38. Механическая и угловая характеристики синхронного двигателя

Синхронная угловая скорость (ω₀) СД определяется частотой питания статора (f₁) и числом пар его полюсов (р):

.    (5.1)

Эта скорость остается постоянной при работе в установившемся режиме с ростом нагрузки на валу, не превышающей максимального момента Ммакс, определяемого параметрами и конструкцией СД.

Поэтому механическая характеристика СД имеет вид прямой линии, параллельной оси абсцисс при ω=ω₀=const. Если нагрузка на валу превышает значение Ммакс, то СД выходит из синхронизма и останавливается.

При изменениях (пульсации) нагрузки на валу СД в установившемся режиме мгновенные значения скорости колеблются около некоего среднего значения за счет изменения угла Θ между векторами напряжения и Э.Д.С. синхронной машины. Эти колебания мгновенной скорости важны лишь при работе СД на пульсирующую нагрузку (например, для привода поршневого компрессора), так как могут привести к неустойчивой работе электропривода.

Вопрос устойчивости работы СД и значение допустимого для него Ммакс решается по так называемого угловой характеристике - зависимости М=f(Θ). Углу Θ между векторами U и E соответствует пространственный угол сдвига между осью результирующего магнитного поля СД и осью его полюсов (углу вылета), причем этот угол в р раз меньше угла Θ (р - число пар полюсов).

Уравнение угловой характеристики М=f(Θ) ( получается из рассмотрения векторной диаграммы СД.

На рис. 5.1 показана такая векторная диаграмма неявнополюсной машины (полная диаграмма Блонделя).

Рисунок 5.1

При пренебрежении весьма малой величины R₁ (сопротивление фазы обмотки статора) получается так называемая упрощенная диаграмма Блонделя (рис. 5.2).

По этой диаграмме выводится уравнение угловой характеристики СД-М=f(Θ). При R₁=0 можно считать, что электромагнитная мощность СД равна мощности, подводимой к двигателю, то есть без учета потерь в статоре:

    (5.2)

Из векторной диаграммы рис.5.2 следует:

    (5.3)

Где U* и E*  - фазные значения напряжения и Э.Д.С. статора.

Рисунок 5.2

Из треугольника АВС получим:

Подставляя это значение в (5.3), будем иметь:

.    (5.4)

Подставив затем (5.4) в (5.2), получим выражение для электромагнитной мощности СД:

, а электромагнитный момент СД будет равен

, или

,    (5.5)

,    (5.6)

где  - ток короткого замыкания в статоре СД.

По выражению (5.5) строится угловая характеристика СД, показанная на рис. 5.3.

Рисунок 5.3

Из диаграммы рис. 5.2. видно, что с ростом нагрузки (I) угол Θ возрастает, увеличивается и момент, развиваемый двигателем, чтобы соответствовать возросшей нагрузке на валу и обеспечить условия устойчивой работы. При Θ>90 условия устойчивой работы СД нарушаются, так как с ростом нагрузки угол продолжает возрастать, а момент, развиваемый двигателем, уменьшается.

Поэтому СД выходит из синхронизма. Левая часть угловой характеристики M=f(Θ) является ее рабочей частью, а правая часть - это характеристики неустойчивой работы. СД конструируются таким образом, что номинальному моменту двигателя М_н соответствует угол Θ_н=25-30°.

Из двух соотношений:

следует, что номинальная перегрузочная способность СД

 Так как то Θ_макс=90° то

.    (5.7)

В необходимых случаях перегрузочная способность СД может быть кратковременно увеличена за счет увеличения возбуждения машины, роста ее магнитного потока и Э.Д.С Е. При этом увеличится и развиваемый СД максимальный момент, как это видно из соотношения (5.6). Такое "перевозбуждение" СД возможно лишь кратковременно во избежание перегрева обмотки возбуждения на роторе.

"Кратковременное увеличение перегрузочной способности СД используется при ударном повышении момента сопротивления на валу (например , при входе металла в прокатную клеть непрерывного стана с приводом от СД).

СД может работать и в режиме рекуперации в сеть ,то есть синхронным генератором параллельно с сетью. В этом случае (см. рис. 5.4) при синхронной скорости нагрузочный момент на валу СД будет отрицательным. Этот режим не используется практически для торможения, так как нельзя получить снижения скорости. Режим торможения СД противовключением для синхронных электроприводов не используется, так как в этом случае будут очень большие толчки тока.

Рисунок 5.4

Надо усложнить схему для их ограничения и ввести в систему управления аппаратуру, контролирующую отключение двигателя от высоковольтной сети при подходе к нулевой скорости (СД всегда используются как нереверсивные ).

Так как мощные СД имеют большие моменты инерции, то торможение их на выбеге при отключении от сети, проходит очень медленно (минуты или десятки минут). Для ускорения остановки СД применяется режим динамического торможения со схемой, показанной на рис. 5.5.

Рисунок 5.5

Статор СД отключается от сети и подключается к специальному сопротивлению, на котором происходит рассеивание энергии, запасенной во вращающихся массах двигателя. Возбуждение СД при этом не отключается, чтобы можно было создать Э.Д.С. в статоре, продолжающем вращаться, пересекая магнитное поле, создаваемое обмоткой возбуждения на роторе.

Торможение синхронных двигателей. Как и у других электродви­гателей, оно осуществляется переводом их в генераторный ре­жим, в котором они развивают на своем валу тормозной момент. Наиболее часто при этом используется схема динамического тор­можения ,которая соответствует генераторному режиму двигателя при его работе независимо от сети переменного тока.

В этой схеме обмотки статора двигателя отключаются от сети переменного тока и закорачиваются на добавочные резисторы (или накоротко), а обмотка возбуждения остается подключенной к источнику возбуждения через регулировочный резистор . Двигатель при этом будет иметь механические характеристики, аналогичные характеристикам асинхронного двигателя, представ­ленным на рис.

Торможение противовключением используется очень редко, так как перевод двигателя в этот режим сопровождается значитель­ными бросками тока и момента, требует токоограничения и при­менения сложных схем управления.

39. Работа синхронной машины с потреблением из сети опере­жающего тока дает возможность использовать ее в качестве ком­пенсатора. Как выше было отмечено, синхронный двигатель для сети может являться конденсатором и повышать соs j всей энер­гоустановки, компенсируя реактивную мощность других приемни­ков энергии.

Повышение соs j снижает потребление реактивной мощности электроустановок предприятия и уменьшает стоимость электро­энергии.

Компенсатором является синхронный двигатель, работающий без нагрузки и предназначенный для повышения соs j   предприятия. Таким образом, компенсатор является генератором реактив­ной мощности.

Конструктивно компенсатор отличается от синхронного двига­теля незначительно. Компенсатор не несет механической нагрузки, поэтому его вал и ротор легче, а воздушный зазор меньше, чем у двигателя.

Основным недостатком синхронных двигателей является по­требность в источнике как переменного, так и постоянного тока.

Возможность работы синхронного двигателя в качестве исто­чника (компенсатора) реактивной мощности иллюстрируют так называемые образные характеристики. Они представ­ляют собой зависимости тока статора двигателя /, и его коэф­фициента мощности cos ф от тока /в возбуждения при Щ = const, /, = const и Р, = const. Зависимости /i(/B) имеют минимум, кото­рому соответствует максимум коэффициента мощности совф = 1. Объяснение такому характеру указанных зависимостей можно дать с помощью фрагмента векторной диаграммы двигателя, приве­денного на рис. 6.9. На этой диаграмме показаны взаимное распо­ложение векторов напряжения сети Щ, тока статора /,, его ак­тивной Iia и реактивной /|р составляющих при различных токах возбуждения двигателя.