26

Работа 6. Трехфазный синхронный двигатель [1, с. 352…372; 2, с. 289…318]

Цель работы – экспериментальное исследование свойств синхронного двигателя (пуск, угловые и U-образные характеристики).

I. Программа работы

1. Ознакомление с конструкцией трехфазного синхронного двигателя и его паспортными данными.

2. Пуск синхронного двигателя.

3. Снятие угловых характеристик.

4. Снятие U-образных характеристик.

II. Общие сведения и описание установки

Основными частями синхронной машины (рис.1) являются: статор с трехфазной обмоткой, соединенной звездой или треугольником (выводы С₁, С₂, С₃, С₄, С₅, C₆ на рис.6.1), ротор или неявнополюсный, или с явно выраженными полюсами и обмоткой постоянного тока (И₁, И₂ на рис.1), питающийся от возбудителя В. Возбудитель может выполняться в виде генератора постоянного тока параллельного возбуждения (выводы обмотки, возбуждения Ш₁, Ш₂ на рис.1). В лаборатории ЭМ СПГГИ вместо возбудителя применяется другой источник постоянного тока (блок 209 – выпрямитель).

Рис. 6.1

На роторе синхронных двигателей большой и средней мощности, кроме обмотки возбуждения, имеется короткозамкнутая пусковая обмотка, аналогичная короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного двигателя. В двигателе, установленном лаборатории ЭМ СПГГИ в качестве пусковой обмотки двигателя используется трехфазная роторная обмотка, а в качестве обмотки возбуждения эта же обмотка в однофазном варианте.

Принцип действия трехфазного синхронного двигателя основан на том, что вращающееся магнитное поле статора взаимодействует с электромагнитами ротора. Вращающееся магнитное поле создается трехфазным током обмотки статора, электромагнитное поле ротора возбуждается постоянным током. Частота вращения магнитного поля статора n₀ и ротора n определяются только частотой тока f и числом пар полюсов обмотки р:

. (1)

Под действием нагрузки на валу синхронного двигателя происходит пространственное смещение ротора по отношению к вращающемуся полю статора на угол , приводящее к возрастанию вращающий момента, препятствующего этому смещению.

, (2)

где  – угол нагрузки, равный сдвигу по фазе между фазным напряжением U₁, и ЭДС E₀; x – синхронное сопротивление фазы статора.

Зависимость М_ЭМ=f()» при I_в=const, U₁=const называется угловой характеристикой неявнополюсного синхронного двигателя, которая изображается в третьем квадранте (линия 1, рис.6.2).Линией 3 отмечена характеристика явнополюсного двигателя, точка 1 ограничивает рабочий участок, на котором M_ЭМ≈k.

Рис. 6.2 Рис. 6.3

При изменении нагрузки на валу синхронного двигателя от холостого хода до номинальной и кратковременных перегрузках, не превышающих максимального момента, частота вращения двигателя остается постоянной, что является одной из основных особенностей синхронного двигателя. Поэтому зависимость частоты вращения n от момента М на валу (при постоянных частоте f и напряжении U₁), называемая механической характеристикой

,

изображается прямой, параллельной оси моментов (рис. 6.3).

При возникновении нагрузок с моментами М>М_m двигатель выпадает из синхронизма. Благодаря наличию на роторе короткозамкнутой обмотки синхронный двигатель пускается как короткозамкнутый асинхронный. Обмотка возбуждения при этом замыкается на сопротивление R≈10R_в, где R_в – сопротивление обмотки возбуждения. При замкнутой накоротко обмотке возбуждения или при возбужденном роторе синхронный двигатель не разгоняется до нужной частоты вращения. По достижении «подсинхронной» частоты вращения (n≈0,95n₀) в обмотку возбуждения подается постоянный ток и ротор втягивается в синхронное вращение. При нормальной работе короткозамкнутая обмотка является успокоительной обмоткой, так как препятствует резким изменениям угла .

Второй важной особенностью синхронного двигателя является возможность работы при одной и той же механической нагрузке с различными коэффициентами мощности, как по величине, так и по характеру (индуктивной или емкостной), что достигается за счет изменения тока возбуждения.

Обычно синхронные двигатели выпускаются для работы с опережающим током (cos_н=0,8) и поэтому используются, как средство повышения коэффициента мощности участков сетей.

Зависимость тока статора I₁ от тока возбуждения I_вс при одних к тех же механических нагрузках Р₂ называется V-образными характеристиками синхронного двигателя (рис. 6.4)

при .

Если обозначить ток возбуждения, при котором cos=1, I_вс0 то режим при I_вс>I_вс0 называется перевозбуждением двигателя. Ток статора I₁ при этом опережает по фазе напряжение U₁ и синхронный двигатель является активно-емкостной нагрузкой для сети.

Рис. 6.4 Рис. 6.5

При недовозбуждении (I_вс<I_в0) режим – индуктивный.

Минимальное значение тока I₁=I_1а на U-образной характеристике при cos=1 определяется нагрузкой на валу и потерями в двигателе.

Рабочими характеристиками синхронного двигателя называются зависимости параметров n, M, P, I₁, , cos от мощности Р₂ при U₁=U_1н; f=f_н и I_вс=I_всн (рис. 6.5).

Снятие рабочих характеристик производится путем изменения нагрузки на валу. Для создания нагрузки применяется генератор постоянного тока с независимым возбуждением.

Полезная мощность синхронного двигателя определяется как

, (3)

где Р₁ – потребляемая двигателем мощность.

Для определения КПД двигателя находится КПД агрегата

, (4)

где P_2Г=UI – полезная мощность нагрузочного генератора; _Г-– КПД генератора; U, I – напряжение и ток генератора.

Полагая ≈_Г, получаем

(5)

Момент синхронного двигателя

(6)

Коэффициент мощности

(7)