4.7.3. Регулирование тока возбуждения синхронного двигателя

Регулирование тока возбуждения двигателя при работе в синхронном режиме осуществляется, как правило, САР возбуждения. САР возбуждения выполняет две основные функции. Первая - обеспечение устойчивой работы в синхронном режиме. При набросах нагрузки или при снижении величины питающего напряжения САР возбуждения форсирует (увеличивает) ток возбуждения, благодаря чему увеличивается максимальный момент двигателя в синхронном режиме (см.рис.4.26). Вторая – осуществление автоматического регулирования величины реактивной мощности, циркулирующей в статорной цепи двигателя.

Важным достоинством синхронных двигателей является возможность регулирования величины реактивной мощности, циркулирующей в цепи статора, в том числе возможность, работая двигателем, т.е. потребляя активную мощность, одновременно генерировать реактивную мощность, т.е. работать компенсатором реактивной мощности, потребляемой другими параллельно работающими приемниками электрической энергии, прежде всего асинхронными двигателями.

Применение на предприятиях синхронных двигателей, наряду с асинхронными, позволяет уменьшить реактивную мощность, потребляемую предприятием в целом, и поддерживать нормативное значение в энергосистеме данного предприятия.

Возможность регулирования реактивной мощности в цепи статора двигателя путем изменения тока его возбуждения иллюстрируется векторными диаграммами на рис.4.28.

Рис.4.28. Векторные диаграммы синхронного двигателя при разных токах возбуждения и одинаковой нагрузке на валу

В

Рис.4.29. U-образные характеристики синхронного двигателя

екторная диаграмма (а) соответствует току возбуждения меньше номинального; при этом вектор тока статораотстает от вектора напряжения сетина угол, т.е. двигатель работает с отстающими(реактивная мощность «потребляется»). При увеличении тока возбуждения э.д.с.Е₁, наводимая в обмотках статора, увеличивается и может достигнуть такого значения, при котором ток статора будет совпадать по фазе с напряжением, т.е.(см.рис.4.28б). Момент на валу двигателя при этом будет такой же, как и в предыдущем случае, но реактивная мощность будет равна нулю. Очевидно (это следует из формулы (4.41) ток статораI₁ при данном моменте нагрузки будет минимальным. Этот режим является энергетически наиболее выгодным для синхронного двигателя, т.к. потери в статоре будут минимальны.

Если еще больше увеличить ток возбуждения, то ток статора будет опережать по фазе напряжение ,станет опережающим, и синхронный двигатель будет генерировать реактивную мощность (см. рис. 4.28в). Зависимость тока статора от тока возбуждения синхронного двигателя отражаетсяU-образными характеристиками синхронного двигателя, представленными на рис.4.29.

4.8. Асинхронный двигатель, как динамический объект

Динамические свойства асинхронного двигателя следует рассматривать для двух случаев.

Первый – когда двигатель работает на рабочей части механической характеристики с малыми скольжениями при постоянном потоке статора, и переходные режимы связаны, прежде всего, с изменениями нагрузки на валу двигателя. Второй случай – когда изменяется во времени поток двигателя; этот случай характерен для условий пуска при подаче напряжения на обмотки статора.

Рассмотрим первый случай. Формулу Клосса (4.30) для этого случая можно упростить, поскольку при малых скольжениях членом s/s_К в знаменателе можно пренебречь и, считая рабочую часть механической характеристики в пределах скольжений от 0 до s_К линейной, получим

(4.47)

где - жесткость линеаризированной рабочей части механической характеристики асинхронного двигателя.

При малых скольжениях ток ротора можно приближенно считать активным, поэтому момент двигателя пропорционален току. При приложении нагрузки к валу двигателя скольжение увеличивается, увеличивается э.д.с. ротора и возрастает ток ротора. Однако из-за значительной индуктивности обмоток двигателя нарастание тока протекает во времени примерно по экспоненциальному закону с постоянной времени , где.

Поскольку момент пропорционален току I₂, то по аналогии с (3.9)

. (4.48)

Исходя из выражений (4.47), (4.48) и уравнения движения, можно составить структурную схему асинхронного двигателя при постоянной величине электромагнитного потока статора (рис.4.30).

Из этой схемы следует, что при приложе-нии нагрузки к валу двигателя, его скорость будет изме-няться в соот-ветствии с передаточной функцией.

, (4.50)

где - электромеханическая постоянная времени. Это выражение полностью соответствует формуле (3.14).

При приложении нагрузки к валу двигателя его скорость уменьшится, возрастет скольжение, и, следовательно, э.д.с. ротора , благодаря чему увеличатся токи ротора и статора.

Как уже указывалось в §3.4, характер переходного процесса зависит от соотношения постоянных времени: электромеханической Т_М и электромагнитной Т_Э. Если Т_М>4Т_Э, то корни характеристического уравнения будут действительными и переходный процесс будет носить характер, близкий апериодическому (см.рис.3.11). Если корни характеристического уравнения будут комплексно сопряженными с отрицательной действительной частью, что будет иметь место при Т_М<4Т_Э, то характер изменения скорости при скачкообразном приложении нагрузки будет колебательным с затуханием, как показано на рис.3.11.

Переходные процессы, происходящие в асин-хронном двигателе при его включении в сеть и разгоне до рабочей ско-рости, связаны со слож-ными электромагнитны-ми процессами, происходящим в двигателе и связанными с формирова-нием электромагнитного поля, вращающегося в пространстве со скорос-тью ω₀.

Рис.4.31. Переходные характеристики момента и угловой скорости асинхронного двигателя при пуске: а) без учета электромагнитных переходных процессов, б) с учетом

Асинхронный двигатель содержит трехфазную систему магнитосвязан-ных обмоток статора и ротора. При подключе-нии статора к питающей сети в обмотках из-за наличия индуктивностей и взаимоиндуктивностей возникают переходные токи, содержащие принужденные и свободные составляющие. Эти токи создают принужденные и свободные составляющие магнитных потоков статора и ротора, которые, взаимодействуя друг с другом, создают электромагнитный момент, изменяющийся в функции времени и скольжения по сложным законам. Поля, образуемые свободными токами, могут усиливать или ослаблять поле, образуемое принужденными (т.е.установившимися) значениями поля, вызывая колебательность переходного значения электромагнитного момента.

Максимальное значение переходного момента может в несколько раз превышать пусковой момент двигателя, а в начале разгона переходный момент может иметь и отрицательные значения. На рис.4.31 показано сравнение переходных характеристик ω=f(t) и M=f(t) асинхронного короткозамкнутого двигателя при пуске вхолостую. Характеристики, показанные на графике рис.4.31а построены без учета электромагнитных переходных процессов, здесь кривая момента соответствует механической характеристике двигателя. На рис.4.31б представлены переходные характеристики, построенные с учетом переходных электромагнитных процессов, связанных с формированием вращающегося электромагнитного поля статора и токов ротора в процессе включения обмоток статора в сеть и разгона до установившейся скорости (в данном случае до ω₀). Из рассмотрения характеристики M=f(t) видно, что величина момента колеблется относительно значений момента, определенных по механической характеристике двигателя. Ввиду значительной сложности анализа рассматриваемых процессов для более подробного изучения читателям следует обратиться к дополнительной литературе [1-3].