Лекция №5 Электромеханические характеристики синхронных электродвигателей

5.1 Принцип работы синхронного двигателя

Для нерегулируемых электроприводов большой мощности (свыше 160кВт) широко применяются синхронные электро­двигатели с электромагнитным возбуждением. Схема включения такого двигателя показана на рис.3.23.

Конструкция статора синхронного двигателя аналогична конструкции статора асинхронного двигателя. Токи, протекаю­щие по трехфазной обмотке статора, создают намагничивающие силы, результирующий вектор которых образует вращающееся в пространстве электромагнитное поле статора Ф,. Скорость вра­щения поля статора равна согласно (3.3)

и является рабочей скоростью синхронного двигателя.

На роторе синхронного двигателя расположена обмотка возбуждения, которая питается постоянным током от независи­мого регулируемого источника напряжения - возбудителя. Ток возбуждения создает электромагнитное поле Ф0, неподвижное относительно ротора и вращающееся в установившемся режиме вместе с ротором со скоростью а>0. Магнитные силовые линии поля ротора сцепляются с вращающимся синхронно с ним элек­тромагнитным полем статора. Взаимодействие полей статора и ротора создает электромагнитный момент на валу синхронной машины.

Рис.3.23. Схе- Рис.3.24. Пространственные векторы электро-

ма включения магнитных полей синхронного двигателя

синхронного а) идеальный холостой ход;

двигателя б) при нагрузке на валу

При отсут­ствии нагрузки векторы поля статора Ф₁ и по­ля ротора Ф₀ совпадают в пространстве (см. рис.3.24,а) и совместно вра­щаются со ско­ростью ω₀. При появлении на валу двигателя мо­мента сопротив­ления векторы Ф₁, и Ф₀ расхо­дятся (как бы растягиваются подобно пружине) на угол θ, называемый углом нагрузки, при­чем, если вектор Ф₀ отстает от вектора Ф₁ (см. рис. 3.24,6), то синхронная машина работает в двигательном режиме и электро­магнитный момент на ее валу положителен. Если синхронная машина работает генератором, приводимым во вращение первич­ным двигателем, то вектор поля ротора опережает вектор поля статора на угол (–θ ) и электромагнитный момент на валу маши­ны отрицателен. Изменению нагрузки на валу машины соответ­ствует изменение угла θ. Образно это соответствует растяже­нию-сжатию пружины. Максимальный момент М_макс будет иметь место при θ – π/2 . Если нагрузка на валу машины будет боль­ше М_махс, то синхронный режим нарушается и машина выпадает из синхронизма.

Механическая характеристика синхронной машины пред­ставляют собой прямую, параллельную оси абсцисс и ограничен­ную значениями момента ± М_макс (рис.3.25). Жесткость меха­нической характеристики равна бесконечности.

Рис.3.25. Механические характеристики син­хронного двигателя

1 - характеристика синхронного режима

2 - пусковая характеристика (асинхронный ре­жим)

Поскольку ротор двигателя вращается с синхронной скоро­стью и скольжение отсутствует, то вся мощность электромагнит­ного поля статора Р_эм преобразуется в механическую мощность на валу синхронного двигателя. Если пренебречь потерями в ста­торе, то Р_эм = 3U₁I₁ соsφ = Мω₀, откуда

(3.39)

Рассмотрим векторную диаграмму неявнополюсной синхронной машины (рис. 3.26). Двигатель с неявнополюсным ротором имеет симметричную в магнитном отношении конструкцию. Пренебре­гая активным сопротив­лением статора, получим Ů₁ – Ė₁ = jI₁x_1.

Здесь Е, – э.д.с., наводимая в обмотках статора вращающимся вместе с ротором полем Ф₀.

Рис.3.26. Векторная диаграмма син­хронного двигателя

Из векторной диаграммы следует:

U₁ sin θ = I₁x₁ cos (φ – θ)

U₁cos φ = E₁ cos(φ – θ)

Подставляя эти значения в (3.39), получим выражение для угловой характеристики неявнополюсной синхронной машины

(3.40)

Из этого выражения и соответствующей ему угловой харак­теристики (рис.3.27) следует, что по мере нагружения синхрон­ной машины угол нагрузки увеличивается и момент достигает максимума при θ = π/2. Для сохранения постоянной перегрузочной способности двигателя предусматривается автоматическое увеличение тока возбуждения при приложении ударной нагрузки или снижении величины питающего напряжения.

Рис.3.27. Угловая характеристика синхронного двигателя:

а) неявнополюсной машины; б) явнополюсной машины

1 - при номинальном потоке возбуждения;

2 - при форсировке возбуждения

Для синхронного двигателя явнополюсной конструкции, ко­торый имеет несимметричную магнитную цепь, кроме момента, вызванного полем ротора, возникает реактивный момент, опре­деляемый стремлением ротора занять такое положение, при кото­ром магнитная проницаемость для пути потока статора была бы максимальной. Угловая характеристика (см. рис.3.27,б) для тако­го двигателя описывается уравнением:

+

где х_d и х_q – индуктивное сопротивление по продольной и поперечной осям.