Регулирование реактивного тока и реактивной мощности синхронного двигателя

Существенной особенностью синхронных двигателей является то, что они, работая с механической нагрузкой, позволяют в широких пределах изменять потребляемый из сети реактивный ток и реактивную мощность. Осуществляется это путем изменения тока возбужденияI_в с помощью реостата r_р (см. рис. 11.8).

Предположим, что двигатель работает при постоянном моменте статического сопротивления (М_с = const) и что некоторому току возбуждения I_в1 соответствуют ЭДС Е₀₁, ток I₁, углы φ₁ и θ₁(рис. 11.12, а).

Прямым следствием изменения тока I_в является изменение магнитного потока Ф₀, а значит, и ЭДС E₀; последнее приводит к изменению тока якоря I. Так как М = const, то при различных I_вмомент двигателя М и мощность Р_эм будут оставаться также неизменными, поскольку при установившихся режимах работы с различными токами M = M_c = const, а Р_эм = Mω. Если не учитывать потерь мощности I²r, то можно считать неизменной и мощность Р_φ.

Из выражения Рэм = Мω и (11.14) следует, что Рэм = 3U	E0	sin θ.
	xc

Очевидно, мощность Р_эм будет постоянной при изменении тока возбуждения, если Е₀ sin θ = const. Последнее означает, что геометрическим местом концов векторов ЭДС при изменении токаI_в является линия АБ, параллельная вектору напряжения U.

На основании выражения Р_φ = 3 UIcos φ можно сделать вывод о том, что мощность Р_φ будет постоянной, если Icos φ = const, т. е. если остается постоянной активная составляющая тока. Геометрическим местом концов вектора тока I при изменении тока I_в является, очевидно, линияВГ, перпендикулярная вектору напряжения U.

Чтобы составить представление о влиянии тока I_в на реактивный ток и реактивную мощность двигателя, на рис. 11.12, а совмещено несколько векторных диаграмм для различных токов возбуждения.

Рис. 11.12. Векторные диаграммы синхронного двигателя при различных токах возбуждения (а) и U-образные характеристики при различных мощностях (б)

При некотором токе возбуждения I_в2 > I_в1 двигатель имеет ЭДС Е₀₂ и токI₂, совпадающий по фазе с напряжением (φ₂ = 0).  Реактивные составляющие тока якоря  и  потребляемой двигателем мощности в этом случае равны нулю. При недовозбуждении (I_в1 < I_в2 и Е₀₁ < Е₀₂) двигатель имеет индуктивные составляющие тока (φ₁ > 0) и потребляемой мощности, а при перевозбуждении (I_в3 > I_в2 и Е₀₃ > Е₀₂) — емкостные составляющие тока (φ₃ < 0) и потребляемой мощности.

При   недовозбуждении   под   действием   индуктивной   составляющей тока двигатель  дополнительно  подмагничивается, при перевозбуждении под действием емкостной составляющей тока размагничивается. Степень подмагиичивания или размагничивания двигателя такова, что при всех значениях   тока   возбуждения   в   обмотке   якоря   возникает результирующая ЭДС Е, действующее значение которой остается неизменным, так как Е = U.

Зависимость I (I_в), показывающая, как изменяется ток якоря I при изменении тока возбуждения I_в в случае постоянной мощности, называется U-образной характеристикой синхронного двигателя. Несколько таких характеристик для различных значений мощностей приведены на рис. 11.12, б. Минимальные значения токов I получаются при cos φ = l.  Область,  расположенная  слева  от  пунктирной  линии,   соответствует работе с токами,  отстающими по фазе от напряжения, справа — с токами, опережающими напряжение.

Рис. 11.13 Векторная диаграмма синхронного компенсатора

Свойство перевозбужденного синхронного двигателя потреблять кроме активной составляющей тока и активной мощности емкостную составляющую тока и емкостную мощность, используют для повышения (компенсации) коэффициента мощности других потребителей, создающих активно-индуктивную нагрузку системы. Используя указанное свойство синхронных двигателей, оказалось возможным создавать синхронные машины, называемые синхронными компенсаторами. Синхронный компенсатор представляет собой по существу синхронный двигатель, рассчитанный на работу с перевозбуждением без механической нагрузки и предназначенный специально для улучшения коэффициента мощности. Если не учитывать относительно небольших потерь мощности в синхронном компенсаторе, можно считать, что им потребляются из сети трехфазного тока чисто емкостный ток и емкостная мощность. Векторная диаграмма синхронного компенсатора при таком допущении приведена на рис. 11.13.