10.2. Пусковые и установившиеся режимы работы синхронного двигателя

При неподвижном роторе и подключении обмотки статора к сети переменного тока и обмотки возбуждения к источнику постоянно­го тока из-за постоянно изменяющихся взаимных направлений маг­нитных полей статора и ротора СД будет развивать не постоянный по направлению, а знакопеременный вращающий момент. Среднее значение электромагнитного момента будет равно нулю, поэтому СД не сможет разогнаться до синхронной скорости Ω₀ без при­менения специальных мер по его запуску.

Осуществить пуск СД можно используя преобразователь частоты, включенный в цепь обмотки статора. При питании СД от преобразователя частоты мо­жет быть реализован так называемый частотный пуск, обеспечива­ющий с помощью специального задатчика такой темп изменения частоты и величины питающего СД напряжения, а, следовательно, и скорости вращения его магнитного поля, при котором ротор «успевает» за полем и двигатель работает синхронно с источником питания уже с самых малых своих скоростей. Для такого способа пуска характер­ны к тому же и меньшие потери энергии в двигателе при пуске.

Другой способ пуска, который в настоящее время находит ограниченное применение, связан с использованием небольшого по мощности вспомогательного двигателя, устанавливаемого на валу СД. С помо­щью этого двигателя ротор ненагруженного СД разгоняется до синхронной ско­рости, после чего осуществляется его син­хронизация с сетью. В системах «СД - генератор постоянного тока» в качестве вспомогательного двигателя может ис­пользоваться генератор, работающий в период пуска в двигательном режиме.

Наибольшее же распространение по­лучил способ пуска СД, называемый асинхронным. Для его реализации на роторе СД укладывается дополнительная пусковая обмотка, выполняемая аналогично короткозамкнутой обмотке АД типа беличьей клетки.

В этом случае при подключении СД к сети переменного тока происходит его разбег аналогично АД. При подсинхронной скорости СД, отличающейся от синхронной на несколь­ко процентов (3-5%), обмотку возбуждения необходимо подключить к источнику постоянного тока. Двигатель втягивается в синхронизм с сетью и далее работает как синхронный двигатель.

В зависимости от своих параметров пусковая обмотка СД обес­печивает два основных вида механической пусковой характеристи­ки (рис. 142). Характеристика 1 обеспечивает более высокий синх­ронизирующий (входной) момент М_в1 по сравнению с характерис­тикой 2, но меньший начальный (пусковой) момент М_п1 < М_п2. Вы­бор вида пусковой характеристики СД определяется конкретными условиями его работы и видом производственного механизма.

Рис.143. Пусковые характеристики СД при асинхронном способе пуска

При пуске СД используются две основные схемы его возбужде­ния. При использовании схемы с подключением возбудителя в кон­це пуска, приведенной на рис. 144, на первом этапе пуска контакт 6 разомкнут, а контакт 4 замкнут. Обмотка возбуждения 2 двига­теля 1 оказывается замкнутой на резистор 3 и асинхронный пуск происходит в бла­гоприятных условиях. В конце пуска при достижении подсинхронной скорости по команде специального реле управления, в качестве которого могут быть использо­ваны реле частоты, тока или времени, кон­такт 4 размыкается, а контакт 6 замыка­ется. В результате в обмотку возбуждения 2 подается ток от возбудителя 8 и СД втя­гивается в синхронизм. Регулирование тока возбуждения осуществляется резис­тором 5 в цепи обмотки возбуждения 7 возбудителя.

Вторая схема возбуждения СД (см. рис. 141, а), более простая, по­лучила название схемы с постоянно (глухо) подключенным возбу­дителем. В этой схеме обмотка возбуждения с самого начала пуска постоянно подключена к возбудителю 2. При скорости Ω≈0,7Ω₀ происходит самовозбуждение возбудителя и в обмотку возбужде­ния СД подается ток возбуждения, благодаря чему при достижении подсинхронной скорости двигатель втягивается в синхронизм.

Пуск по схеме рис. 141, а происходит в менее благоприятных ус­ловиях, так как пусковой момент СД оказывается ниже, чем при использовании схемы рис. 144, что затрудняет его синхронизацию. Поэтому эта схема применяется при относительно легких условиях пуска СД, когда момент нагрузки на его валу не превосходит 50% его номинального момента, а инерционные массы ЭП и исполни­тельного органа невелики. При более трудных условиях возбуди­тель подключается в конце пуска (по схеме, приведенной на рис. 144).

Пуск СД может происходить с ограничением пускового тока или без него. В большинстве случаев СД мощностью до нескольких со­тен киловатт (а иногда и более) при наличии мощной питающей сети запускаются прямым подключением к сети без ограничения тока. Кратность пускового тока по отношению к номинальному при прямом пуске составляет обычно 4...5.

Рис.144. Схема СД с подключением возбудителя в конце пуска

При пуске СД большей мощности (несколько тысяч киловатт), соизмеримой с мощностью питающей сети, возникает необ­ходимость ограничения пусковых токов, что достигается чаще все­го использованием добавочных резисторов, реакторов или авто­трансформаторов.

Замыкая выключатель 1 в схеме с реактором (рис. 145, а), при от­ключенном выключателе 2 осуществляют пуск СД 4 с реактором 3 в цепи статора, обеспечивающим снижение пускового тока до до­пустимого уровня. При достижении СД подсинхронной скорости замыкают выключатель 2, который шунтирует реактор, и двигатель оказывается подключенным к сети. Автоматизация пуска осуществ­ляется обычно в функции времени. В некоторых схемах вместо ре­актора применяются более дешевые активные резисторы.

В случае использования автотрансформатора 3 (см. рис. 145, б) при пуске замыкают выключатели 1 и 5 и к СД 4 подводится пони­женное напряжение. При достижении им подсинхронной скорости отключается выключатель 5, замыкается выключатель 2 и СД под­ключается непосредственно к выводам питающей сети.

Рис. 145. Схема пуска СД с ограничением тока с помощью реактора (а) и автотрансформатора (б)

При использовании автотрансформатора пусковой ток снижа­ется пропорционально квадрату отношения напряжений СД и сети (U_д/U_с)², а при использовании реакторов или резисторов - пропор­ционально первой степени этого отношения. Однако автотрансформаторный спо­соб пуска является более сложным, дорогим и менее надежным по сравнению с реакторным (резисторным) и применяется реже.

Регулирование скорости и торможение синхронного двигателя

Основной областью применения СД до недавнего времени были нерегулируемые по скорости ЭП большой мощности. Появление статических преобразователей частоты определило практические возможности создания регулируемых синхрон­ных ЭП по системе ПЧ - СД, основные принци­пы построения и свойства которой аналогичны системе ПЧ - АД.

Торможение СД, как и любого другого элек­тродвигателя, осуществляется переводом его в генераторный режим.

Рис.146. Схема динамического торможения СД

Наиболее часто при этом используется схе­ма динамического торможения, приведенная на рис. 146 (генераторный режим при работе СД независимо от сети

переменного тока). В этой схеме обмотки статора СД 2 от­ключаются от сети переменно­го тока и закорачиваются на до­бавочные резисторы 1 (или на­коротко), а обмотка возбужде­ния остается подключенной к источнику возбуждения U_в че­рез резистор 3.

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

Синхронный двигатель как компенсатор реактивной мощности

Возможность работы СД в качестве источника (компенсатора) реактивной мощности иллюстрируют так называемые U-образные характеристики (рис. 147), представляющие собой зависимости тока статора двигателя I₁ и его cosφ от тока возбуждения I_в при постоян­ных напряжении, частоте и мощности U_ф = const, f₁ = const и Р₁ = = const.

Минимуму зависимости I₁(I_в) соответствует максимум коэффи­циента мощности cosφ = 1, что можно объяснить с помощью фраг­мента векторной диаграммы синхронного двигателя (рис. 147), по­казывающего расположение векторов напряжения сети U_ф, тока ста­тора I₁, его активной I_1а и реактивной I_1р составляющих при раз­личных токах возбуждения СД.

При небольших токах возбужде­ния ток статора I₁ отстает от напря­жения U_ф на угол φ, что соответству­ет работе СД с отстающим cosφ и по­треблению им реактивной энергии из питающей сети, так как активная со­ставляющая полного тока I_1а= I₁cosφ совпадает по направлению с векто­ром напряжения сети U_ф, а реактив­ная составляющая I_1р отстает от него на 90^о, что и определяет потребление реактивной мощности из сети.

Допустим, что трехфазный СД работает при постоянной механической на­грузке и потребляет из сети активную мощность

Р₁=3U_фI₁соsφ = 3U_фI_1а. (255)

Из (255) следует, что при Р₁ = const ток I_1а = const. Поэтому при увеличении тока возбуждения СД конец вектора полного тока I₁ будет перемещаться вверх до штриховой вертикальной линии, что означает уменьшение реактивной составляющей тока. При не­котором токе возбуждения, близком к номинальному, реактив­ная составляющая тока станет равной нулю, т.е. ток статора бу­дет чисто активным I_1а. Этому режиму и будут соответство­вать точки минимумов кривых 1, 2 I₁(I_в) на рис. 147 и максимально воз­можное значение cosφ= 1.

При дальнейшем увеличении тока возбуждения СД вновь по­явится реактивная составляющая тока I_1р, но уже опережающая на­пряжение сети на 90°. За счет этого ток статора будет также опере­жать напряжение сети и СД начнет работать с опережающим cosφ, отдавая реактивную энергию в питающую сеть.

На рис. 147 показаны зависимости I₁(I_в) - кривые 7, 2 и cosφ(I_в)- кривые 5, 4 при номинальной нагрузке СД Р_ном (7 и 5) и его холос­том ходе (2 и 4). Область характеристик справа от штриховой ли­нии 5 соответствует работе СД с опережающим cosφ, слева от нее - с отстающим, на самой этой линии cosφ = 1. Отметим, что СД без механической нагрузки на валу носит название компенсатора реак­тивной мощности.

Рис.147. U - образные характеристики СД

и часто используется в этой функции в системах электроснабжения.

Как видно из рис. 147, с ростом мощности нагрузки область ге­нерации реактивной мощности (опережающего cosφ) смещается в сторону больших токов возбуждения. Таким образом, если СД ра­ботает с переменной нагрузкой на валу, то для полного использо­вания его компенсирующих свойств требуется соответствующее из­менение тока возбуждения.

Рис.148. Векторная диаграмма СД

Регулирование тока возбуждения позволяет не только исполь­зовать СД как компенсатор реактивной мощности в системе элект­роснабжения, но и обеспечивать при необходимости устойчивость работы двигателя при колебаниях механической нагрузки; поддер­жание нормального напряжения в узле системы энергоснабжения, к которому присоединен двигатель; минимум потерь энергии в дви­гателе и системе энергоснабжения; регулирование cosφ двигателя или в узле подключения его к системе энергоснабжения.

В общем случае регулирование тока возбуждения СД осущест­вляется системами автоматического регулирования возбуждения (АРВ), в которых используются тиристорные возбудители и различ­ные виды обратных связей.

Особенности переходных процессов электропривода с синхронным двигателем. Переходные процессы в ЭП с СД отличаются большим разнооб­разием и сложностью. Они возникают при пуске и торможении (ос­танове) СД, при синхронизации его с сетью, увеличении (набросе) и снижении (сбросе) механической нагрузки, регулировании тока воз­буждения, изменении напряжения питающей сети, вызываемом, в том числе и короткими замыканиями в электрических сетях и линиях элек­тропередач. Изучение этих переходных процессов представляет со­бой сложную задачу. Определяется это тем, что СД имеет несколько обмоток - статора, возбуждения и пусковую, обтекаемые перемен­ным и постоянным токами, которые маг­нитно связаны друг с другом и в процес­се работы двигателя непрерывно меня­ют расположение относительно друг друга. Кроме того, во многих случаях необходимо учитывать и взаимодействие СД и питающей сети.

В общем случае переходные процес­сы в синхронном ЭП являются электро­механическими, т.е. процессы в элект­рической и механической частях ЭП связанны друг с другом и имеют, как правило, колебательный характер. На рис. 149 в качестве примера показаны графики колебательного затухающего переходного процесса при вхождении СД в синхро­низм.

Рис. 149. Графики переходного процесса вхождения СД в синхронизм

Вопросы для самоконтроля

1. Какие достоинства присущи СД?

2. Что такое угловая характеристика СД?

3. В чем состоят особенности пуска СД?

4. Как включается обмотка возбуждения СД при пуске?

5. Как ограничиваются токи при пуске СД?

6. Что такое U-образные характеристики СД?

7. Как с помощью СД можно компенсировать реактивную мощность в пи­тающей сети?

8. Каким образом происходит регулирование тока возбуждения СД?

9. В чем особенности переходных процессов в ЭП с СД?