Главная | Обратная связь

СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

 

Синхронные двигатели применяются главным образом для привода устройств большой мощности. Такие двигатели по своим технико-экономическим показателям превосходят двигатели других типов.

Большую группу синхронных машин составляют синхронные двигатели, которые обычно изготовляются мощностью до нескольких тысяч киловатт и предназначены для привода мощных вентиляторов, мельниц, насосов и других устройств, не требующих регулирования частоты вращения.

Характерным отличием синхронных двигателей является постоянство частоты вращения при изменении нагрузки. Синхронные двигатели имеют предельно жесткие механические характеристики.

Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален U, а асинхронного — U², поэтому синхронные двигатели менее чувствительны к изменению напряжения сети и имеют большую перегрузочную способность. Регулирование потока возбуждения путем изменения тока возбуждения обеспечивает регулирование реактивной мощности при падении напряжения и уменьшении частоты сети.

Недостатком синхронных двигателей является их более сложная конструкция, необходимость в источнике постоянного тока и худшие по сравнению с асинхронными двигателями пусковые свойства.

При мощности двигателей от нескольких киловатт до 100 кВт проявляется еще один недостаток синхронных двигателей — склонность к качаниям. При определенном соотношении параметров синхронных двигателей ротор покачивается около синхронной частоты вращения.

Синхронные двигатели при условии легких пусков целесообразно применять при мощности свыше 200 кВт. Области применения синхронных двигателей непрерывно расширяются, и их мощности возрастают до 50 МВт.

Синхронные двигатели мощностью до 1—2 кВт выполняются с явнополюсным ротором без обмотки возбуждения. За счет различия проводимости по продольной и поперечной осям машины в таких машинах возникает реактивный момент, а асинхронный пуск обеспечивается демпферной обмоткой.

Синхронные двигатели конструктивно почти не отличаются от синхронных генераторов. Они также состоят из статора с обмоткой и ротора. Поэтому независимо от режима работы любая синхронная машина нуждается в процессе возбуждения — наведения в ней магнитного поля.

Для возбуждения синхронных двигателей используется электромашинная система возбуждения или тиристорная система возбуждения. В электромашинных системах возбуждения якорь возбудителя — генератора постоянного тока — соединяется с валом синхронного двигателя жестко или в тихоходных машинах — через клиноременную передачу, которая обеспечивает увеличение частоты вращения возбудителя и снижение его массы. Системы возбуждения синхронных двигателей принципиально не отличаются от систем возбуждения генераторов.

Ротор синхронного двигателя вращается с той же скоростью, что и магнитное поле машины. Синхронное вращение можно объяснить взаимодействием полюсов ротора и полюсов результирующего вращающегося поля. Вращающееся магнитное поле вследствие взаимодействия полей статора и ротора увлекает за собой ротор. При нагрузке двигателя под воздействием тормозного момента его ротор, продолжая вращаться синхронно, смещается относительно результирующего поля машины на угол θ. Чем больше нагрузка на валу, тем больше угол θ. Под углом θ, как и раньше, понимается угол между осью полюсов ротора и осью результирующего поля. Но в отличие от генератора, где ротор опережает поле, в двигателе он отстает от поля, т. е. является ведомым, поэтому для двигателей этот угол принимают отрицательным.

При построении векторной диаграммы синхронного двигателя принято фазу тока определять по отношению к вектору напряжения сети U_c. Построение векторных диаграмм синхронного двигателя при известных U_д , I и угле между ними выполняется также, как и для генератора.

Исходя из уравнения:

(4.1)

Если при построении векторной диаграммы исходитьиз известного напряжения сети U_c=U, то уравнение (4.1) будет иметь вид:

(4.2)

На рисунке 4.1 показаны векторы МДС обмотки возбуждения и составляющих реакции статора.

 

Рисунок 4.1 - Векторная диаграмма явнополюсного синхронного двигателя

 

Первый вектор отложен в сторону опережения ЭДС Е₀ на 90°, а два других — в фазе с токами I_d и I_q. Из рисунка 9.1 видно, что продольная реакция статора в синхронном двигателе при опережающем токе действует размагничивающим образом (F_ad направлен против F_В). Аналогично можно показать, что при отстающем токе продольная реакция статора будет оказывать намагничивающее действие.

Уравнения для электромагнитной мощности синхронного двигателя можно получить из векторных диаграмм. Если пренебречь активным сопротивлением обмотки статора, то для явнополюсного двигателя электромагнитная мощность будет равна:

(4.3)

В неявнополюсном двигателе X_d=X_q, и поэтому вторая составляющая Р" будет отсутствовать.

Разделим (4.3) на угловую скорость ротора:

(4.4)

Тогда электромагнитный момент:

(4.5)

В двигателе электромагнитный вращающий момент направлен в сторону вращения ротора.

В явнополюсном двигателе за счет второй составляющей М" (реактивного момента) вращающий момент может создаваться и при отсутствии возбуждения I_в=0 (E₀=0).

На рисунке 9.3 показана угловая характеристика M=f(θ). Область двигательного режима находится в зоне отрицательных углов θ. Устойчивой частью угловой характеристики в двигательном режиме является область от 0 до -90°. Номинальный момент, соответствующий θ_ном , находится в области 20—30°. Двигатель с неявнополюсным ротором имеет максимум момента при θ=-90°:

(4.6)

 

 

Рисунок 4.2 - Угловая характеристика синхронного двигателя.

 

Максимальный момент зависит от размера воздушного зазора двигателя. Чем больше зазор, тем меньше x_d и больше М_эм.max

Однако при большом зазоре растут габариты машины.

Предел статической устойчивости синхронного двигателя:

(4.7)

Удельный синхронизирующий момент, как и в генераторном режиме, максимален при θ = 0 и равен нулю при θ = 90°.

Величина М_mах характеризует перегрузочную способность машины.

Кратность максимального момента определяется по формуле:

(4.8)

Согласно ГОСТ 183-74 эта кратность должна быть не менее 1,65.

Зависимость M=f(θ), представляющая собой угловую характеристику синхронного двигателя, является его механической характеристикой. При номинальной нагрузке θ_ном=20—30°.

Синхронный двигатель потребляет электрическую мощность P₁ из сети. Часть этой мощности расходуется на электрические потери в обмотке статора Р_э1 и магнитные потери Р_м в статоре, а остальная ее часть передается вращающимся магнитным полем от статора к ротору. Эта мощность называется электромагнитной.

Рисунок 4.3 - Преобразование мощности в синхронном двигателе

 

Электромагнитная мощность Р_эм преобразуется в механическую, развиваемую ротором. Частично мощность Р_эм расходуется на покрытие механических Р_мх и добавочных Р_д потерь. Оставшаяся ее часть Р₂ является полезной механической мощностью на валу двигателя.

U-образные характеристики для различных значений Р (или М) представлены на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 - U-образные характеристики синхронного двигателя при различных значениях нагрузки.

 

При перевозбуждении двигатель генерирует реактивную мощность непосредственно у потребителя, что способствует повышению cosφ сети. Это позволяет снизить реактивную мощность, вырабатываемую синхронными генераторами на электрических станциях, и уменьшить потери в линиях электропередач. Возможность генерировать реактивную мощность выгодно отличает синхронные двигатели от асинхронных, которые потребляют реактивную мощность для возбуждения. Поэтому синхронные двигатели проектируются для работы при номинальной мощности с перевозбуждением (с опережающим током) и cosφ_ном=0,9. Работа с перевозбуждением предпочтительна также и для повышения максимального момента двигателя.

Отсюда следует, что при любых нагрузках на валу синхронные двигатели могут работать с различными значениями cosφ, в том числе и с cosφ=1. Достигается это изменением тока в обмотке возбуждения.