3. Трёхфазные синхронные двигатели.

3.1 Назначение:

Достоинства: 1) возможность компенсации реактивной мощности (они могут вырабатывать реактивную мощность); 2) постоянство частоты вращения.

Недостатки: 1) необходимость дополнительного источника постоянного тока для питания обмотки возбуждения; 2) сложность пуска; 3) сложность конструкции (по сравнению с АД).

Синхронные двигатели (СД) применяются для нерегулируемых электроприводов средней и большой мощности (до 20000 кВт), работающих с редкими пусками в длительном режиме (компенсаторы, мощные центробежные насосы), используют синхронные двигатели (СД), имеющие большой КПД и .

СД малой мощности в приводах, не требующих постоянства частоты вращения применять нецелесообразно, так как эксплуатационные преимущества не окупают капитальных затрат.

Устройство:

(Синхронные – т.е. частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля)

Статор синхрон. Двигателя выполняется по аналогии со статором асинхронного двигателя.

Ротор представляет собой закреплённый на валу электромагнит постоянного тока, либо( в двигателе малой мощности) постоянный магнит.

Обмотка ротора, называемая обмоткой возбуждения, в работающем двигателе питается от источника постоянного тока через 2 щётки и 2 контактных кольца, жёстоко закрепленных на валу и электрически соединённых с обмоткой возбуждения (по аналогии с электромагнитной муфтой).

Принцип действия:

Исходное состояние: статор неподвижно закреплён, вал сочленён с исполнительным органом машины. Обмотка возбуждения подключена к источнику постоянного тока. Обмотка статора, соединённая треугольником или звездой, подключена к трёхфазной сети.

Обмотка возбуждения создает магнитное поле, магнитный поток которого . Трёхфазная симметричная система токов обмотки статора создаёт круговое вращающееся магнитное поле, частота вращения которого

где р – число пар полюсов магнитного поля и ротора.

Магнитное поле ротора взаимодействует с магнитным полем статора (притяжение разноименных полюсов), результатом этого взаимодействия является электромагнитный момент, создаваемый исполнительным органом рабочей машины.

Вращающееся магнитное поле индуцирует в каждой фазе обмотки статора синусоидальную ЭДС, действующее значение которой

где - постоянная величина;

n – частота вращения ротора;

- магнитный поток.

Т ок в обмотке статора создаётся совместным действием напряжения трёхфазной сети и противо ЭДС обмотки статора. Ротор вращается в том же направлении что и магнитное поле статора с частотой (т.е. синхронный).

Схема замещения и электрического состояния обмотки статора:

При анализе трёхфазных синхронных двигателей удобно

использовать схему замещения одной фазы обмотки статора.

Если пренебречь активным сопротивлением обмотки

статора, то схема замещения будет иметь такой вид:

Уравнение электрического состояния, в соответствии со схемой замещения:

.

Формула электромагнитного вращающегося момента, угловая и механическая характеристики двигателя:

Угловой характеристикой синхронного двигателя называют зависимость электромагнитного вращательного момента от угла нагрузки при постоянном действующем напряжении, постоянной частоте этого напряжения и при постоянном токе в обмотке возбуждения.

Т.е. М = φ(Θ) при U = const, f = const, = const.

Уравнение угловой характеристики выведем, используя векторную диаграмму тока и напряжений одной фазы обмотки статора.

1. строим

2. строим -jXI

3. замыкающий вектор .

Синхронные двигатели как правило, работают в перевозбуждённом режиме с током, опережающим по фазе напряжение, т.е. двигатель потребляет от трёхфазной сети ёмкостную мощность, что тоже самое что отдаёт в сеть индуктивную мощность, которая требуется трёхфазным асинхронным двигателям.

Сдвиг фаз между напряжением и ЭДС называется углом нагрузки Θ. Чем больше механически противодействующий момент, тем длиннее вектор jXI, тем больше угол Θ. В режиме идеального холостого хода Θ=0 (т.к. I=0).

Из треугольника ОКМ: КМ = ЕsinΘ.

Из треугольника NКМ : КМ = ХIcosφ.

ЕsinΘ = ХIcosφ.

Электромагнитный момент:

-

- уравнение угловой характеристики.

Устойчивая работа двигателя возможна только на участке ОК угловой характеристики. Номинальный угол нагрузки выбирают из условия, чтобы кратность максимального момента

была бы примерно такой же, что и в

асинхронном двигателе, т.е. .

В отличии от асинхронного двигателя синхронные двигатели менее чувствительны к изменением напряжения, т.к. их моменты пропорциональны напряжениям в первой степени. Максимальный момент (перегрузочная способность двигателя) зависит от тока в обмотке возбуждения. Чем больше ток возбуждения , тем больше поток , тем больше Е, тем больше .

>

Механическая характеристика синхронного двигателя абсолютно жесткая, т.е. частота вращения не зависит от момента.

<

Саморегулирование вращающегося момента:

Способы пуска в ход двигателя, регулирование частоты вращения, реверсирования двигателя:

Начальный пусковой момент равен 0. Поэтому применяют искусственные способы пуска двигателя. А практике наиболее часто используют прямой асинхронный пуск и частоточный пуск.

Рассмотрим прямой пуск: ротор двигателя, предназначенный для асинхронного пуска, снабжают короткозамкнутой дополнительной обмоткой, выполненной по типу беличьего колеса. Пуск происходит следующим образом: обмотка возбуждения замыкается на пусковой резистор (что бы произошла изоляция обмотки).

Обмотка статора подключена к трёхфазной цепи на номинальное напряжение, и двигатель запускается как асинхронный. Когда частота вращения ротора будет близка к синхронной, пусковой резистор отключится, и обмотка возбуждения подключится к источнику постоянного тока. Далее двигатель самостоятельно входит в синхронизм.

Частотный пуск производится следующим образом: обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока, обмотку статора подключают к регулятору частоты и плавно увеличивают частоту напряжения регулятора от 0 до номинального значения. Магнитное поле и ротор плавно увеличивают свою частоту вращения от 0 до синхронной.

Синхронные двигатели являются, как правило, нерегулируемыми, но если требуется изменить частоту вращения, то это можно сделать только изменением частоты напряжения.

Реверсирование аналогично с асинхронным двигателем.