Механические и энергетические характеристики синхронных двигателей.

Синхронные трехфазные двигатели (СД) широко применяются в электроприводах самых разнообразных технологических машин. Схема включения СД приведена на рис. 2.21а, механические характеристики на рис. 2.21б.

Рис. 2.21. а) схема включения синхронного двигателя;

б) механические характеристики синхронного двигателя в режимах пуска и синхронного вращения.

Статор СД выполнен аналогично статору АД - три статорных обмотки расположены на статоре таким образом, что оси создаваемых ими потоков сдвинуты в пространстве на 120⁰. Подключение начал обмоток статора, которые на рис. 2.21а обозначены как С1, С2, С3, к трехфазной сети переменного тока со сдвигом напряжения между фазами на 120 электрических градусов приводит к появлению магнитного поля, вращающегося с синхронной скоростью ω₀=2πf₁/p. Здесь p – число пар полюсов статорных обмоток СД; f₁ – частота питающей сети. При p=1 вращающееся поле представляет собой два диаметрально противоположно расположенных разноименных полюса северного (N) и южного (S), которые и вращаются со скоростью ω₀.

Ротор СД выполняется с двумя обмотками: обмоткой возбуждения и короткозамкнутой пусковой обмоткой в виде «беличьей клетки». Обмотка возбуждения питается напряжением постоянного тока и при протекании в ней тока она превращается в электромагнит постоянного тока, разноименные полюса которого в зависимости от скорости вращения могут выполняться как явными, так и неявными, т.е. обмотка возбуждения распределяется по наружной поверхности ротора.

При неподвижном роторе разноименные полюса вращающегося поля статора и ротора не успевают притянуться. Вращающий момент двигателя равен нулю, а в обмотке возбуждения полем статора наводится столь большая э.д.с., что может наступить пробой изоляции обмотки возбуждения.

Для того, чтобы разноименные полюса статора и ротора притянулись (вошли в синхронизм) и при этом не появлялись существенно превышающие номинальные значения броски тока, ротор СД необходимо разогнать до подсинхронной скорости ω_П, которая равна ω_П=0,95ω₀. Для этого предназначена пусковая короткозамкнутая обмотка, т.е. СД запускается как АД с короткозамкнутым ротором. Пусковые характеристики АД при различных вариантах пусковой обмотки приведены на рис. 2.21б

У характеристики 1 пусковой момент М_П1 меньше пускового момента характеристики 2 - М_П2 , однако момент вхождения в синхронизм МВ₁ больше МВ₂. Выбор вида пусковой характеристики определяется конкретными условиями работы СД. Обмотка возбуждения СД при пуске закорачивается на разрядное сопротивление, что защищает ее изоляцию от перенапряжений. К источнику напряжения постоянного тока она подключается после того, как скорость ротора ω достигнет подсинхронной ω_П.

Пусковая обмотка СД во время пуска интенсивно нагревается, поэтому время тока СД ограничено.

После вхождения СД в синхронизм его скорость при изменении величины момента сопротивления на валу до некоторого максимального значения М_макс остается постоянной и равной скорости вращающегося магнитного поля – синхронной скорости ω₀. Поэтому его механическая характеристика, приведенная на рис. 2.21б, имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс. Если М_с превышает М_макс, то СД может выпасть из синхронизма.

Для определения максимального момента СД М_макс, до которого сохраняется синхронная работа СД, служит угловая характеристика СД. Она отражает зависимотсь вращающего момента М от внутреннего угла СД θ, представляющего собой угол сдвига между осью магнитного поля статора и осью поля ротора. Момент СД представляет собой синусоидальную функцию угла θ – М=М_максsinθ. Максимального значения вращающий момент СД достигает при θ=π/2. При больших значениях θ величина вращающего момента двигателя уменьшается и поэтому двигатель выпадает из синхронизма. Номинальному моменту двигателя М_ном соответствует номинальный угол θ_ном=25⁰÷30⁰. При таком значении θ_ном коэффициент перегрузки СД по моменту к_П=М_макс/М_ном=2÷2,5.

Синхронный двигатель может работать во всех режимах электрического торможения. Наиболее часто используется режим динамического торможения. Для его реализации обмотки статора СД отключают от сети и закорачивают на сопротивление динамического торможения R_ДТ, а обмотка возбуждения продолжает питаться постоянным током. Механические характеристики СД аналогичны характеристикам АД при динамическом торможении (см. рис. 2.20б).

Торможение противовключением используется редко из-за того, что перевод СД в этот режим сопровождается значительными бросками тока и требует применения сложных схем управления.

Работа системы электроснабжения характеризуется потреблением электроприемниками реактивной мощности. Это вызывает дополнительные потери энергии в элементах системы, снижение уровня напряжения и необходимость иметь повышенную пропускную способность подстанций и распределительных сетей, что снижает экономичность работы системы. В связи с этим для улучшения показателей работы системы электроснабжения необходимо производить компенсацию реактивной мощности, что может осуществляться несколькими способами.

Рис. 2.22. U-образные характеристики СД.

Один из эффективных способов компенсации реактивной мощности связан с использованием СД, который за счет регулирования тока возбуждения может осуществлять генерацию реактивной мощности в электрическую сеть. В этом случае СД работает с опережающим коэффициентом cos φ. Возможность работы СД в качестве компенсатора реактивной мощности иллюстрируют U-образные характеристики СД, приведенные на рис. 2.22. Эти характеристики показывают зависимости тока статора I₁ и его cos φ от тока возбуждения I_В при U=const и Р=const.

Характеристики I₁(I_В) показывают, что при увеличении от нуля тока возбуждения ток статора вначале уменьшается, что происходит за счет уменьшения его реактивной составляющей. При некотором токе возбуждения она становится равной нулю, а cos φ=1. При дальнейшем увеличении тока возбуждения вновь появляется и увеличивается реактивная составляющая тока статора, но уже с опережающей фазой. Синхронный двигатель начинает работать генератором реактивной энергии с отдачей ее в сеть.

Характеристики рис. 2.22 позволяют выявить также зависимость компенсирующей способности СД от мощности Р на его валу. Как видно из рис. 2.22 с ростом мощности Р область генерации реактивной мощности (опережающего cos φ) смещается в сторону больших токов возбуждения. Другими словами, при неизменном токе возбуждения с изменением мощности на валу отдаваемая в сеть реактивная мощность также меняется.

Из сказанного следует важный вывод: если СД работает с переменной нагрузкой на валу, то для полного использования его компенсирующих свойств требуется регулирование тока возбуждения.

Следует подчеркнуть, что при использования СД в качестве источника реактивной мощности необходимо обеспечивать повышенные токи возбуждения и увеличивать габаритную (полную) мощность СД, что не является ограничивающим фактором для такого применения СД. Покажем это следующим несложным расчетом.

Запишем отношение полной (габаритной) мощности S к активной мощности Р

.

Пусть требуется, чтобы реактивная опережающая мощность составляла 40% активной мощности, т.е. Q/P=0,4. Расчет выявляет, что при этом отношение S/Р составит 1,08, т.е. генерирование указанной реактивной мощности потребует увеличения габаритной мощности только на 8%. Это показывает, что использование СД для компенсации реактивной мощности является выгодным.

При использовании СД для компенсации реактивной мощности обычно требуется рассматривать в комплексе несколько вопросов. Одним из основных является технико-экономическое обоснование использования данного способа компенсации реактивной энергии. Как известно, кроме СД для этой цели могут использоваться также статические компенсирующие устройства (конденсаторы) и синхронные компенсаторы. Среди приемлемых вариантов экономически целесообразным будет тот, который обеспечивает минимум приведенных годовых затрат:

З=К_н,эК+С_э=min,

где К_н,э – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений К; С_э - эксплуатационные расходы.

Если в результате выполненных технико-экономических расчетов выявлена целесообразность использования СД для компенсации определенной реактивной мощности Q, то далее необходимо установить наиболее экономическое ее распределение между отдельными СД. Это достигается отысканием оптимального варианта возбуждения СД, участвующих в компенсации. Под оптимальным вариантом возбуждения СД обычно принимают такое распределение реактивной мощности Q между отдельными СД, при котором суммарные потери активной мощности, зависящие от выработки и распределения реактивной мощности, минимальны.

На практике распределение реактивной мощности между СД часто производят пропорционально либо их полной номинальной мощности S_ном, либо пропорционально их активной мощности Р_ном^. Этот принцип, как показывают расчеты, дает потери активной мощности, близкие к минимальному значению.

Токи возбуждения отдельных СД, компенсирующих заданную для них реактивную мощность, могут быть определены по кривым Q(I_В), снятым опытным путем.