Меню

При каких условиях синхронный двигатель работает с отстающим током статора а при каких с опережающим

Лекция №14 Синхронные двигатели

Цель лекции:

ознакомить студентов:

— с назначением синхронных двигателей;

— с U-образными и рабочими характеристиками синхронного двигателя;

— с работой синхронной машины в двигательном режиме.

Содержание лекции:

— назначение синхронных двигателей;

— U-образные и рабочие характеристики синхронного двигателя;

— работа синхронной машины в двигательном режиме.

Синхронная машина может работать как в режиме генератора, так и в ре­жиме двигателя, т.е. потреблять из сети электрическую энергию и преобразо­вывать ее в механическую. Если после подключения синхронной машины к электрической сети приложить к его валу тормозной момент, т.е. момент на­грузки, направленный против вращения ротора, то вектор ЭДС сместится на угол Ө относительно его положения в режиме холостого хода в сторону а от­ставания. При этом в цепи статора появится результирующая ЭДС ∆ Е = Е+ Uс, создающая в обмотке статора ток I1, опережающий по фазе ЭДС Е £

на угол ψ. Ток 11 создает вращающееся синхронно с ротором магнитное поле, ось которого d’ — d’ смещена относительно продольной оси полюсов ротоpa d-d на угол Ө.

Возникшие при этом тангенциальные составляющие сил магнитного взаимодействия F1 = Fm SinӨ создадут на роторе двигателя вращающий электромагнитный момент М, направленный согласно с вращающим магнитным полем статора и приводящий во вращение ротор с синхронной частотой ω1. При этом синхронная машина потребляет из сети электрическую энергию и преобразует ее в механическую энергию вращения. Вращающий электромагнитный момент преодолевает момент холостого хода и создает полезный момент Mс, под действием которого приводится во вращение производственный механизм:

Отношение максимального момента к номинальному определяет перегрузочную способность синхронного двигателя

Рисунок 14.1 — Работа синхронной машины в двигательном режиме

При неизменном напряжении сети Uc результирующее магнитное поле синхронного двигателя постоянно. Поэтому при изменении МДС возбуждения Fв МДС статора Fa изменяется таким образом, чтобы их совместное действие оставалось неизменным, т.е. оставалось неизменным результирующее магнит­ное поле. Это изменение МДС Fa может происходить за счет изменения значе­ния и фазы тока, т.е. за счет изменения реактивной составляющей тока статора. При увеличении тока возбуждения от Iв=0, возрастает МДС ротора и уменьша­ется МДС статора, за счет уменьшения индуктивной (по отношению к напря­жению сети) составляющей тока статора Id, которая оказывает на магнитную систему подмагничивающее воздействие (см. рисунок 14.2). При этом полный ток статора I1=Ia+Id уменьшается, коэффициент мощности двигателя costφ1 увеличивается. При некотором значении тока возбуждения Iв, индуктивная составляющая тока ста­тора уменьшается до нуля. Ток статора станет чисто активным, а коэффициент мощности cosφ1 =1.

При увеличении тока возбуждения сверх значения 1ен, т.е. перевозбуждение вызывает увеличение тока Id, но теперь увеличивается емкостная (по отно­шению к напряжению сети) составляющая тока I1. Таким образом, при недовозбужденин синхронный двигатель работает с отстающим, а при перевозбужде­нии — с опережающим током.

Зависимость тока статора от тока возбуждения для синхронного двигате­ля представлена U образными характеристиками (см. рисунок 14.2). Синхронный двигатель является генератором реактивного тока: индуктивного по отношению к сети — при недовозбуждении и емкостного — при перевозбуждения. Указанная способность синхронных двигателей является их ценным качеством, которое используется для повышения коэффициента мощности электрических устано­вок.

Рабочие характеристики синхронного двигателя представляют собой за­висимости частоты вращения п2, потребляемой мощности Р1, полезного момен­та M2, коэффициента мощности cosφ и тока статора I1 от полезной мощности двигателя Р2.

Рисунок 14.2 — U-образные характеристики синхронного двигателя

Частота вращения ротора п2 = const и поэтому характеристика п2 =f(P2) прямая параллельная оси абсцисс. Полезный момент на валу M2=f(P21) харак­теристика M2=f(P2) имеет вид прямой, выходящей из начала координат.

Мощность, потребляемая из сети, Р1= Р2+∆Р, а так как с ростом нагрузки на валу растут и потери мощности ∆Р, то характеристика P1=f(P2) имеет не­сколько криволинейный характер.

Характеристика cosφ1=f(P2) зависит от характера возбуждения двигателя при холостом ходе. Если Соsφ10 = 1, то при увеличении нагрузки он уменьшает­ся.

Ток в обмотке статора с увеличением нагрузки на валу двигателя растет быстрее, чем потребляемая мощность p1 , вследствие умень­шения cosφ1.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник



При каких условиях синхронный двигатель работает с отстающим током статора а при каких с опережающим

§ 102. Синхронные двигатели

Синхронный двигатель не имеет принципиальных конструктивных отличий от синхронного генератора. Так же как и в генераторе, на статоре синхронного двигателя помещается трехфазная обмотка, при включении которой в сеть трехфазного переменного тока создается вращающееся магнитное поле, число оборотов в минуту которого равно:

На роторе двигателя помещена обмотка возбуждения, подключаемая к источнику постоянного тока. Ток возбуждения создает магнитный поток полюсов. Вращающееся магнитное поле, возбуждаемое токами обмотки статора, увлекает за собой полюсы ротора. При этом ротор может вращаться только с синхронной скоростью, т. е. со скоростью, равной скорости вращения поля статора. Таким образом, скорость синхронного двигателя строго постоянна, если неизменна частота тока питающей сети.
На рис. 136 результирующее магнитное поле статора и поле ротора в некоторой точке окружности статора изображены полюсами различной полярности (N и S). При вращении поле статора увлекает за собой полюсы ротора так, что магнитные поля статора и ротора вращаются синхронно, со скоростью v. Если на валу двигателя никакой нагрузки нет, т. е. он работает вхолостую, то, пренебрегая механическими потерями в двигателе (трением в подшипниках и трением о воздух вращающихся частей машины), можно считать, что ротор следует за полем статора и оси магнитных полей статора и ротора совпадают, т. е. угол между осями магнитных полей статора и ротора θ = 0 (рис. 136, а). Если на валу двигателя приложить некоторый тормозной момент Мт, развиваемый приемником механической энергии, то ротор на какой-то отрезок времени уменьшит свою скорость. Магнитное поле статора, вращающееся с неизменной скоростью, начнет перемещаться относительно ротора,

и угол между осями полей статора и ротора θ не будет равен нулю (рис. 136, б). При этом магнитные линии, растягиваясь и стремясь замкнуться кратчайшим путем, будут воздействовать на ротор так, чтобы ось поля ротора приблизилась к оси поля статора. Таким образом, при появлении угла между ссями магнитных полей статора и ротора θ двигатель развивает вращающий момент Мв. После восстановления равновесия моментов, когда вращающий момент станет равен моменту тормозному (Мв = Мт), ротор вновь будет вращаться синхронно с полем статора при неизменной величине угла θ.
При увеличении нагрузки двигателя, т. е. при увеличении тормозного момента на его валу Мт, ротор вновь несколько уменьшит свою скорость и угол θ начнет увеличиваться. Магнитные линии растягиваются больше, увеличивая вращающий момент Мв и равновесие моментов Мв = Мт наступает при большем значении угла θ. Уменьшение нагрузки на валу двигателя вызывает уменьшение угла θ.
Таким образом, у синхронного двигателя, так же как и у синхронного генератора, работающего на мощную сеть, изменение нагрузки вызывает изменение угла между осями магнитных полей статора и ротора. Отличительной особенностью двигателя является то, что если у генератора поле ротора было опережающим по отношению к полю статора, то у двигателя поле статора является опережающим, а поле ротора — отстающим.
Изменение нагрузки двигателя вызывает соответствующее изменение активной мощности, потребляемой им из сети. Это легко понять из векторной диаграммы, изображенной на рис. 137, a, и построенной для одной фазы обмотки статора двигателя. Под действием приложенного напряжения сети Uc возбуждается вращающееся магнитное поле статора, амплитуда которого изображена вектором Φp, повернутым относительно вектора Uc на 90° в сторону отставания (по часовой стрелке). При неизменном напряжении сети Uc амплитуда поля статора Φp также неизменна, т. е. на диаграмме вектор Φp постоянен.

Читайте также:  Необходимые условия протекания тока через человека реферат

При некоторой нагрузке двигатель потребляет из сети ток I, который при определенном токе возбуждения может быть совпадающим с напряжением по фазе (активным). Ток в обмотке статора I возбуждает поток реакции якоря Ф„, который пропорционален току в статоре и совпадает с ннм по фазе. Поэтому в ином масштабе вектор тока статора I представляет собой вектор потока реакции якоря Φя. Так как результирующее поле статора Φp есть результат совместного действия поля полюсов Φm и поля реакции якоря Φя и, следовательно, может быть представлено геометрической суммой векторов Φm и Φя, то вектор, соединяющий концы векторов Φя и Φp, является вектором потока полюсов Φm. Таким образом, при выбранной нагрузке между осями магнитных полей статора и ротора будет угол Θ.
Если увеличить нагрузку на валу двигателя, то угол между осями магнитных полей статора и ротора увеличится до значения Θ′ и на векторной диаграмме вектор Φ′m, оставаясь неизменным по величине (так как неизменен ток возбуждения), повернется относительно неизменного вектора Φp на угол Θ′. При этом изменится ток в статоре I′ и поток реакции якоря Φ′я. Активная составляющая тока в статоре I′ увеличится по сравнению с начальным током статора I, т. е. повысится активная мощность, потребляемая двигателем из сети. Следовательно, увеличение нагрузки на валу двигателя вызывает повышение активной мощности, потребляемой им из сети, а при уменьшении нагрузки двигателя активная мощность понижается.
Изменение тока возбуждения синхронного двигателя приводит к изменению реактивной мощности, потребляемой им из сети. На векторной диаграмме, построенной для одной фазы обмотки статора (рис. 137, б), изображен вектор напряжения сети Uc и неизменный (при неизменном напряжении сети Uc) вектор результирующего магнитного поля статора (амплитуда магнитного потока) Φp, повернутый относительно вектора Uc на 90° в сторону отставания (по часовой стрелке). Двигатель работает под нагрузкой и при определенном токе возбуждения (нормальное возбуждение) ток в обмотке статора Iсовпадает по фазе с напряжением сети Uc (ток чисто активный).
Вектор тока обмотки статора в ином масштабе представляет собой вектор потока реакции якоря Φя, пропорциональный току в обмотке статора и совпадающий с ним по фазе. Вектор, соединяющий концы векторов Φя и Φp, является вектором магнитного потока полюсов Φm. При изменении тока возбуждения синхронного двигателя потребляемая им из сети активная мощность остается неизменной, так как нагрузка на валу двигателя постоянна. Активная составляющая тока в обмотке статора будет также постоянной при изменении тока возбуждения. Поэтому конец вектора тока статора I и потока реакции якоря Φя может лежать только на прямой АВ, параллельной горизонтальной оси. Следовательно, вектор потока полюсов Φm будет всегда расположен так, что конец его совпадает с концом неизменного вектора потока результирующего поля статора Φp, а начало — с концом вектора потока реакции якоря Φя, т. е. на прямой АВ.
При повышении тока возбуждения (при перевозбуждении) увеличится и поток полюсов Φ′m, вектор которого расположен между прямой АВ и концом вектора Φp. Векторы тока в обмотке статора I′ и потока реакции якоря Φ′m опережают по фазе напряжение сети Uc, т. е. двигатель потребляет из сети реактивный опережающий ток, являясь по отношению к сети конденсатором. Уменьшение тока возбуждения (недовозбуждение) уменьшает поток полюсов Φ″m и ток в обмотке статора I″ окажется отстающим по отношению к напряжению сети, т. е. для питающей сети двигатель будет индуктивной нагрузкой.
Основным достоинством синхронных двигателей является возможность их работы с потреблением опережающего, тока, т. е. двигатель может представлять собой емкостную нагрузку для сети. Такой двигатель повышает cos φ всего предприятия, компенсируя реактивную мощность, потребляемую другими приемниками энергии.
Синхронные двигатели производят преимущественно с явновыраженными полюсами и работают они в нормальном режиме с перевозбуждением при опережающем cos φ = 0,8. Возбуждение синхронных двигателей осуществляется либо от возбудителей, либо от сети переменного тока через полупроводниковые выпрямители.
Пуск в ход синхронного двигателя непосредственным включением его в сеть невозможен, так как при включении обмотки статора в сеть создается вращающееся магнитное поле, а ротор в момент включения неподвижен и, следовательно, взаимодействия магнитных полей статора и ротора нет, т. е. двигатель не развивает вращающего момента. При неподвижном роторе вращающееся поле статора, взаимодействуя с полем ротора, будет развивать вращающий момент, непрерывно изменяющий направление. В некоторый момент времени (рис. 138) вращающий момент имеет одно направление. Спустя некоторый отрезок времени поле статора повернется относительно неподвижного ротора и направление вращающего момента изменится на обратное. Таким образом, результирующий вращающий момент за один оборот поля статора относительно неподвижного ротора равен нулю. Поэтому для пуска в ход двигателя необходимо предварительно увеличить число оборотов ротора его до синхронной скорости или близкой к ней.

В настоящее время исключительное применение получил так называемый асинхронный пуск синхронных двигателей, сущность которого заключается в следующем. В полюсных наконечниках ротора синхронного двигателя укладывается пусковая обмотка, выполненная в виде беличьего колеса подобно короткозамкнутой обмотке ротора асинхронной машины.
Обмотки статора двигателя включаются в трехфазную сеть и пуск его производится так же, как пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
После того как двигатель разовьет скорость, близкую к синхронной (примерно 95%), обмотка возбуждения включается в сеть постоянного тока и двигатель входит в синхронизм, т. е. скорость ротора увеличивается до синхронной.
При пуске в ход двигателя обмотка возбуждения замыкается на сопротивление примерно в 10 — 12 раз больше, чем сопротивление самой обмотки. Нельзя обмотку возбуждения при пуске в ход оставить разомкнутой или замкнуть накоротко. Если при пуске в ход обмотка возбуждения окажется разомкнутой, то в ней будет индуктироваться очень большая э. д. с., опасная как для изоляции обмотки, так и для обслуживающего персонала. Создание э. д. с. большой величины объясняется тем, что при пуске в ход поле статора вращается с большой скоростью относительно неподвижного ротора и с такой же скоростью пересекает проводники обмотки возбуждения, имеющей много витков.
Если обмотку возбуждения замкнуть накоротко при пуске в ход двигателя под нагрузкой, то он может развить скорость, близкую к половине синхронной, и войти в синхронизм не сможет.
Возможность работы с потреблением из сети опережающего тока дает возможность использовать синхронную машину в качестве компенсатора. Как было отмечено выше, синхронный двигатель для сети может являться конденсатором и повышать cos φ всей энергоустановки, компенсируя реактивную мощность других приемников энергии. Повышение cos φ снижает потребление реактивной мощности электроустановок предприятия и уменьшает стоимость электроэнергии.
Таким образом, синхронным компенсатором служит синхронный двигатель, работающий без нагрузки и предназначенный для повышения cos φ предприятия. Следовательно, синхронный компенсатор является генератором реактивной мощности.
Конструктивно синхронный 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 отдельном источнике постоянного тока для питания обмотки возбуждения.

Читайте также:  Процесс отключения цепей переменного тока

Источник

Пуск синхронных двигателей

Пуск синхронного двигателя непосредственным включением в сеть невозможен, так как ротор из-за своей значительной инерции не может быть сразу увлечен вращающимся полем статора, частота вращения которого устанавливается мгновенно. В результате устойчивая магнитная связь между статором и ротором не возникает. Для пуска синхронного двигателя приходится применять специальные способы, сущность которых состоит в предварительном приведении ротора во вращение до синхронной или близкой к ней частоте, при которой между статором и ротором устанавливается устойчивая магнитная связь.

В настоящее время практическое применение имеет способ пуска, получивший название асинхронного. Этот способ пуска возможен при наличии в полюсных наконечниках ротора пусковой обмотки (клетки), аналогичной успокоительной обмотке синхрон­ного генератора. Схема включения двигателя при этом способе пуска приведена на рис. 22.3, а. Невозбужденный синхронный двигатель включают в сеть. Возникшее при этом вращающееся магнитное поле статора наводит в стержнях пусковой клетки ЭДС, которые создают токи .

Рис. 22.3. Асинхронный пуск синхронного двигателя

Взаимодействие этих токов с полем статора вызывает появление на стержнях пусковой клетки электромагнитных сил . Под действием этих сил ротор приводится во вращение (рис. 22.3, б). После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной , обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока. Обра­зующийся при этом синхронный момент втягиваем ротор двигателя в синхронизм. После этого пусковая обмотка дви­гателя выполняет функцию успокоительной обмотки, ограничивая качания ротора.

Чем меньше нагрузка на валу двигателя, тем легче его вхождение в синхронизм. Явнополюсные двигатели малой мощности, пускаемые без нагрузки на валу, иногда входят в синхронизм лишь за счет реактивного момента, т. е. даже без включения обмотки возбуждения.

С увеличением нагрузочного момента на валу вхождение дви­гателя в синхронизм затрудняется. Наибольший нагрузочный момент, при котором ротор синхронного двигателя еще втягивается и синхронизм, называют моментом входа двигателя в синхронизм .

При асинхронном пуске синхронного двигателя возникает значительный пусковой ток. Поэтому пуск синхронных двигателей непосредственным включением в сеть на номинальное напряже­ние применяют при достаточной мощности сети, способной вы­держивать без заметного падения напряжения броски пускового тока пяти- или семикратного значения (по сравнению с номиналь­ным током). Если же мощность сети недостаточна, то можно при­менить пуск двигателя при пониженном напряжении: автотрансформаторный или реакторный.

Недовозбуждение и перевозбуждение. В процессе работы синхронно­го двигателя в его обмотке статора наводятся ЭДС, сумма которых приблизительно равна подведенному к обмотке статора напряжению сети . Эта сумма ЭДС эквивалентна ре­зультирующему магнитному полю, вызванному действием двух магнитодвижущихся сил: возбуждения и статора .

При неизменном напряжении сети резуль­тирующее магнитное поле постоянно. Поэтому при изменении МДС возбуждения (изменении тока возбуждения ) МДС ста­тора изменяется таким образом, чтобы их совместное действие оставалось неизменным, т. е. чтобы оставалось неизменным ре­зультирующее магнитное поле синхронного двигателя. Это изме­нение МДС может происходить только за счет изменения вели­чины и фазы тока статора , т. е. за счет изменения реактивной составляющей тока статора .

При этом полный ток статора уменьшается, а ко­эффициент мощности двигателя , увеличивается. При неко­тором значении тока возбуждения индуктивная составляющая тока статора падает до нуля. При этом ток статора достигнет ми­нимального (при данной нагрузке) значения, так как станет чисто активным , а коэффициент мощности, = 1.

Увеличение тока возбуждения сверх значения , т. е. пере­возбуждение двигателя, вызовет увеличение тока , но те­перь этот ток будет опережающим (емкостным) по отношению к напряжению . Таким образом, при недовозбужденш синхронный двигатель работает с отстающим током, а при пе­ревозбуждении с опережающим. Зависимость тока статора от тока возбуждения для синхронного двигателя представ­лена U-образными характеристиками (рис. 22.5). Ток возбуждения соответствует работе синхронного двигателя при коэффициен­те мощности = 1. При перевозбуждении двигателя в цепи статора появляется опережающий ток.

Иначе говоря, синхронный двигатель является генератором реактивного тока: индуктивного по отношению к напряжению сети при недовозбуждении и емкостного при перевозбуждении. Указанная способность синхронных двигателей является их ценным качеством, которое используют для повышения коэффициен­та мощности электрических установок.

Дата добавления: 2016-05-05 ; просмотров: 1792 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Синхронный двигатель

Принцип действия синхронного двигателя.

Так как синхронная машина обладает свойством обратимости, конструкция двигателя практически не отличается от конструкции синхронного генератора. Однако взаимодействие элементов теперь отвечает принципу действия двигателя.

Электрическая активная мощность Р потребляется из сети, в результате чего по обмоткам статора протекает ток . Ток , как и в генераторе, создаёт МДС Fст, а она – потоки Фd и Фр,я, наводящие в обмотке статора ЭДС и .

По обмотке ротора протекает ток возбуждения Iв, её МДС Fв создаёт магнитный поток ротора Ф. Вращаясь вместе с ротором, поток Ф в соответствии с законом электромагнитной индукции (ЭМИ) индуцирует в обмотке статора ЭДС , которая направлена против напряжения сети . Сумма ЭДС с учётом падения напряжения на активном сопротивлении обмотки статора уравновешивает напряжение сети . Магнитные потоки Ф, Фd и Фр,я образуют результирующий магнитный поток двигателя Фрез.

Вал двигателя сцеплён с валом рабочей машины РМ (например, со шпинделем металлорежущего станка), потребляющей механическую энергию и создающей момент сопротивления Мс. В результате действия тормозящего момента Мс полюсы ротора отстают от полюсов результирующего поля статора (см. рис. 4.6).

В двигательном режиме результирующий магнитный поток двигателя Фрез является ведущим; вращаясь, он увлекает за собой ротор, создавая вращающий момент М двигателя, преодолевающий тормозной момент Мс механической нагрузки.

Уравнение второго закона Кирхгофа для обмотки статора.

В двигательном режиме синхронная машина потребляет из сети ток , который направлен навстречу ЭДС (рис.4.14,а).

Уравнение, записанное по второму закону Кирхгофа для фазы обмотки статора

показывает, что противо-ЭДС и индуктивное падение напряжения jXсин уравновешивают напряжение сети (предполагается, что
=0).

Векторная диаграмма синхронного двигателя.

Векторная диаграмма построена по уравнению (4.4) на рис. 4.14, б. В результате действия механической нагрузки Мс ось магнитного потока ротора Ф отстает на угол от оси результирующего магнитного потока Фрез. Поэтому в двигательном режиме вектор ЭДС отстает по фазе на угол от вектора напряжения сети . Сопоставление векторных диаграмм синхронного двигателя (рис. 4.14,б) и синхронного генератора (см. рис. 4.13) показывает, что угол меняет свой знак. При построении векторной диаграммы двигателя вектор принимается за исходный.

Читайте также:  Пороговым неотпускающим переменным током является ток силой

Вектор тока отстает по фазе на 90° от вектора jXсин .

Мощность и вращающий момент синхронного двигателя.

Если пренебречь потерями, которые относительно малы, то активная потребляемая мощность равна электромагнитной мощности, т. е. мощности, передаваемой магнитным полем из статора в ротор , где — угол сдвига фаз между током и ЭДС.

Из треугольников Оса и асb векторной диаграммы на рис. 14.14, б следует, что отрезок , где —масштабный коэффициент. Подставляя значение IcosΨ в выражение для Рэм, получаем для механической мощности на валу двигателя
.

Механический момент на валу двигателя
,

где — угловая скорость ротора; Мтах = — максимальный момент, развиваемый двигателем. При постоянном напряжении сети Uc максимальный момент двигателя зависит только от ЭДС Е, т.е. от тока возбуждения ротора Iв.

Угловая и механическая характеристики.

В двигательном режиме угол положительный, поэтому на графике двигательному режиму соответствует положительная полуволна синусоиды. В генераторном режиме угол отрицательный, ему соответствует отрицательная полуволна синусоиды. В диапазоне угла нагрузки -90° Мmax , то угол нагрузки станет больше 90°, рабочая точка перейдёт на неустойчивый участок угловой характеристики. Вращающий момент двигателя М начнёт уменьшаться, ротор тормозиться, двигатель выйдет из синхронизма и может остановиться.

Аналогичные явления происходят и в генераторном режиме. Выход («выпадение») машины из синхронизма – явление недопустимое, оно может привести к тяжёлой тобы в номинальном режиме угол нагрузки и запас по моменту и активной маварии в электрической сети. Поэтому синхронные машины проектируются так, чощности составлял не менее 1,65.

Механической характеристикой синхронного двигателя называется зависимость частоты вращения от момента двигателя. В синхронном двигателе частота вращения ротора постоянна и от нагрузки не зависит. Поэтому механическая характеристика n(M) (рис. 4.18) – прямая, параллельная оси абсцисс.

Регулирование коэффициента мощности синхронного двигателя.

Если в этих условиях изменять ток возбуждения, ЭДС обмоток статора и изменяются так, что активная составляющая тока Icosφ и составляющая ЭДС остаются неизменными (рис. 14.17).

При изменении тока возбуждения вектор скользит вдоль прямой ab, изменяются положение вектора jXсин и угол φ сдвига фаз между током и напряжением сети , а, вследствие того, что , конец вектора тока скользит по прямой cd.

Когда ток возбуждения двигателя мал (недовозбуждение), = , ток отстаёт по фазе от и двигатель потребляет реактивную мощность. При некотором, относительно большом токе возбуждения = и ток является чисто активным.

Наоборот, при перевозбуждении и вектор тока опережает по фазе вектор напряжения , , ток, потребляемый двигателем из сети, имеет ёмкостную составляющую. Последнее весьма ценно, поскольку ёмкостный ток компенсирует индуктивные токи, потребляемые из сети другими потребителями (асинхронными двигателями, различного рода катушками и т.п.), и тем самым улучшается cosφ всей сети. Обычно синхронные двигатели работают с перевозбуждением при .

U – образные характеристики.

При уменьшении тока возбуждения Iв уменьшается ЭДС Е и угол увеличивается (рис.4.17).

Штриховая кривая АВ на рис. 4.18 представляет собой границу устойчивости, на которой =90°.

Наиболее экономичным для самого синхронного двигателя является режим работы с , так как двигатель развивает заданную механическую мощность при наименьшем, чисто активном токе статора.

Рис. 4.17 и 4.18

Обычно в эксплуатации синхронный двигатель перевозбуждают с целью улучшения cosφ сети. Режим перевозбуждения выгоден и тем, что уменьшается угол и возрастает перегрузочная способность двигателя. Вместе с этим следует учитывать, что обмотки статора двигателя рассчитаны на определённый ток с точки зрения нагрева. Поэтому, чем больше загрузка двигателя активным током Ia (определяющим механическую мощность и момент на валу), тем меньше возможности использования двигателя в качестве генератора реактивной (ёмкостной) мощности за счёт реактивной составляющей тока Ip.

Синхронные компенсаторы.

Пуск синхронного двигателя.

Пуск синхронного двигателя сопряжён с трудностями. Если статорную обмотку включить в трёхфазную сеть, а обмотку возбуждения питать от источника постоянного напряжения Uв (рис. 4.19), то ротор не сдвинется с места – из-за инерционности ротора вращающееся поле статора не успевает сцепиться с неподвижным полем ротора.

Распространение получил так называемый асинхронный пуск синхронного двигателя. Для осуществления асинхронного пуска ротор синхронного двигателя снабжается специальной пусковой короткозамкнутой обмоткой из медных или алюминиевых стержней типа беличьей клетки асинхронного короткозамкнутого двигателя. Пуск двигателя осуществляют следующим образом (рис. 4.19).

Вначале обмотка возбуждения синхронного двигателя замыкается на пусковой реостат Rп, сопротивление которого в 8 – 10 раз больше, чем сопротивление обмотки возбуждения (если оставить обмотку возбуждения разомкнутой, то в ней при пуске вращающимся полем статора будет наводиться значительная ЭДС, опасная для изоляции).

При включении обмотки статора на трёхфазное напряжение двигатель за счёт короткозамкнутой обмотки начинает работать как асинхронный. Когда частота вращения ротора двигателя достигает примерно 95% синхронной частоты вращения поля статора n, пусковой реостат Rп отключают, а обмотку возбуждения ротора включают на постоянное напряжение Uв.

Так как теперь частота вращения поля статора отличается незначительно от частоты поля вращающегося ротора, полюсы полей статора и ротора вступают во взаимодействие, двигатель втягивается в синхронизм и начинает работать как синхронный.

В рабочем, т.е. в синхронном, режиме токи в пусковой короткозамкнутой обмотке не возникают и она в работе машины не участвует. Однако при кратковременных толчках механической нагрузки на валу в пусковой обмотке токи наводятся и создают момент, демпфирующий колебания ротора.

Преимущества, недостатки и применение синхронных двигателей.

Наконец, вращающий момент синхронного двигателя пропорционален напряжению сети Uc . Поэтому при понижении напряжения в сети синхронный двигатель сохраняет большую перегрузочную способность, чем асинхронный, и, следовательно, обладает большей надёжностью.

Вместе с тем синхронный двигатель сложнее по конструкции, чем асинхронный той же мощности, и поэтому дороже. Синхронные двигатели должны иметь источник постоянного тока (специальный возбудитель или выпрямитель), пуск у них протекает сложнее, чем у асинхронных. Частотное регулирование является единственным способом регулирования угловой частоты вращения ротора синхронного двигателя.

Тем не менее, преимущества синхронных двигателей настолько велики, что при мощностях свыше 100 кВт их целесообразно применять всюду, где не требуется часто останавливать и пускать механизмы или регулировать их скорость. В настоящее время они применяются для привода преобразовательных агрегатов, компрессоров, насосов, вентиляторов, мельниц, дробилок, нерегулируемых прокатных станов и т.п.

Отечественная промышленность выпускает трёхфазные синхронные двигатели мощностью от 20 кВт до нескольких десятков тысяч киловатт при частотах вращения от 100 до 1000 об/мин в явнополюсном исполнении и при 1500, 3000 об/мин – в неявнополюсном, с различным исполнением по способу защиты от внешних воздействий (открытое, защищённое, закрытое и т.д.), с различным рабочим положением вала (горизонтальные, вертикальные) и с различными системами возбуждения: от генератора постоянного тока, расположенного на одном валу с двигателем, от тиристорных выпрямителей и т.д.

Источник