13.6. Работа синхронной машины в режиме двигателя

Синхронная машина обратима, и конструкция синхронного двигателя принципиально не отличается от конструкции синхронного генератора. В двигательном режиме синхронная машина потребляет энергию из сети и преобразует ее в механическую энергию за счет возникающего движущего момента.

Если к валу ротора синхронного генератора, работающего парал­лельно с сетью, приложить тормозной момент, то машина начнет потреблять из сети активную мощность, в результате чего возникнет электромагнитный момент, направленный в сторону вращения, т. е. машина автоматически перейдет в двигательный режим, причем частота вращения ротора остается неизменной (здесьp — число полюсов).

В двигательном режиме токи, поступающие из сети к обмотке якоря (статора), образуют в нем вращающееся магнитное поле, которое полюсами притягивает соответственно разноименные полюсы ротора, вследствие чего частота вращения полюсной системы (ротор) совпадает с частотой поля статора. Работу синхронного двигателя образно можно представить в виде следующей механической аналогии: полюсы ротора связаны с вращающимися полюсами поля статора как бы упругими нитями (линиями магнитного поля), создающими необходимое натяжение, которые с увеличением нагрузки могут растягиваться не обрываясь. Если же эти «нити» при перегрузке машины обрываются, то двигатель выпадает из синхронизма и имеет место аварийный режим.

Для двигательного режима в формуле (13.26) угол θ < 0, а это означает, что у синхронного двигателя в отличие от генератора полюсы ротора отстают от полюсов вращающегося поля статора, т. е. послед­нее «ведет» за собой ротор (рис. 13.18, в).

Согласно (13.26), синхронный двигатель может работать при усло­вии, если момент нагрузки не превышает максимального момента M_max, который может развить двигатель. Если же момент нагрузки больше максимального момента двигателя, то невозможно поддержи­вать синхронной частоту вращения ротора и двигатель выпадает из синхронизма. Практически синхронный двигатель работает, когда момент нагрузки меньше М_max, т. е. при угле нагрузки θ < π/2. Обычно номи­нальный момент двигателя М_ном не превышает 0,5М_max и соответствен­но при номинальной нагрузке θ ≈ 20 ÷ 30°. При больших θ могут возникнуть качания ротора, т. е. ситуация, при которой положение ротора относительно поля статора периодически меняется, что сопро­вождается изменением θ.

Векторные диаграммы синхронного двигателя. В зависимости от конструкции ротора рассматривают векторные диаграммы явнополюсной или неявнополюсной машины. Векторные диаграммы синхронного двигателя аналогичны векторным диаграммам генератора, поэтому согласно (13.18) можно построить векторную диаграмму для неявно-полюсного двигателя, подставив вместо напряжения генератора U напряжение сети U_с:

(13.32)

На рис. 13.19, а показана векторная диаграмма для недовозбужден-ной (E₀<U_C), а на рис. 13.19,6 —перевозбужденной (Е₀ > U_c) машин. На векторных диаграммах учтено, что в двигательном режиме для синхронной машины θ < 0. Построение векторных диаграмм следует начинать с изображения векторов U_c и -U_c, затем строят вектор тока I, активная составляющая которого совпадает с направлением U_c, и вектор E₀.

Из векторных диаграмм видно, что для перевозбужденной машины ток I является опережающим по отношению к напряжению сети, а для недовозбужденной — отстающим. Для выполнения механической работы режим возбуждения двигателя не имеет значения, так как при недо-возбуждении или перевозбуждении двигатель одинаково обеспечивает необходимый вращающий момент. Однако с энергетической точки зрения режим возбуждения имеет важное практическое значение. Так как синхронные двигатели обычно подключаются к сети, от которой питаются и другие потребители (основную часть из которых составляют асинхронные двигатели, потребляющие ток, отстающий по фазе от напряжения сети), то способность синхронных двигателей работать с опережающими токами ведет к повышению коэффициента мощности (cosφ) энергетических систем. Весьма целесообразно для повышения cosφ на промышленных предприятиях использовать синхронные дви­гатели, так как при достаточном токе возбуждения для питающей сети они являются активно-емкостной нагрузкой. В связи с этим промышленностью выпускаются синхронные двигатели, рассчитанные на работу с cosφ = 0,8 при опережающем токе.

Рассмотрим работу синхронного двигателя при изменении активной нагрузки (нагрузочного, или тормозного, момента М_т) и постоянном токе возбуждения, для чего воспользуемся векторной диаграммой неявнополюсного двигателя (рис. 13.20). С изменением нагрузки меняется угол θ между векторами E₀ и -U_c, так как, согласно (13.26), вращающий момент М = М_т пропорционален sinθ. При этом с измене­нием нагрузки конец вектора E₀, перемещается по окружности радиусом, равным Е₀, так как при I_в = const и U_с = const э. д. с. Е₀ постоянна Одновременно с вектором E₀ поворачивается вокруг точки О вектор тока якоря I, располагаясь при этом перпендикулярно вектору -jIX_сн. Так как с увеличением нагрузки θ растет, а с уменьшением нагрузки θ уменьшается, то при определенном значении нагрузки двигатель будет работать при cos φ = 1. Если нагрузку на двигатель уменьшить по сравнению с той, при которой он имеет cosφ = l, то θ уменьшится и ток двигателя I будет иметь опережающую реактивную (емкост­ную) составляющую (в нашем случае ток I₂). Следовательно, с из­менением активной мощности синхронного двигателя меняется cos φ.

Если изменять ток возбуждения синхронного двигателя при по­стоянной активной мощности, то будет меняться его cosφ, т. е. реактивная мощность. На рис. 13.21 приведена векторная диаграмма двигателя для данного случая, т. е. когда М = М_т = const. Так как при этом активная мощность является неизменной, то можно записать

При постоянном напряжении на двигателе справедливы условия E₀sinθ = const, Icosφ = const. Эти условия показывают, что геометри­ческое место концов векторов E₀ и I при изменении тока возбужде­ния есть прямые (рис. 13.21, прямая АВ — для векторов Е₀, прямая CD — для концов векторов I). Трем векторам диаграммы I, изображен­ным на рис. 13.21, соответствуют различные токи возбуждения (э. д. с. E₀). Изменение тока возбуждения вызывает изменение фазового угла φ. Ток в статоре имеет наименьшее значение, когда его реактивная составляющая равна нулю (φ = 0 или cosφ = 1). В нашем случае наименьшим током будет I₂, так как φ₂ = 0.

Изменение тока возбуждения при М = М_т = const вызывает также изменение угла θ, причем с увеличением I_в (э. д. с. E₀) усиливается магнитное поле, вследствие чего угол θ уменьшается и оси полюсов ротора и поля статора машины располагаются ближе друг к другу, выявляя тем самым «упругие» свойства магнитных линий, связывающих полюсы поля статора и ротора. Уменьшение же тока возбуждения ведет к увеличению угла θ и, как следствие, к ослаблению электро­магнитных связей между статором и ротором.