4.2.6. Робота синхронного двигуна при сталій потужності.

При сталій потужності на валу СД активна потужність, яку споживає двигун з мережі

практично не змінюється. Як бачимо у це рівняння безпосередньо не входить стум збудження (ротора) і, отже, з погляду виконання двигуном механічної роботи цілком байдуже, який у машини буде режим збудження. Разом з тим це є дуже важливим з енергетичної точки зору.

При зміні струму збудження ₂, що викликає зміну ЕРС статора Е₁, оскільки Р₁ = const, U₁ = const, f₁ = const та М_ем = const, добутки величин ₁cos₁ та E₁sin залишаються незмінними. Таким чином, із зміною ₂, при сталій активній складовій ₁cos₁ = const змінюється реактивна складова ₁sin₁ струму статора, а отже, і реактивна потужність двигуна. Це означає, що при будь-якому, не більшому за допустиме, навантажені з боку робочої машини завжди є таке значення ₂ = ^₂ (нормальне збудження машини) при якому ₁ = 0, cos₁ = 1 і, отже, струм статора СД буде мінімальний ₁ = _1min. При ₂ < ^₂, коли машина недозбуджена, маємо ₁ > _1min, ₁ > 0, тобто двигун працює в активно-індуктивному режимі. При ₂ > ^₂, коли машина перезбуджена, маємо ₁ > _1min, ₁ < 0, тобто двигун працює в активно-ємнісному режимі. Характер зміни струму статора від струму збудження у роторі при Р₁₀ < Р₁₁ < Р₁₂ – так звані U-подібні криві, показано на рис. 4.47.

Рис. 4.47. U-подібні характеристики синхронного двигуна

З даних наведених на рис. 4.47 випливає, що найвигіднішим для СД є такий струм збудження, коли потрібну механічну потужність дістаємо при найменшому робочому струмі статора – крива ₂ = f(P₁) при cos₁ = 1 на рис 4.47 показана пунктиром. Разом з тим, СД працюють не ізольовано від іншого електротехнічного обладнання і їх вмикають у мережу, від якої живляться й інші споживачі. На підприємствах харчової і переробної промисловості основну частину навантаження мережі звичайно дають АД. Як відомо, вони, АД, являють собою активно-індуктивне навантаження і, отже, споживають відстаючій струм. Це знижує коефіцієнт потужності (cos) мережі і негативно впливає на роботу всього електротехнічного обладнання підприємства. Тому найраціональнішим режимом роботи СД слід визнати активно-ємнісний режим (з випереджаючим струмом), який створюється при перезбудженні двигуна. При цьому реактивна складова струму СД буде частково компенсувати реактивну складову струмів АД. Тим самим загальний струм, що надходить до споживачів буде меншим, а коефіцієнт потужності мережі підприємства в цілому більшим.

Здатність СД працювати в режимі перезбудження при випереджаючому струмі є його цінною властивістю, яка використовується для підвищення cos окремих споживачів і енергетичних систем у цілому.

4.2.7. Робочі характеристики синхронного двигуна

Робочими характеристиками СД є залежності частоти обертання ротора n₂, корисного моменту на валу M₂, коефіцієнта корисної дії , потужності спожитої двигуном із мережі Р₁, струму статора ₁ та коефіцієнту використання потужності cos₁ від корисної потужності на валу двигуна –

,

при постійних напрузі U₁ = const і частоті напруги f₁ = const живлення статорних обмоток, а також незмінному струму збудження ₂ = const. Розглянемо графіки цих характеристик (рис. 4.48-4.50), де для зручності по вісі абсцис дано відношення поточної корисної потужності Р₂ на валу двигуна до його номінальної корисної потужності Р_2н.

Рис. 4.48. Механічна характеристика синхронного двигуна

Рис. 4.49. Робочі характеристики синхронного двигуна

Рис. 4.50. Залежність коефіцієнту використання електричної потужності від корисної потужності на валу при різних струмах збудження синхронного двигуна

Нагадаємо, що у СД частоти обертання ротора n₂ і поля статора n₁ дорівнюють одна одній n₂ = n₁ = n. Отже, частота обертів ротора в межах зміни навантаження на валу двигуна від холостого ходу до номінального і далі до кінця перевантажувальної здатності М_max/М_н залишається сталою та дорівнює синхронній частоті (рис. 4.48, а та б). Тут же зазначимо, що залежність частоти обертання ротору від обертального моменту ще називають механічною характеристикою двигуна. Оскільки в межах від 0 до М_max частота обертання ротора не змінюється, тобто n₂ = const, то робоча ділянка механічної характеристики СД є абсолютно жорсткою.

Враховуючи, що електромагнітний момент М_ем двигуна можна надати як суму корисного моменту М₂, який врівноважується гальмівним моментом з боку робочої машини і моменту холостого ходу М₀, який врівноважується гальмівним моментом при холостому ході двигуна:

,

а також те, що робочі характеристики СД отримують за умовою n₂ = const (f₁ = const), залежність корисного моменту M₂ = Р₂/n від корисної потужності Р₂ на валу двигуна являє собою практично пряму, яка виходить із початку координат.

Коефіцієнт корисної дії СД визначають за формулою:

Втрати потужності Р в СД, так же як і в СГ, складаються з втрат на нагрівання обмоток – втрат у міді Р_м, втрат у сталі статора Р_с і механічних втрат Р_мех. Крива  = f(Р₂/Р_2н) має максимум при навантаженнях 0,6-0,7 від Р_2н, а потім повільно спадає за рахунок збільшення втрат у двигуні. У сучасних СД  = (0,9...0,97), причому більші значення стосуються двигунів більшої потужності.

Наявністю втрат в двигуні і їх збільшенням із ростом навантаження з боку робочої машини, пояснюється вид залежностей Р₁(Р₂/Р_2н) та ₁(Р₂/Р_2н). Це криві, які беруть свій початок не з центру координат. Тут Р₁₀ та ₁₀, відповідно, є потужність і струм статора двигуна в режимі холостого ходу.

Залежність коефіцієнту потужності СД від корисної потужності на валу при різних струмах збудження машини показана на рис. 4.50. Якщо при номінальному навантаженні на валу Р₂ = Р_2н, за рахунок струму збудження встановити режим роботи двигуна із cos₁ = 1 (крива 1), а потім зменшувати навантаження, то cos₁ спадатиме в бік від’ємних кутів (0 < ₁) зсуву фаз між струмом ₁ і напругою U₁ статора. Це означає, що при ₂ = const зменшенню навантаження з боку робочої машини відповідає перехід двигуна на режим роботи з перезбудженням і, отже, статорні обмотки двигуна починають споживати випереджаючий струм. При збільшені навантаження понад номінальне Р₂ > Р_2н струм ₁ відставатиме від напруги U₁, cos₁ зменшуватимуся в бік додатних кутів (₁ > 0), СД переходить у режим недозбудження, споживаючи відстаючий струм.

Раніше було вказано, що оскільки СД в основному застосовують для сталих навантажень, то за таких умов доцільно струмом збудження встановлювати такий режим роботи, щоб двигун споживав випереджаючий струм. Тоді частково компенсується реактивна складова відстаючого струму, який споживають, наприклад, АД, і тим самим підвищується cos мережі. Крива 2 на рис. 4.50 зображена саме для цього випадку.