5.3. Расчеты и построения

1) Рассчитать коэффициент пропорциональности С по выражению (5.1) и момент, создаваемый в эксперименте нагрузочной машиной (М_ДПТ), – по формуле (5.1).

. (5.1)

2) Рассчитать значения момента потерь M_пот для различных значений частоты вращения ротора асинхронной машины для первого квадранта механической характеристики:

. (5.2)

где M_пот.0 и M_пот.х – значения моментов потерь определенных в работе «Исследование механических характеристик асинхронной машины», Н·м.

3) Зная момент, создаваемый нагрузочной машиной (М_ДПТ) и момент потерь (М_пот) можно рассчитать электромагнитный момент двигателя:

. (5.3)

4) Построить на одном рисунке четыре механические характеристики в режиме динамического торможения n = f (М_АД) (см. рис. 5.3).

5) Проверить выполнение соотношения:

. (5.4)

где M_мах.1 и M_мах.2 – максимальные моменты, определенные по зависимостям n = f (М_АД) для различных значений постоянных напряжений U₁₍₁₎ и U₁₍₂₎ (см. п.4, г), Н·м.

6) Проанализировать зависимости n = f (М_АД) и сделать вывод.

5.4. Контрольные вопросы

1) Перечислить преимущества и недостатки различных способов торможения асинхронного двигателя.

2) Каким образом создается неподвижное магнитное поле, в котором вращается ротор асинхронной машины в режиме динамического торможения?

3) Каким образом создается тормозной электромагнитный момент асинхронной машины в режиме динамического торможения?

4) Как влияет сопротивление в цепи ротора асинхронной машины на механические характеристики в режиме динамического торможения?

Исследование механических характеристик синхронного двигателя

Ц е л ь  р а б о т ы: изучить способы пуска синхронного двигателя, построить его механические характеристики, экспериментально определить границу устойчивой работы синхронного двигателя [3, с. 571, 572; 4, с. 201 – 206; 6, с. 32, 33].

4.1. Краткие теоретические сведения

Синхронные двигатели (СД) работают с постоянной частотой вращения ротора, обычно они применяются для приводов, не требующих регулирования частоты вращения (мощные насосы, компрессоры, камнедробилки и др.). При мощности двигателя выше 200 кВт целесообразно применять синхронные двигатели вместо асинхронных [Вольдек АИ].

Синхронные двигатели имеют ряд преимуществ перед асинхронными:

1) СД позволяет регулировать величину реактивной мощности, он может работать с cos φ = 1 или потреблять (генерировать) реактивную мощность;

2) максимальный момент СД пропорционален действующему значению напряжения питающей сети, поэтому при понижении напряжения двигатель сохраняет большую перегрузочную способность;

3) КПД у СД выше, чем асинхронных одинаковой мощности;

4) СД имеет абсолютно жесткую механическую характеристику.

К недостаткам синхронных двигателей относятся: более сложная конструкция и, следовательно, большая стоимость (в сравнении с асинхронными); необходимость использования источника постоянного тока для питания обмотки возбуждения; пуск синхронных двигателей сложнее.

Частота вращения ротора синхронного двигателя n2 при работе в установившемся режиме остается неизменной и равной частоте вращения магнитного поля (синхронной частоте) n1:

. (4.1)

где f₁ – частота напряжения (тока) питающей сети, Гц;

p – число пар полюсов обмотки статора электрической машины.

Механическая характеристика СМ имеет вид прямой линии, параллельной оси абсцисс (рис. 4.1). Если момент нагрузки превышает максимальное значение, то машина выпадает из синхронизма (n2 ≠ n1), что является для нее аварийным режимом работы.

Существуют следующие способы пуска синхронных двигателей:

1) синхронизация СМ и сети (сложный и дорогой способ, т.к. необходим вспомогательный двигатель, применяется только в специальных случаях);

2) частотный метод пуска (необходим регулируемsq источник переменной частоты, который плавно увеличивают частоту питающего напряжения, СД при малых частотах втягивается в синхронизм и разгоняется с ростом частоты);

3) асинхронный метод пуска СД (наиболее распространенный в промышленности способ). СД запускается как АД, после достижения частоты вращения ротора близкой к синхронной подается питание в цепь возбуждения и двигатель втягивается в синхронизм. Возможны два варианта асинхронного пуска:

3.1)со специальной пусковой короткозамкнутой обмоткой в полюсных наконечниках ротора;

3.2) если пусковая обмотка отсутствует, допустимо запускать двигатель, предварительно замкнув обмотку возбуждения на пусковое сопротивление Rп = (4÷6)r_f, где r_f – сопротивление обмотки возбуждения, Ом. В этом случае обмотка возбуждения является пусковой.

Для изменения производительности механизма необходимо регулировать частоту вращения ротора синхронного двигателя. На практике применяется частотное регулирование (4.1), т.к. при изменении числа пар полюсов необходимо изменять их количество на статоре и роторе, что значительно усложняет конструкцию ротора.

Для торможения СД обычно применяется динамическое торможение, при котором обмотка статора отключаются от сети и замыкаются на резисторы. Обмотка возбуждение также получает питание от источника постоянного тока. Механические характеристики в этом случае подобны характеристикам асинхронного двигателя при динамическом торможении (см. рис. ).

Для торможения режим генератора (см. рис. 4.1) практического значения не имеет, т.к. при этом нельзя получить снижение частоты. Торможение СД противовключением практически не применяется, т.к. при этом возникают значительные токи и необходимо усложнение схемы управления.

В теории синхронных машин важное значение имеет угол нагрузки Θ, который соответствует пространственному углу сдвига между осью результирующего поля машины и осью полюсов. В двигательном режиме угол нагрузки имеет отрицательное значение, работа неявнополюсного двигателя устойчива при -90° < Θ < 0. Если при увеличении механической нагрузки на валу СД угол нагрузки станет меньше критического Θ < -90°, то двигатель выпадет из синхронизма. Подробнее теоретические сведения о работе СД рассмотрены в [1,6].