Векторные диаграммы синхронного двигателя

В соответствии с уравнением (11.11) на рис. 11.9, а изображена векторная диаграмма синхронного двигателя при некоторых значениях механической нагрузки и тока возбуждения I_в . Последнему соответствуют определенные значения магнитного потока Ф₀ и ЭДС Е₀.

Диаграмму можно построить в следующем порядке. В некотором масштабе откладываем вектор напряжения U и под углом φ к нему — вектор тока I. Так как двигатель работает под нагрузкой, то потребляемая им мощность Р_φ будет положительной, если угол φ лежит в пределах — π/2 < φ < π/2 Как будет показано далее, значение угла φ при данной нагрузке двигателя зависит от значения ЭДС Е₀.

Рис.   11.9. Векторные диаграммы синхронного двигателя

Поскольку падение напряжения jIx_c должно  опережать  по фазе ток I на 90°, из конца вектора напряжения U следует опустить перпендикуляр АБ на вектор тока I. На линии АБ должны быть расположены вектор падения напряжения jIx_c и конец вектора ЭДС Е₀. В соответствии с уравнением (11.11) сумма векторов ЭДС Е₀ и падения напряжения jIx_c должна быть равна вектору напряжения U.

Как и в случае синхронного генератора, магнитные потоки дви­гателя Ф₀, Ф_я1 и Фпропорциональны ЭДС Е₀, Е_я1 и Е = U Однако в отличие от генератора вектор результирующего магнитного потока двигателя должен определяться соотношением Ф = Ф₀ - Ф_я1.

Последнее вытекает из выражения (11.11), которое может быть переписано следующим образом: U = Е = Е₀ + jIx_c = Е₀ - Е_я1 .

Угловая и механическая характеристики синхронного двигателя

Для синхронного двигателя можно написать такие же по виду выражения мощностей, как и для синхронного генератора. Однако применительно к двигателю они будут иметь иные значения.

У двигателя P_φ = 3UI cos φ представляет собой мощность, потребляемую им из трехфазной сети. Вычитая из этой мощности потери мощности в обмотке якоря, получаем электромагнитную мощность, т. е. мощность, преобразуемую из электрической в механическую, развиваемую вращающимся ротором:

P_эм = P_ψ - ΔР_я = 3UI cos φ - 3I²r = 3E₀I cos ψ.

Электромагнитный момент синхронного двигателя может быть выражен через мощность Р_эм и угловую скорость ω = πn/30 ротора:

М = Р_эм/ω.

Заменив мощность Р_эм ее выражением, получим

M =	3E0Icos φ	.
	ω

(11,13)

Если из точки А векторной диаграммы (рис. 11.9, а) опустить перпендикуляр АГ на линию ОВ, то можно получить следующее равенство:

I cos ψ = U sin θ/x_c .

Заменив I cos ψ в (11.13) его выражением, получим

M =	3E0U	sin θ.
	ωхс

(11,14)

Как видно, при постоянных значениях U, Е, ω и х_с момент двигателя прямо пропорционален sin θ. Зависимость М (θ) называется угловой характеристикой синхронного двигателя и приведена на рис. 11.10 в первом квадранте.

В пределах от θ = 0 до θ = 90° расположена устойчивая часть характеристики, называемая так потому, что именно здесь возможна устойчивая работа двигателя с различными моментами сопротивления. Любое изменение момента сопротивления М_с при работе на устойчивой части характеристики приводит к такому изменению момента двигателя М, при котором неизбежно наступает равенство моментов М и М_с . На устойчивой части характеристики расположена точкаА, соответствующая номинальному режиму работы. При номинальном режиме θ_ном = 20 ÷ 30°.

Максимальный момент, который в состоянии развивать двигатель, наступает при θ = 90°:

Mmax =	3UE0	.
	ωхс

Если момент сопротивления М_с окажется больше момента М_max, то двигатель не в состоянии будет его уравновесить и остановится.

Отношение М_max/М_ном называется перегрузочной способностью двигателя и для различных двигателей лежит в пределах 2 — 3,2.

Перегрузочная способность может быть при необходимости увеличена за счет повышения ЭДС Е₀. Из выражения максимального момента следует, что последний и, следовательно, перегрузочная способность синхронного двигателя пропорциональны первой степени напряжения в отличие от асинхронного двигателя, у которого она пропорциональна квадрату напряжения. Из этого следует, что синхронные двигатели менее чувствительны к изменению напряжения, чем асинхронные.

Следует обратить внимание на то, что длительная нагрузка двигателей, превышающая номинальную, недопустима, так как двигатель при этом будет перегреваться. Возможная кратковременная перегрузка должна быть учтена при выборе двигателя по мощности.

Рис. 11.10. Угловая характеристика синхронного двигателя

Рис. 11.11. Механическая характеристика синхронного двигателя

Рассмотрим явления, происходящие при изменении нагрузки двигателя. Допустим, что двигатель работает с моментом М = М_с и углом θ (см. рис. 11.10), чему соответствует векторная диаграмма, изображенная на рис. 11.9, а. В результате изменения момента сопротивления, например, от М_с до М_с > М_с происходит кратковременное снижение частоты вращения ротора, что сопровождается соответствующим изменением частоты индуктированной ЭДС Е₀ и, следовательно, частоты вращения вектора ЭДС Е₀ на векторной диаграмме. В результате этого возратает угол сдвига фаз θ ЭДС Е₀ относительно напряжения U и как следствие увеличиваются ток I, падение напряжения Iх_c , момент Ми мощности Р_φ и Р_эм .

Перечисленные величины возрастают до тех пор, пока при некотором угле θ₁ (см. рис 11.9, б и 11.10) момент двигателя М₁ не сравняется с моментом сопротивленияМ_с1. При М₁ = М_с1 частота вращения ротора снова станет равной частоте вращения поля якоря:

n = n₀ = 60f/р.

При уменьшении момента сопротивления угол θ и, следовательно, значения I, Iх_c , М, P_φ и Р_эм также уменьшаются, а при θ = 0 все они, кроме I и Iх_с , оказываются равными нулю. Векторная диаграмма для случая θ = 0 дана на рис. 11.9, в Как видно, при θ = 0 двигатель потребляет чисто индуктивный ток. Нетрудно установить, что если бы двигатель был возбужден до ЭДС E₀ = U, то при θ = 0 токI был бы равен нулю.

Так как при изменении нагрузки двигателя происходит лишь относительно небольшое смещение ротора относительно вращающегося поля (изменение угла θ), то механическая характеристика синхронного двигателя представляется линией, параллельной оси абсцисс (рис. 11.11). Двигатель имеет постоянную частоту вращения при изменении момента вплоть до максимального значения.

Синхронные двигатели могут работать кроме двигательного режима в тормозном генераторном режиме с отдачей энергии в сеть. Генераторный режим возникает в том случае, если к валу двигателя приложить не тормозящий, а вращающий момент. Двигатель в генераторном режиме представляет собой по существу генератор, работающий параллельно с сетью. Угловая и механическая характеристики двигателя в генераторном режиме приведены соответственно на рис. 11.10 и 11.11 в третьем и втором квадрантах.