3.9. Механическая и угловая

характеристики синхронного двигателя

Синхронные двигатели, если они работают при постоянной частоте с неизменной угловой скоростью, при­меняются для приводов, не требующих регулирования ско­рости. К таким приводам относятся: компрессоры,

Рис. 3.38. Схема включения (а) и Рис. 3.39. Пусковые характери-механическая характеристика (б) стики синхронного двигателя, синхронного двигателя.

холодильные машины, камнедробилки и т. п. Основное до­стоинство синхронного двигателя, заключающееся в воз­можности работать с высоким коэффициентом мощности, приводит к все более широкому применению этого двига­теля.

Угловая скорость синхронного двигателя (рис. 3.38, б) при работе в установившемся режиме с возрастанием на­грузки на валу до определенного значения, не превышаю­щего максимального момента М_тах, остается строго посто­янной и равна синхронной угловой скорости:

ω₀ = 2πf₁/р.

Поэтому механическая характеристика его имеет вид прямой линии, параллельной оси абсцисс. Если момент

нагрузки превышает М_тах, то двигатель может выпасть из синхронизма и показанная на рис. 3.38, б зависимость ω от М нарушится.

Современные синхронные двигатели имеют в роторе, кроме нормальной рабочей обмотки, питаемой постоянным током, еще и специальную пусковую короткозамкнутую обмотку. С помощью этой обмотки двигатель пускается в ход как асинхронный, и поэтому в пусковых режимах он обладает асинхронной характеристикой. На рис. 3.39 представлены две пусковые характеристики синхронного двигателя, одна из них 1 соответствует пуску с понижен­ным начальным пусковым моментом М_п1 и значительным «входным» моментом М_в1, под которым понимается момент, развиваемый при скорости, равной 0,95 ω₀. При этой ско­рости возможно вхождение двигателя в синхронизм после включения постоянного тока в обмотку возбуждения.

Если пусковая клетка имеет увеличенное активное со­противление, то начальный пусковой момент М_п2 будет больше, чем в предыдущем случае, а входной момент М_в2 уменьшится (кривая 2 на рис. 3.39). Выбор одной из двух указанных пусковых характеристик зависит от моментов сопротивления, которым обладают производственные меха­низмы.

При пульсации нагрузки на валу двигателя в установившемся режиме значение мгновенной скорости колеблется около среднего значения. Эти колебания происходят за счет изменения угла между напряжением и ЭДС синхронной, машины. Колебания скорости имеют практическое значение при работе синхронного двигателя на пульсирующую на­грузку, например на поршневой компрессор. Для решения вопроса об устойчивой работе двигателя в таких случаях необходимо знать зависимость момента М от угла θ между напряжением и ЭДС ¹. Этому углу θ соответствует простран­ственный угол сдвига между осью результирующего поля машины и осью полюсов (пространственный угол в р раз меньше угла θ).

Зависимость момента синхронной машины от угла θ носит название угловой характеристики.

Для нахождения уравнения угловой характе­ристики обратимся к упрощенной векторной диаграмме неявнополюсной машины, представленной на рис. 3.40.

¹ Здесь и в дальнейшем электрический угол θ выражается в градусах.

Если пренебречь потерями в активном сопротивлении ста­тора, считая R₁ = 0 (рис. 3.41), то подводимая к синхрон­ному двигателю мощность, Вт, может быть принята равной электромагнитной мощности:

Р = 3IUсоsφ, (3.50)

где I и U — фазные ток и напряжение статора.

Рис. 3.40. Упрощенная вектор- Рис. 3.41. Векторная диаграм-

ная диаграмма синхронного ма синхронного двигателя при

двигателя. r₁ = 0.

Из векторной диаграммы (рис. 3.41) следует, что Ucos φ = Е cos (φ — θ).

Из рассмотрения вспомогательного треугольника ABC видно, что

cos (φ - θ) = АВ/АС = U sin θ/IX₁ следовательно,

U cos φ = EU.

Теперь, подставив полученное выражение в (3.50), полу­чим уравнение электромагнитной мощности, Вт,

P = 3EI_K,3sin θ, (3.51)

где I_K,3 — ток короткого замыкания,

I_K,₃=U/X₁ .

Отсюда электромагнитный момент

(3.52)

В случае явнополюсной машины появляется еще дополнительный реактивный момент. Однако для практических

расчетов им можно пренебречь и пользоваться формулой (3.52).

При θ = 90° момент имеет максимальное значение:

(3.53)

Поэтому искомое уравнение угловой характеристики принимает следующий вид:

M = M_max sin θ. (3.54)

С увеличением нагрузки угол θ возрастает. Из (3.54) видно, что вначале с увеличением угла θ растет и развивае­мый двигателем момент (рис. 3.42), что удовлетворяет требо­ванию устойчивой работы двигателя. В правой части гра­фика при θ > 90° условие устойчивой работы двигателя

Рис, 3.42, Угловая характе- Рис. 3.43. Принципиальная схе

ристика синхронного двига- ма включения синхронного дви-

теля. гателя при динамическом тормо-

жении.

нарушается, так как при увеличении нагрузки угол θ продолжает возрастать, а момент, развиваемый двигателем, уменьшается, вследствие чего двигатель выпадает из синхро­низма. Левая часть характеристики является рабочей частью, а правая, где угол θ изменяется от 90 до 180°, пред­ставляет собой неустойчивую часть характеристики.

Номинальному моменту двигателя М_ном практически соответствует угол θ_НОМ = 30÷25^°. При этом кратность максимального момента к номинальному составляет:

λ = М_тах/М _ном = 2÷2,5 .

Однако в специальных случаях применяют синхронные машины и с большей кратностью максимального момента, достигающей 3,5—4.

Синхронный двигатель может работать и в режиме гене­ратора параллельно с сетью при синхронной угловой ско­рости, когда нагрузочный момент на его валу будет иметь отрицательное значение, чему отвечает левая ветвь характе­ристики на рис. 3.38. Для торможения такой режим практи­ческого значения не имеет, так как при этом нельзя полу­чить снижения скорости.

Обычно применяется динамическое торможение синхрон­ных двигателей, при котором обмотки статора отключаются от сети и замыкаются на резисторы (рис. 3.43). Механиче­ские характеристики в этом случае подобны характеристи­кам асинхронного двигателя при динамическом торможении. Интенсивность торможения зависит от сопротивления ста-торной цепи и от потока, создаваемого током роторной об­мотки. Время торможения при питании цепей возбуждения от собственного возбудителя, находящегося на валу син­хронного двигателя, больше, чем при питании от независи­мого источника постоянного тока. Объясняется это тем, что при снижении угловой скорости возбудителя уменьша­ется его ЭДС, а следовательно, уменьшаются ток возбужде­ния двигателя и тормозной момент.

Торможение синхронных двигателей противовключе-нием практически не применяется, так как оно сопровож­дается большими толчками тока и ведет к усложнению управ­ления ввиду необходимости отключения двигателя при под-ходе к нулевой скорости.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ

РЕГУЛИРОВАНИЕ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ