Zagryadtskiy_elektr_mashiny_3

Пример 8. Синхронный двигатель имеет следующие номинальные данные: Р2=630 кВт, Uc=6 кВ, f=50 Гц, ή=94,3%, Mм /Мн=1.8, Мп/Мн=0,9, соsφ=0,9, Iп/Iн=5,5, р=8.

Определить угловую частоту вращения ротора, потребляемую мощность из сети, номинальный ток якоря, номинальный момент, пусковой ток якоря, угол нагрузк, пространственный угол.

Решение:

Частота вращения магнитного поля якоря и ротора

n = 60 f p = 60 50 4 = 750 мин−1.

Угловая частота вращения ротора

ω =πn30 =π 75030 = 78,5 рад/ c.

Потребляемая мощность P1 из сети

P1 = Pн η = 6300,943 = 668,1кВт.

Номинальный ток якоря

I = P1 ( 3Uc cosϕ) = 668100 ( 3 6000 0,9) = 71,5A.

Вращающий момент двигателя

Мн = P2 ω = 630000 / 78,5 =8025,5Н м.

Пусковой ток

Iп = 5,5I = 5,5 71,5 = 393,25A.

Пусковой момент

M п = 0,9M н = 0,9 8025,5 = 7222,95Н м.

Максимальный момент

Мм =1,8Мн =1,8 8025,5 =14445,9Н м.

Из (1.77) следует

М = Мн = Мм sinϑ,

откуда

Sinϑ = Мн Мм = 7222,95 /14445,95 = 0,5.

Угол ϑ = 300. Пространственный угол

ϑ′ =ϑ p = 300 4 = 7,50 .

1.21. Пуск в ход синхронных двигателей

Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. При подключении двигателя без пусковой обмотки к напряжению во время первого положительного полупериода, возникает положитель-

80

ный пусковой момент, но ротор, ввиду его инерционности, не успевает прийти в движение. При отрицательном полупериоде напряжения знак электромагнитного момента меняется на противоположный. Среднее значение пускового момента за период равно нулю, что не способствует дальнейшему движению ротора.

Простой и в настоящее время самый распространенный пуск синхронного двигателя – асинхронный. Для этой цели ротор синхронного двигателя снабжается короткозамкнутой обмоткой, напоминающей короткозамкнутую обмотку асинхронного двигателя. Пуск двигателя происходит в два этапа. Первый этап производится подключением обмотки статора к сети. Вращающееся магнитное поле якоря индуктирует в короткозамкнутой обмотке ротора ЭДС, которая в свою очередь образует в обмотке ток. Взаимодействия магнитного поля якоря с током в короткозамкнутой обмотке приводит к возникновению асинхронного электромагнитного момента. Двигатель разгоняется как асинхронный до частоты вращения, незначительно отличающейся от синхронной частоты вращения. На этом этапе обмотка возбуждения замкнута на разрядное сопротивление R для того, чтобы избежать пробоя обмотки возбуждения, так как при малых частотах вращения ротора в ней могут возникнуть значительные перенапряжения. Второй этап заключается в отключении обмотки возбуждения от разрядного сопротивления и подаче в нее постоянного тока и втягивании двигателя в синхронизм. В короткозамкнутой обмотке ЭДС не возникает, так как ротор вращается с одинаковой частотой вращения с полем якоря. Такая схема пуска применяется в случае, когда пусковые токи не вызывают падение напряжения в сети больше допустимого уровня. Принципиальная схема пуска приведена на рис. 1.58.

Если пуск синхронного двигателя производится при пониженном напряжении («легкий пуск»), возбуждение подается до включения обмотки статора на полное напряжение. При «тяжелом» пуске возбуждение подается при полном напряжении сети.

Рис. 1.58. Принципиальная схема пуска синхронного двигателя

81

1.22.Другие разновидности синхронных двигателей

Трех-, двух- и однофазные синхронные двигатели небольшой мощности в диапазоне от долей до нескольких сотен ватт использу-

и с возбуждением от постоянных магнитов.

Двигатели без возбуждения. Двигатели этой группы отличает от машин нормального исполнения конструкция ротора, который не имеет обмотки возбуждения, контактных колец и прилегающих к ним

рис. 1.59 приведена одна из возможных конструкций ротора реактивного двигателя. Он содержит: 1 – полюс, 2 – межполюсное алюминиевое заполнение, 3 – короткозамкнутую обмотку, 4 – ярмо, 5 – вал. Двигатель работает следующим образом. Если ток в фазе А будет максимальным (рис. 1.60, а), то ротор располагается относительно вращающегося магнитного поля так, чтобы его магнитное сопротивление для этого поля было наименьшим т.е. он займет положение 1 (рис. 1.60, б). Пусть звезда векторов повернется в положительном направлении на угол 1200 , (рис. 1.60, в). В этом случае максимальный ток будет в обмотке фазы В. Ротор повернется и займет положение 2.

82

лем. Величина емкости, для получения необходимых рабочих характеристик двигателя, зависит от активных и индуктивных его обмоток и режима работы. При пуске в ход реактивного двигателя с круговым вращающимся магнитным полем требуется большая величина емкости конденсатора, по сравнению с номинальным режимом работы двигателя с таким же полем.

Гистерезисный синхронный двигатель. Гистерезисным синхрон-

ным двигателем называется двигатель, вращающий момент которого

ременного тока. Гистерезисные двигатели имеют составной ротор, состоящий из наружного массивного или шихтованного цилиндра 2, выполненного из магнитотвердого материала с широкой петлей гистерезиса, и расположенной внутри цилиндра немагнитной втулки 3. Ротор обмотки не имеет. Зазор между статором и ротором равномерный по всей окружности. При протекании в якоре двигателя тока об-

ствие этого возникает тангенциальная Ft составляющая силы взаимодействия между ротором и статором. Величина угла ϑг зависит от

84

материала ротора и величины внешнего поля, формирующей гистерезисный момент двигателя. Чем шире петля гистерезиса, тем больше угол и гистерезисный момент. При пуске и асинхронном вращении ротора в массивном цилиндре возникают вихревые токи. В результате их взаимодействия с магнитным полем якоря возникает асинхронный момент. Его максимальное значение имеет место при пуске. Асинхронный момент отсутствует при синхронном вращении двигателя.

Синхронные гистерезисные двигатели отличаются большим начальным пусковым моментом, плавностью входа в синхронизм. Эти двигатели имеют лучшие показатели, чем синхронные реактивные двигатели, отличаются простотой конструкции, надежностью и бесшумностью в работе, малыми габаритами и незначительной массой. Номинальный коэффициент мощности гистерезисных двигателей не превышает 0,5, а номинальный КПД достигает значения 0,65.

Двигатели с возбуждением от постоянных магнитов. Синхрон-

ный двигатель с постоянными магнитами на роторе представляет достаточно простую конструкцию, он надежен в работе. Электромагнитные процессы в машинах с постоянными магнитами протекают также как и в синхронных машинах с электромагнитным возбуждением. Однако в работе этих машин есть некоторые особенности. На рис. 1.63 приведен вариант ротора двигателя с радиальным располо-

асинхронного пускового момента прорези должны быть минимальными. В момент пуска синхронный двигатель работает как асинхронный и его начальный вращающий момент создается взаимодействием вращающегося поля статора с токами короткозамкнутой обмотки, образуя асинхронный момент М. Поскольку двигатель пускается в ход в возбужденном состоянии, то поле постоянных магнитов вращающегося ротора наводит в обмотке якоря ЭДС переменной частоты, бла-

85

годаря которой в обмотке якоря протекает ток. В результате на ротор при пуске двигателя действует тормозной момент Мт , величина которого зависит от скольжения. Его максимальная величина имеет место при скольжениях двигателя s =0,6 −0,9. Полезный пусковой момент Мп двигателя равен разности асинхронного момента М и тормозного момента. Когда частота вращения ротора приблизится к синхронным, ротор, в результате взаимодействия поля постоянных магнитов с вращающимся магнитным полем, втягивается в синхронизм и далее вращается с постоянной частотой вращения. Рабочие характеристики синхронного двигателя с постоянными магнитами мало отличаются от рабочих характеристик двигателя с электромагнитным возбуждением ротора.

В настоящее время синхронные двигатели с постоянными магнитами выпускаются на широкий диапазон мощностей и частот вращения. Так французская фирма Leroy-Somer выпускает двигатели в алюминиевом корпусе на мощности 0,75…400 кВт и частоты вращения 0…5500 мин−1, КПД 96 %. Синхронные двигатели работают от преобразователя частоты.

1.23. Конструкции и применение синхронных двигателей

Области применения синхронных двигателей весьма разнообразны, поэтому их конструкции зависят от режимов их работы. Они могут работать как в приводах с постоянной частотой вращения, так и в приводах с регулируемой частотой вращения. В последнем случае необходим статический преобразователь частоты.

Синхронные двигатели с постоянной частотой вращения используются в случаях, когда необходима высокая производительность и низкие эксплуатационные расходы. Они также могут применяться в качестве синхронных компенсаторов.

Синхронные двигатели с переменной частотой вращения применяются в случае привода исполнительных механизмов с высоким крутящим моментом, низкой частотой вращения и с широким диапазонам ее регулирования.

Частота вращения синхронных двигателей различна: от сравнительно тихоходных (около 100 мин−1 ) до сверхбыстроходных, частота вращения которых достигает 20000 мин−1.

Электрическое торможение синхронного двигателя осуществляется переводом его в генераторный режим. При этом часто использу-

86

ется схема, когда обмотка якоря отключается от сети переменного тока и включается на добавочные резисторы. Обмотка возбуждения при этом остается подключенной к источнику постоянного тока через резистор.

Синхронные двигатели с вертикальным валом выпускаются, чтобы удовлетворить особым требованиям, возникающим при работе с таким оборудованием, как насосы, дробилки, смесители и т.д.

Производятся также двигатели со специальными характеристиками безопасности, предназначенные для применения в областях, связанных с пожарной безопасностью и взрывоопасностью. Определенное место заняли синхронные двигатели в герметическом исполнении.

Охлаждение синхронных двигателей выполняется различными способами. Это самоохлаждение, охлаждение с применением принудительной вентиляции, с водяным охлаждением.

В настоящее время для синхронных двигателей получили широкое распространение тиристорные возбудители. С их помощью можно легко регулировать ток возбуждения двигателя, а также осуществить ограничение токов статора и ротора в аварийных режимах. Тиристорные возбудители выполняют следующие функции: пуск синхронного двигателя, автоматическую подачу возбуждения и форсировку возбуждения при глубоких снижениях напряжения сети, резких набросах нагрузки на валу двигателя, защиту статора и ротора от токов короткого замыкания и т.д.

По исполнению системы возбуждения бывают со щетками и без щеток.

Синхронный двигатель имеет следующую типовую конструкцию. Корпус двигателя, сваренный из стальных листов, представляет монолитную и прочную конструкцию. Якорь (статор) состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали и обмотки, размещенной в пазах статора. Обмотка пропитана эпоксидной смолой, что гарантирует хорошую изоляцию. Ротор, в зависимости от конструктивных характеристик электродвигателя и области применения, может быть цилиндрическим или иметь выступающие полюса. На роторе располагается обмотка возбуждения и короткозамкнутая пусковая клетка. Полюса изготовляются из отдельных стальных пластин, а их обмотка – из эмалированной проволоки или полосовой меди. В зависимости от области применения синхронные двигатели могут изготовляться с шариковыми или роликовыми подшипниками

87

с консистентной смазкой, либо с подшипниками скольжения с масляной смазкой.

Тороидальные синхронные двигатели с постоянными магнитами и воздушным охлаждением изготовляются на мощности 150…1250 кВт, двигатели с водяным охлаждением на мощности 20…2080 кВт с частотой вращения 200…800 мин−1.

Двигатели применяются в бумагоделательных машинах, насосах, кранах, в металлообработке, дробилках и т. д.

Регулируемые двигатели мощностью 0,75…400 кВт производятся с частотой вращения 1…5500 мин−1.

Синхронный двигатель с постоянными магнитами может быть выполнен и обращенной конструкции. В этом случае двигатель представляет собой машину с внешним вращающимся ротором, На внутренней поверхности ротора располагаются мощные постоянные магниты NdFeB . Трехфазная обмотка располагается на неподвижном статоре, заключенным внутри ротора. Такую конструкцию имеет тяговый синхронный двигатель мощностью 250 кВт.

В настоящее время ведутся работы по криогенным синхронным двигателям как с обмоткой возбуждения, так и с постоянными магнитами.

Серии синхронных двигателей

Ниже приводятся сведения по некоторым сериям синхронных двигателей.

Серии СД-2, СДН-2, СДНЗ-2, СДСЗ. Двигатели этих серий с горизонтальным валом имеют большой диапазон по мощностям 132…4000 кВт, частотам вращения 100…1500 мин−1 и напряжению 380…6000 В и предназначены для привода насосов. Для привода вертикальных насосов изготовляются синхронные двигатели серии ВСДН мощностью 630…3200 кВт, и серии ВДС мощностью 4000…12500 кВт, напряжением 6 и 10 кВ.

Серия СДК, СДКП, СДКМ. Явнополюсные двигатели серии служат приводом для компрессоров. Исполнение двигателей горизонтальное. Диапазон мощностей 300…800 кВт. В частности, двигатели СДКП2 предназначены для работы во взрывоопасных зонах для привода поршневых компрессоров и используются в нефтеперерабатывающей, машиностроительной и других отраслях промышленности.

Серия СДМ3. Синхронные явнополюсные двигатели используются для привода рудоразмольных, углеразмольных и цементных

88

мельниц. Двигатели имеют закрытое исполнение и могут устанавливаться в помещениях с высокой запыленностью. Исполнение двигателей горизонтальное. Диапазон мощностей 800…5000 кВт. Напряжение 6 и 10 кВ.

Пуск двигателя − прямой от полного напряжения сети с включением в цепь обмотки разрядного сопротивления. Двигатели могут иметь воздушное или водяное охлаждение.

Серия СТДС. Двигатели этой серии мощностью 630…6300 кВт предназначены для привода насосов, компрессоров, газовых нагнетателей, воздуходувок и других быстроходных механизмов.

Серия СДБМ. Двигатели этой серии используется для привода

насосов буровых установок в нефтяной и газовой промышленности. Серия ВДС. Вертикальные синхронные двигатели используются

для привода вертикальных насосов. Диапазон мощностей 8000…16000 кВт. Напряжение 10 кВ.

Серия ВСДН. Серия включает вертикальный двигатели с параметрами: мощность до 3200 кВт, частота вращения 375…750 мин−1. Используется для привода насосов.

Серия СТДП. Двигатели этой серии мощностью 1250…12500 кВт предназначены для привода компрессоров, насосов, газовых нагнетателей, воздуходувок во взрывоопасных помещениях всех классов.

1.24. Синхронный компенсатор

Синхронный компенсатор представляет собой синхронную машину, работающую в режиме синхронного двигателя, но без нагрузки на валу. Его основное назначение не приводить во вращение исполнительный механизм, а улучшать коэффициент мощности и регулировать напряжение в конце или в промежуточных точках линии электропередачи. Это осуществляется путем регулирования постоянного тока в обмотке возбуждения компенсатора. Штатным режимом электрической машины является ее работа с перевозбуждением, что позволяет генерировать в сеть реактивный опережающий (емкостной) ток. В периоды спада нагрузки происходит увеличение напряжения и чтобы его снизить, компенсатор переводят в режим недовозбуждения. Тогда он потребляет индуктивный ток, т.е. является нагрузочным индуктивным сопротивлением.

89