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

(11,13)

M =	3E0Icos φ	.
	ω

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

(11,14)

M =	3E0U	sin θ.
	ωхс

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. Рис. 11.11. Угловая характеристика Механическая характеристика синхронного двигателя 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.

U-образные характеристики синхронного двигателя(регулирование реактивного тока и и реактивной мощности).

Для анализа свойств синхронной машины, работающей параллельно с сетью, наряду с угловой характеристикой  важное значение имеют U-образные характеристики, представляющие зависимость тока якоря в функции тока возбуждения  при постоянных активной мощности, напряжении и частоте сети (,, ). U-образные характеристики могут быть построены с помощью векторных диаграмм, учитывающих насыщение стали. На рис. 5.41 приведены векторные диаграммы неявнополюсного синхронного генератора (). В соответствии с условием  активная составляющая тока якоря , поэтому концы вектора тока  будут лежать на линии I, перпендикулярной вектору напряжения , а концы вектора результирующей ЭДС

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)

Рис. 11.13 Векторная диаграмма синхронного компенсатора

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.

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.