Что такое угловая характеристика синхронного двигателя

Угловые и U-образные характеристики синхронного двигателя

Синхронный двигатель потребляет электрическую мощность Р₁из сети. Часть этой мощности расходуется на электрические потери в обмотке якоря Р_эа и магнитные потери Р_м в статоре, а остальная её часть передается вращающимся магнитным полем от статора к ротору. Эта мощность называется электромагнитной. 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. Указанное преобразование мощности в синхронном двигателе показано на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Энергетическая диаграмма синхронного двигателя

Уравнения для электромагнитной мощности синхронного двигателя можно получить из векторных диаграмм. Если пренебречь активным сопротивлением обмотки статора, то для двигателя будут справедливы те же выражения, что и для генератора (см. гл.3). Например, для явнополюсного двигателя электромагнитная мощность равна:

(4.1)

В неявнополюсном двигателе х_d=х_q , и поэтому вторая составляющая Р» будет отсутствовать. Электромагнитный момент получим, если (4.1) разделим на угловую скорость поля и ротора ω₁=ω:

(4.2)

В двигателе электромагнитный вращающий момент направлен в сторону вращения, тогда как в генераторе — против вращения. В явнополюсном двигателе за счет второй составляющей М» (реактивного момента) вращающий момент может создаваться и при отсутствии возбуждения I_в = 0(Е₀=0). Напомним, что в (4.1) и (4.2) угол θ следует принимать отрицательным.

Рис. 4.3. Угловая характеристика электромагнитного момента явнополюсного синхронного двигателя

На рис. 4.3 показана угловая характеристика М= f(θ) для двигательного режима (нижняя часть). Для сопоставления там же приведена аналогичная характеристика для генератора. Утолщенная часть кривой соответствует устойчивой части характеристики. Величина M_max характеризует перегрузочную способность машины. Отношение M_max/М_номназывается кратностью максимального момента. Согласно ГОСТ 183-74 эта кратность должна быть не менее 1,65. Из (4.2) видно, что M_max в синхронных двигателях прямо пропорционален подводимому напряжению Uи ЭДС Е₀.Это относится как к неявнополюсному двигателю, так и с некоторым приближением к возбужденному явнополюсному двигателю, так как у последнего M_max определяется главным образом первой составляющей. Зависимость М= f(θ), представляющая собой угловую характеристику синхронного двигателя, является его механической характеристикой. При номинальной нагрузке θ_ном =20-30°.

U-образныехарактеристики двигателя могут быть построены так же, как и для генератора (см. гл. 3). U -образные характеристики для различных значений Р (или М) представлены на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Зависимости I= f(I_в) и cos φ = f(I_в) для синхронного двигателя при различных значениях Р(М):

При перевозбуждении двигатель генерирует реактивную мощность непосредственно у потребителя, что способствует повышению cos φ сети. Это позволяет снизить реактивную мощность, вырабатываемую синхронными генераторами на электрических станциях, и уменьшить потери в линиях электропередачи. 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 cos φ _ном=0,9. Работа с перевозбуждением предпочтительна также и для повышения максимального момента двигателя.

В соответствии с приведенными U-образными характеристиками на рис. 4.4 построены зависимости cos φ = f(I_в)при различных значениях М. Отсюда следует, что при любых нагрузках па валу синхронные двигатели могут работать с различными значениями cos φ, в том числе и с cos φ = 1. Достигается это изменением тока в обмотке возбуждения.

Что такое угловая характеристика синхронного двигателя

Синхронные двигатели начинают широко внедрять в строительное производство, применяя их для привода машин средней и большой мощности, не требующих регулирования скорости: компрессоров, насосов, камнедробилок, экскаваторов.

Синхронный двигатель имеет неизменную скорость вращения, поэтому его механическая характеристика представляет прямую линию, параллельную оси абсцисс. В квадранте координатной системы она характеризует двигательный, а в квадранте — генераторный режим (рис. 35,а).

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Рис. 35. Механическая и угловая характеристики синхронного двигателя
а — механическая характеристика; б — угловая характеристика

Синхронный двигатель обладает абсолютно жесткой механической характеристикой. Однако его момент не может иметь беспредельно большого значения. При некотором предельном или максимальном значении нагрузочного момента синхронный двигатель выходит из устойчивой синхронной работы и останавливается.

При увеличении нагрузки синхронного двигателя ротор его начинает отставать от поля статора, угол внутреннего сдвига фаз © при этом возрастает. Увеличению угла © соответствует рост момента синхронного двигателя. Однако при возрастании до значений, больших момент начинает уменьшаться и становится возможным выпадение из синхронизма и остановка двигателя.

Синхронный двигатель может работать и генератором с отдачей энергии в сеть при синхронной скорости, когда нагрузочный момент на его валу будет иметь отрицательное значение. Такой режим используется в сетевых двигателях преобразовательной группы системы Г—Д. Для целей торможения такой режим практического значения не имеет, поскольку при этом нельзя получить снижения скорости.

Торможение синхронных двигателей противовключе-нием практически не применяется из-за больших толчков тока и усложненной аппаратуры управления. Вместо этого обычно применяют динамическое торможение.

При динамическом торможении синхронного двигателя к кольцам ротора подводится постоянный ток, а обмотка статора замыкается на сопротивление. Механические характеристики синхронного двигателя в этом режиме будут подобны характеристикам асинхронного двигателя при динамическом торможении.

Современные синхронные двигатели имеют в роторе кроме нормальной рабочей обмотки, питаемой постоянным током, еще и специальную пусковую короткозам-кнутую обмотку. С помощью этой обмотки двигатель пускается в ход как асинхронный, поэтому в пусковых режимах он обладает асинхронной характеристикой.

Хотя синхронный двигатель является несколько более сложной машиной, чем асинхронный двигатель с ко-роткозамкнутым ротором (из-за наличия у первого возбудителя, колец и щеточного устройства), тем не менее он применяется очень широко, заменяя асинхронный электродвигатель. Объясняется- это главным образом тем, что синхронный двигатель может работать с опережающим cos ф, отдавая в сеть реактивную мощность, необходимую для возбуждения асинхронных машин и трансформаторов. Тем самым повышается cos ф всего предприятия в целом и уменьшается мощность компенсирующих устройств. При значительной мощности синхронных двигателей в данной электроустановке от компенсирующих устройств можно полностью отказаться. Коэффициент полезного действия синхронных двигателей и надежность их выше, чем асинхронных, вследствие увеличенного зазора между статором и ротором и меньшей чувствительности к изменениям напряжения сети. Последнее обстоятельство вызывается тем, что момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения сети, а момент синхронного — первой степени напряжения.

Для уменьшения величины пусковых токов и связанного с ними снижения напряжения, особенно в сетях небольшой мощности, пуск синхронных двигателей осуществляется обычно через реактор, а в некоторых случаях— через автотрансформатор. Ограничение пусковых токов защищает обмотки двигателей от повышенных динамических нагрузок, возникающих при прямом включении в сеть.

МЕХАНИЧЕСКАЯ И УГЛОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Как было показано, в синхронном Двигателе скорость вращения ротора равна синхронной скорости вращения статора и не зависит от нагрузки, т. е. механическая характеристика синхронного дви­гателя представляет прямую, параллельную оси абсцисс (абсо­лютно жесткая механическая характеристика, рис. 31, а). Однако такую характеристику двигатель имеет при нагрузке от нуля до определенного максимального значения Мтгх. При увеличении нагрузки больше Л4шах двигатель выходит из синхронизма. Для современных синхронных двигателей максимальный момент равен 250—350% от Мн. Для решения вопроса об устойчивой работе дви­гателя существенное значение имеет угловая характеристика, ко­торая устанавливает зависимость момента двигателя от угла 0 Ш = /(9)1- Аналитическое выражение угловой характеристики

легко получить на основании упрощенной векторной диаграммы синхронного двигателя (см. рис 30, в) Так как при построении упрощенной векторной диаграммы принято = 0, то активная

Это выражение является угловой характеристикой синхронного двигателя

M = MmaxSin0. (11.101)

На рис, 31, б приведена угловая характеристика для двигатель­ного и генераторного режимов.

Максимальный момент двигатель развивает при угле 0 = 90°.

Рис 31 Механическая (а) и угловая (б) характеристики синхронного дви­гателя

мощности за’бираемая от сети, будет являться и электромагнитной мощностью, передаваемой ротору (Рг = Ра)

Pl^Pa^ Зи1ф11ф COS ф 10-3 кВт.

При дальнейшем увеличении нагрузки растет угол 0, а момент двигателя снижается и двигатель выпадает из синхронизма.

Из уравнения (11.102) видно, что максимальный момент син­хронной машины пря>мо пропорционален напряжению сети £/1ф и э. д. с. Е0, т. е. току возбуждения двигателя. Увеличение тока воз-

Из векторной диаграммы (см. рис. 30, в) /1фХ5 cos (f = Eq sm 0, откуда

Электромагнитный момент синхронного двигателя

Р а _____ Зб^ф Eq

буждения повышает максимальный момент и наоборот. Этим свой­ством пользуются при работе привода на ударную нагрузку. В момент пиковой нагрузки (например, при захвате металла вал­ками) повышают ток возбуждения (увеличением напряжения воз­будителя), увеличивая тем самым Л1шах (Е0) и устойчивость двига­теля.

Учитывая, что перегрузочная способность двигателя Я = _ Mmax _ Sin 90_ должна бЫТЬ не ниже 2—З, ЛЄГКО ОПрЄДЄЛИТЬ

угол 0Н*. sin 0Н = 0,5-7-0,33, а значит, 0Н = 30-т-20°.

Синхронные двигатели в прокатных цехах получили широкое распространение для привода нерегулируемых приводов черновой группы клетей непрерывных станов и для вращения мощных гене­раторов в системах Г—Д.

Из тормозных режимов работы в приводе с синхронным двига­телем в основном применяют динамическое торможение. Для этого обмотки статора отключают от сети и замыкают на сопротивления В этом случае двигатель работает в режиме синхронного генера­тора р механические характеристики аналогичны характеристи­кам при динамическом торможении асинхронного двигателя.

Использовать генераторный режим синхронного двигателя с отдачей энергии в сеть для торможения не представляется воз­можным, так как такой режим возможен только при синхронной скорости вращения ротора.

Основным преимуществом синхронных двигателей является высокий cos ф, который может быть равен единице, а также может быть опережающим (примерно 0,8—0,9). В последнем случае дви­гатель будет отдавать^в сеть реактивную мощность и исправлять тем самым cos ф сети потребителя.

Улучшение COS ф легко понять из рассмотрения упрощенной векторной диаграммы (рис. 30, в). Если при той же нагрузке двигателя увеличивать ток возбуждения (перевозбуждать ма — Шину), то это приведет к росту Е0, и суммарный вектор 11фХ3 = е= U 1(ь — Е0 будет менять фазу относительно питающего напряже­ния £71ф. Можно обеспечить такое возбуждение двигателя, чтобы вектор /1фХ5 был перпендикулярен вектору t/ц,, тогда вектор тока /1ф будет совпадать с вектором [/іф, т. е. ф = 0 и cos ф = 1. Дальнейшее увеличение силы тока возбуждения (Е0) приводит к тому, что угол между £/1ф и /хфХ5 становится больше 90° и, сле­довательно, вектор тока /1ф будет опережать вектор £У1ф и угол ф будет отрицательным, т. е. двигатель будет отдавать реактивную энергию в сеть.

При данной полезной мощности двигателя Рх = 3£/1ф/1ф X X cos фЮ-3 ток /1ф, определяющий количество меди в двигателе, увеличивается с уменьшением cos ф, что приводит к увеличению раз­меров двигателя и его стоимости. Одновременно растет количество меди, размеры и стоимость генераторов, трансформаторов, аппа­

ратуры и сети Поэтому электрические станции для потребителей устанавливают тариф на электроэнергию в зависимости от значе­ния cos ф. Чем выше cos ф, тем ниже стоимость электроэнергии по тарифу.

Синхронные двигатели в качестве прокатных более надежны по сравнению с асинхронными Это обусловливается значительно большим (в 3—4 раза) воздушным зазором между статором и рото­ром, а также низким напряжением в роторе двигателя Малый зазор у асинхронного двигателя необходим для уменьшения на­магничивающего тока и улучшения cos ф Кпд синхронного двигателя на 0,5—3% выше, чем у асинхронных двигателей той же мощности К достоинству синхронного двигателя следует также отнести простоту конструкции и надежность в эксплуатации

К числу недостатков электропривода с синхронным двигателем относится необходимость в постоянном токе для возбуждения дви­гателя и необходимость специальных пусковых обмоток для полу­чения приемлемых пусковых характеристик

Синхронный двигатель развивает вращающий момент лишь при условии, когда ротор вращается синхронно с вращающимся ма­гнитным полем статора. При неподвижном роторе вращающий момент отсутствует. Поэтому для разгона синхронного двигателя ротор последнего снабжается короткозамкнутой обмоткой, стержни которой закладываются в полюсные наконечники. Двигатель пу­скается в ход как асинхронный короткозамкнутый При достиже­нии 95—98% синхронной скорости в обмотку возбуждения по­дается постоянный ток и ротор в результате взаимодействия ма­гнитных потоков статора и ротора втягивается в синхронизм и про­должает работать, как синхронный. Так как при синхронной ско­рости пусковая короткозамкнутая обмотка не пересекает магнит­ных линий, то в ней не наводится э д с и по ней не протекает ток.

Пусковые механические характеристики асинхронного режима синхронного двигателя подобны х-арактеристикам короткозамкну­тых двигателей. Подбором материала пусковой обмотки и формы стержней можно получить приемлемую пусковую характеристику. При пуске синхронного двигателя обмотка возбуждения отсоеди­няется от сети постоянного тока, однако оставлять ее разомкнутой нельзя, так э. д. с., наводимая в обмотке ротора, может достигнуть большой величины и может быть нарушена изоляция машины Поэтому на время пуска обмотку возбуждения замыкают на раз­рядное сопротивление, которое в 5—10 раз больше сопротивления обмотки возбуждения. Разрядное сопротивление включается в цепь обмотки до начала пуска и отключается после подачи возбужде­ния. В последнее время на металлургических заводах для упро­щения операции пуска синхронных двигателей все шире внедряется пуск методом самосинхронизации с подключенным возбудителем (так называемый «глухой пуск») В этом случае обмотка возбужде­ния подключается наглухо к якорю возбудителя, который в про­цессе пуска сэмовозбуждается и обеспечивает втягивание двига — теля в синхронизм. Опыт показывает, что при статическом моменте сопротивления на валу двигателя Мс = (0,25-і-0,35) Мн обеспечи­вается нормальный пуск двигателя.

Процесс пуска синхронного двигателя автоматизирован и сво­дится к нажатию кнопки «Пуск» или к повороту рукоятки универ­сального переключателя.

Что такое угловая характеристика синхронного двигателя

Название: Электроснабжение — Учебное пособие (Вячеслав Ольховский)

Жанр: Технические

Просмотров: 1615

Активная мощность синхронного двигателя

Для перевозбужденного неявнополюсного синхронного двигателя в соответствии с эквивалентной схемой в на рис.2.2 и в соответствии с выражением (2.1) можно записать следующее уравнение:

где — активная и реактивная составляющие тока статора.

На рис.2.4 а приведена векторная диаграмма синхронного двигателя, построенная на комплексной плоскости в соответствии с выражением (2.2).

Рис.2.4. Векторная диаграмма (а) и угловая характеристика (б)

На векторной диаграмме отрезки АБ и СД равны, поэтому:

Если умножить левую и правую части этого уравнения на величину , то получим угловую характеристику синхронного двигателя с гладким ротором:

Эта характеристика приведена на рис.2.4 б (кривая 1). Нормальному режиму работы соответствует выделенная жирной линией часть левой ветви этой характеристики. При этом мощность двигателя: , а угол нагрузки: . Кратность определяет запас статической устойчивости двигателя. При изменении тока возбуждения изменяется величина и соответственно максимальной мощности . Отсюда видно, что в стремлении иметь побольше величину на практике используется режим перевозбуждения синхронных двигателей, тем более, что в этом режиме двигатель является источником реактивной мощности.

Анализируя аналогично векторную диаграмму явнополюсного синхронного двигателя можно получить следующее выражение для активной мощности на валу:

По сравнению с неявнополюсными двигателями (2.3) здесь добавляется в правой части мощность, обусловленная несимметрией ротора по осям dq () — кривая 2 на рис.2.4 б. Кривая 3 соответствует суммарной мощности (2.4).

При изменении напряжения изменяется и угол . Так как скорость вращения ротора при этом не изменяется, то остается неизменной.

Отсюда очевидно, что при уменьшении (при ) активная составляющая тока статора увеличивается, при увеличении — уменьшается.

Поведение реактивной составляющей при изменении напряжения рассмотрено ниже.

Реактивная мощность синхронных двигателей

Из анализа векторных диаграмм получены следующие выражения для реактивной мощности:

для неявнополюсных двигателей:

Для явнополюсных двигателей величина мала, поэтому третьей составляющей в правой части последнего уравнения можно пренебречь и оно приобретает вид, идентичный уравнению (2.6).

Таким образом, реактивная мощность как явнополюсного, так и неявнополюсного двигателей имеет две составляющие:

— зависит от тока возбуждения, напряжения в сети и загрузки двигателя;

Рис.2.5. Зависимость реактивной мощности синхронного двигателя от

угла нагрузки (а) и от напряжения в сети (б) при различных значениях тока возбуждения.

— зависит только от квадрата напряжения.

Как видно из выражения (2.6) реактивная мощность синхронных двигателей зависит от трех параметров: величины тока возбуждения (), напряжения в сети и загрузки двигателя. Эта зависимость проиллюстрирована на рис.2.5, где кривые 1 соответствуют меньшему току возбуждения, кривые 2 — большему.

Кривые на рис.2.5 а характеризуют зависимость реактивной мощности синхронного двигателя от величины угла нагрузки при постоянстве и . Это косинусоиды, смещенные вниз относительно оси на величину . При этом, чем больше ток возбуждения (чем больше ), тем при больших значениях коэффициента загрузки (больших ) наступает момент, когда .

Кривые на рис.2.5 б отражают зависимость при неизменной загрузке и возбуждении двигателя.

При синхронный двигатель потребляет из сети только активную мощность. Если относительно этой точки увеличить ток возбуждения, либо уменьшится загрузка двигателя или напряжение в сети, то двигатель перейдет в режим перевозбуждения (). Если эти параметры изменятся в обратную сторону, то наступит режим недовозбуждения ().

Зависимость величины тока статора двигателя от величины тока возбуждения при постоянстве загрузки двигателя и напряжения в сети определяется U-образными характеристиками (рис.2.6)

Рис.2.6. U-образные характеристики синхронных двигателей:

кривая 1 для; 2 -для ; 3 -для

Ток статора имеет активную и реактивную составляющие

где — соответствует режиму перевозбуждения;

— в режиме недовозбуждения.

При холостом ходе (точка а1) при токе возбуждения ток статора минимален, так как не содержит реактивной составляющей (), а величина его определяется потерями холостого хода (механические потери и потери в стали). С увеличением минимум тока статора (точки а2 и а3) имеет место при больших токах возбуждения (). Правее пунктирной кривой а1а3 — режим перевозбуждения, левее — недовозбуждения.

Номинальный ток двигателя — максимально допустимый по нагреву обмотки статора ток. Так как , а реактивная составляющая зависит от тока возбуждения, то регулируя соответствующим образом , можно получить ток статора, равный номинальному, при любой загрузке двигателя, включая холостой ход (точки на рис.2.6).

Если при постоянстве и изменять загрузку двигателя от холостого хода до номинальной, то режим работы двигателя переходит из точки в и далее в . При этом возрастает активная составляющая тока статора и уменьшается реактивная .

Таким образом, если двигатель имеет , то увеличивая ток возбуждения можно получить от двигателя реактивную мощность, большую номинальной, что используется на практике для компенсации реактивных нагрузок. При этом естественно увеличиваются потери в обмотке статора, минимум которых соответствует кривой .

Если напряжение в сети отличается от номинального, то приведенные на рис.2.6 кривые сместятся: при увеличении напряжения — вправо, при снижении — влево. Рассмотрим, например точку . Этой точке соответствует для кривой 1 на рис.2.5 . При уменьшении напряжения двигатель переходит в режим перевозбуждения и начинает вырабатывать реактивную мощность . Чтобы обеспечить в этом случае , необходимо уменьшить ток возбуждения, то есть точка на рис.2.6 сместится влево.

Содержание

Читать: Аннотация
Читать: Введение
Читать: 1. асинхронные электродвигатели
Читать: 1.1. эквивалентная схема и векторные диаграммы асинхронного двигателя
Читать: 1.2. вращающий момент и механическая характеристика ад
Читать: 1.3. потери в асинхронных двигателях
Читать: Синхронные электродвигатели
Читать: Принцип работы и векторные диаграммы
Читать: Активная мощность синхронного двигателя
Читать: 2.4. потери в синхронных двигателях
Читать: 2.5. рабочие характеристики синхронного двигателя
Читать: 2.6. пуск синхронных двигателей
Читать: Самозапуск синхронных двигателей
Читать: Асинхронный режим синхронных двигателей
Читать: Литература