления векторыирасходятся (как бы растягиваются подобно пружине) на угол, называемый углом нагрузки, причем, если векторотстает от вектора(см. рис. 3.24,б), то синхронная машина работает в двигательном режиме и электромагнитный момент на ее валу положителен. Если синхронная машина работает генератором, приводимым во вращение первичным двигателем, то вектор поля ротора опережает вектор поля статора на угол (-) и электромагнитный момент на валу машины отрицателен. Изменению нагрузки на валу машины соответствует изменение угла. Образно это соответствует растяжению-сжатию пружины. Максимальный моментМ_макс будет иметь место при . Если нагрузка на валу машины будет большеМ_макс, то синхронный режим нарушается и машина выпадает из синхронизма.

Механическая характеристика синхронной машины представляют собой прямую, параллельную оси абсцисс и ограниченную значениями момента (рис.3.25). Жесткость механической характеристики равна бесконечности.

Поскольку ротор двигателя вращается с синхронной скоростью и скольжение отсутствует, то вся мощность электромагнитного поля статора Р_эм преобразуется в механическую мощность на валу синхронного двигателя. Если пренебречь потерями в статоре, то , откуда

. (3.37)

Рассмотрим векторную диаграмму неявнополюсной синхронной машины (рис. 3.26). Двигатель с неявнополюсным ротором имеет симметричную в магнитном отношении конструкцию. Пренебрегая активным сопротивлением статора, получим .

Здесь Е₁ – э.д.с., наводимая в обмотках статора вращающимся вместе с ротором полем Ф₀.

Из векторной диаграммы следует:

или

.

Подставляя эти значения в (3.37), получим выражение для угловой характеристики неявнополюсной синхронной машины

. (3.38)

Из этого выражения и соответствующей ему угловой характеристики (рис.3.27) следует, что по мере нагружения синхронной машины угол нагрузки увеличивается и момент достигает максимума при . Учитывая пропорциональность между э.д.с.Е₁ и магнитным потоком Ф₀, т.е. током возбуждения I_в (Е₁=к_вI_в), получим, что максимальный момент синхронной машины будет равен

, (3.39)

т.е. максимальный момент синхронного двигателя (в отличие от асинхронного) зависит от величины питающего напряжения в первой степени и в определенных пределах (когда не сказывается насыщение магнитной цепи) пропорционален величине тока возбуждения. Исходя из соотношения (3.39), в большинстве схем автоматического регулирования возбуждения синхронных двигателей для сохранения постоянной перегрузочной способности двигателя предусматривается автоматическое увеличение тока возбуждения при приложении ударной нагрузки или снижении величины питающего напряжения.

Для синхронного двигателя явнополюсной конструкции, который имеет несимметричную магнитную цепь, кроме момента, вызванного полем ротора, возникает реактивный момент, определяемый стремлением ротора занять такое положение, при котором магнитная проницаемость для пути потока статора была бы максимальной. Угловая характеристика (см. рис.3.27,б) для такого двигателя описывается уравнением:

,

где: х_d и x_q – индуктивное сопротивление по продольной и поперечной осям.