Где Iа – активная составляющая тока статора.

Воспользовавшись соотношением, связывающим и Ф₀, определим выражение для электромагнитного момента двигателя:

(17.19)

Выражение (17.19) показывает, что электромагнитный момент пропорционален магнитным потокам полюсов ротора и активным составляющим токов в обмотке статора. Но активная составляющая тока статора I_а синхронной машины является функцией угла рассогласования θ (см. рис. 17.10, б), причем

I_a = (U₁/Х₁)∙sinθ, (17.20)

где U₁ – действующее значение напряжения обмотки статора, Х₁ – синхронное сопротивление.

Подставляя (17.20) в (17.19), получаем

(17.21)

Выражение (17.21) определяет зависимость электромагнитного момента М от угла рассогласования θ и называется угловой характеристикой.

Выражая Ф_П как функцию Э.Д.С. Е_ст2 по (17.17) и подставляя это значение в (17.21), получим

Учтем, что отношение N₁|2 к равно числу фаз (к = 3). Поэтому выражение для угловой характеристики принимает вид:

Произведение

(17.22)

определяет амплитудное значение угловой характеристики. Амплитудное значение М_m пропорционально приложенному к обмотке статора напряжению U₁ и Е_ст2. Величина U₁ постоянна. Э.Д.С. Е_ст2 создается магнитным полем ротора. Ее значение является функцией тока ротора I_в (тока возбуждения). Зависимость Е_ст2(I_в) называют характеристикой холостого хода (рис. 17.11).

На начальном участке характеристики холостого хода Е_ст2 увеличивается пропорционально I_а. Следовательно, увеличивается и амплитудное значение угловой характеристики (17.22). По мере насыщения магнитопровода машины рост Е_ст2 сначала замедляется, а затем прекращается. Поэтому синхронный двигатель целесообразно эксплуатировать при I_в = I_вн, а (17.22) не может быть сколь угодно большим.

2.2. Пуск синхронного двигателя.

Пуск синхронного двигателя существенно отличается от пуска двигателей других типов. Отличие обусловлено принципом создания вращающего момента и достаточно большой массой ротора. Магнитное поле статора вращается со скоростью Ω с момента подачи напряжения U₁. Ротор, как всякое массивное тело, может увеличить скорость вращения от нуля до Ω за некоторый интервал времени.

При включении обмотки статора в трехфазную сеть магнитное поле статора вращается со скоростью Ω относительно неподвижного ротора. Магнитная индукция поля статора в каждой точке поверхности ротора изменяется по синусоидальному закону. При этом средние значения сил F_ср воздействия поля статора на постоянные токи обмотки ротора равны нулю. Ротор остается неподвижным.

Для пуска синхронного двигателя необходимо предварительно привести ротор во вращение со скоростью Ω₁, близкой к скорости Ω. Когда разность скоростей ∆Ω = Ω – Ω₁ станет достаточно малой, между полюсами ротора и вращающегося поля статора устанавливается магнитная связь. Эта связь обеспечивает возникновение синхронного электромагнитного момента. Под действием момента ротор втягивается в синхронизм.

Существует несколько способов пуска синхронного двигателя. Большее распространение получил асинхронный способ (рис 17.12). Для реализации способа в пазах полюсных наконечников ротора размещают стержни пусковой короткозамкнутой обмотки «беличье колесо».

Для пуска двигателя обмотку возбуждения ротора замыкают на резистор R_П, а обмотку статора подключают к трехфазной сети. В короткозамкнутой обмотке ротора возникает асинхронный вращающий момент. Под действием асинхронного момента скорость ротора Ω₁ удается довести до 0,95∙Ω. Затем обмотку возбуждения ротора подключают к источнику постоянного тока. Возникает синхронный электромагнитный момент. Когда ∆Ω > 0, угол θ непрерывно изменяется. Согласно (17.21) изменяется и синхронный момент по синусоидальному закону. Только когда скорость ротора возрастет до Ω, значения θ и М станут неизменными. Двигатель вошел в синхронизм. Ротор и магнитное поле статора вращаются синхронно.

Отметим, что синхронные двигатели могут иметь конструктивные отличия. В основном, отличия проявляются в конструкции ротора. Существуют двигатели явнополюсные с электромагнитным возбуждением, явнополюсные с возбуждением постоянными магнитами, явнополюсные реактивные, неявнополюсные гистерезисные, реактивно - гистерезисные и др. В лекции изложен принцип устройства и работы только синхронного явнополюсного с электромагнитным возбуждением двигателя. Знание этого материала позволит при необходимости самостоятельно освоить особенности работы других синхронных машин.

3. СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Ротор генератора приводится во вращение первичным двигателем – паровой, газовой или гидравлической турбиной, двигателем внутреннего сгорания при установке на подвижных объектах. Обозначим вращающий момент первичного двигателя – М_дв, а скорость его вращения – Ω₂. К обмотке ротора приложено напряжение постоянного тока от стороннего источника. Ток, протекающий под действием этого напряжения, создает магнитное поле возбуждения, вращающееся со скоростью Ω₂. Выбором формы полюсов и размеров катушек возбуждения добиваются, чтобы распределение магнитной индукции в воздушном зазоре генератора было синусоидальным.

Вращающееся магнитное поле создает в обмотках статора Э.Д.С. одинаковой частоты и амплитуды, но сдвинутые друг относительно друга по фазе на 120º (рис. 7.1, 7.2). При подключении к обмоткам статора нагрузки в них возникают токи. Токи создают свое вращающееся магнитное поле. Скорость и направление вращения этого поля такие же, как и у поля ротора, но силовые магнитные линии направлены в противоположную сторону. Магнитное поле токов статора действует на постоянные токи ротора и создает электромагнитные силы, тормозящие движение ротора – тормозящий электромагнитный момент М.

При постоянной скорости вращения ротора механическая мощность первичного двигателя М_дв∙Ω₂ равна активной электрической мощности 3∙Е₀∙I_1а генератора:

М_дв∙Ω₂ = Р_эм = М∙Ω₂ = 3∙Е₀∙I_1а,

где Е₀ – действующее значение Э.Д.С. обмоток статора, I_1а – действующее значение активной составляющей тока обмоток статора.

В нагруженном генераторе Э.Д.С. обмоток статора уравновешивается напряжением нагрузки U и падением напряжения на внутреннем сопротивлении генератора I₁∙Z_об

Е₀ = U + I₁∙Z_об.

В последнем выражении Э.Д.С. обмоток Е₀ определяется выражением (17.18). Активная составляющая комплексного сопротивления обмоток определяется сопротивлением проводов и пренебрежимо мала в сравнении с реактивным сопротивлением Х_об = р∙Ω∙L_об. Учитывая это, можем записать:

(17.23)

Так как р∙n/60 = f, а равенство (17.23) можно привести к виду:

(17.24)

Выражение (17.24) показывает, что напряжение, вырабатываемое генератором, зависит от частоты вращения ротора, характера и силы тока нагрузки. Зависимость напряжения синхронного генератора от тока нагрузки называется внешней характеристикой. На рис. 17.13 построены внешние характеристики при различном коэффициенте мощности нагрузки и постоянном значении f.

Так как реактивное сопротивление синхронного генератора много больше активного, коэффициент мощности меньше единицы, а изменение напряжения ∆U может достигать нескольких десятков процентов. Для стабилизации напряжения генератора необходимо регулировать ток возбуждения I_в. Поэтому в большинстве случаев генераторы снабжаются автоматическими регуляторами напряжения.

3.1 Особенности использования синхронных генераторов

на ПТМ и М.

Зависимость напряжения синхронного генератора от частоты вращения характерна при их использовании на подвижных объектах, в частности, на подъемно – транспортных машинах и механизмах с двигателями внутреннего сгорания, имеющими широкий диапазон изменения частоты вращения. Особенность использования синхронных генераторов на таких объектах заключается в том, что их непосредственной нагрузкой является преобразователь напряжения, а регулировка осуществляется по постоянному току.

Процесс регулирования напряжения генератора сводится к воздействию на значение магнитного потока. Магнитный поток наиболее просто изменять регулированием силы тока возбуждения одним из трех способов:

– закорачиванием обмотки возбуждения,

– прерыванием цепи возбуждения,

– включением последовательно с обмоткой возбуждения добавочного резистора.

Последний из перечисленных способов реализуется регуляторами напряжения электромагнитного, электронного и смешанного типов. Электронные регуляторы не содержат подвижных частей, подгорающих контактов, не требуют регулировок и потому более надежны. Однако благодаря невысокой стоимости электромагнитные регуляторы еще имеют достаточно широкое применение. Рассмотрим принцип их работы по схеме рис. 17.14.

В приведенной схеме добавочный резистор R_доб включен последовательно с обмоткой возбуждения. Величина R_доб рассчитывается так, чтобы регулировка напряжения обеспечивалась во всем диапазоне частоты вращения ДВС.

Параллельно R_доб включены выходные нормально замкнутые контакты электромагнитного реле. Когда двигатель не работает, R_доб выключен из цепи возбуждения. Сопротивление цепи возбуждения в этом состоянии обозначим R_в.

Обмотка электромагнитного реле подключена к выходу преобразователя напряжения, т. е. питается напряжением постоянного тока U. На основании (9.11) и (8.9) сила притяжения якоря реле может быть определена выражением

. (17.25)

Очевидна зависимость силы притяжения якоря от силы тока обмотки I_об. Если сопротивление обмотки реле R_об, то I_об = U/R_об.

Допустим, что с увеличением частоты вращения напряжение на выходе генератора превысило регулируемое значение U_р. При этом сила притяжения якоря (17.25) превысит силу удерживающей пружины реле, и клапан реле разомкнет контакты. В цепь возбуждения включается сопротивление добавочного резистора, что приводит к уменьшению тока возбуждения I_в = U_р / (R_в + R_об) и, как следствие, к уменьшению напряжения U. Снижение напряжения U уменьшает I_об и F. Контакты реле замыкаются и выключают R_доб из цепи возбуждения. Далее процесс повторяется.

Большая частота включения и выключения R_доб приводит к тому, что эквивалентное сопротивление цепи R_э определяется выражением

R_э = R_в +τ_в∙R_доб,

а ток возбуждения

I_в = U_р / (R_в + τ_в∙R_доб),

где τ_в = t_в/(t_о +t_в) – относительная продолжительность включения резистора, t_о , t_в – время отключения и включения R_доб.

В диапазоне малых частот вращения двигателя, от нуля до некоторого значения n₁, напряжение на выходе генератора практически пропорционально n, но меньше U_р (рис.17.15). Регулятор не работает, τ_в = 0, а ток возбуждения возрастает от 0 до I_{в макс}.

При дальнейшем увеличении частоты вращения двигателя регулятор включается в работу. Напряжение на выходе генератора стабилизируется, а относительное время включения добавочного резистора – τ_в увеличивается от 0 до 1. Ток возбуждения уменьшается от I_{в макс} до I_{в мин} = U / (R_в +R_доб).

Основным недостатком рассмотренного регулятора является искрение, разрушающее контакты реле. Разрывная мощность на контактах

определяется произведением

. (17.26)

Уменьшение мощности за счет R_доб приведет к уменьшению максимальной частоты вращения ДВС, что не приемлемо. Уменьшение I_в приведет к увеличению габаритов и массы генератора при прочих равных параметрах. Поэтому рассмотренный регулятор напряжения применим для маломощных генераторов.

С увеличением мощности генератора применяют двухступенчатый регулятор или разделяют обмотки возбуждения на две параллельные ветви. В качестве примера рассмотрим двухступенчатый реле – регулятор РР380, который устанавливается совместно с генератором Г221. Схема реле – регулятора приведена на рис. 17 16.

Контактная группа реле содержит нормально замкнутые 1-2 и нормально разомкнутые 3-4 контакты. При неработающем двигателе якорь реле контактная группа находятся в исходном состоянии (как показано на рис.). Первая пара контактов 1-2 шунтирует R_доб и дроссель L. Дроссель предназначен для сглаживания бросков тока через контакты второй группы. Обмотка реле подключена к выходу преобразователя напряжения через резистор температурной компенсации R_Т.

В диапазоне малой частоты вращения двигателя, от 0 до n₁, прерыватель не работает, напряжение на выходе генератора и ток возбуждения I_в практически пропорциональны n (рис.17.17).

С увеличением оборотов двигателя до n₁ напряжение на выходе генератора достигает порога регулирования U_р. Сила притяжения якоря (17.25) увеличивается и перебрасывает его в положение 1. Контакты 1-2 размыкаются, контакты 2-3 остаются разомкнутыми. Добавочный резистор R_доб и дроссель L включаются в цепь возбуждения. Первая ступень регулирования начинает работать как в одноступенчатом реле.

Отличительной особенностью схемы двухступенчатых реле является то, что величина добавочного резистора R_доб значительно меньше, чем у одноступенчатых регуляторов. Это позволяет существенно уменьшить разрывную мощность на контактах (17.26) и продлить срок службы контактов. Однако диапазон регулирования при этом уменьшается. Значение R_доб и L рассчитывают так, чтобы при частоте вращения 0,5∙n_макс контакты первой ступени перестали замыкаться. Это означает, что регулирование первой ступенью реле прекратилось. Дальнейшее увеличение n приведет к росту напряжения на выходе генератора, причем U > U_р (рис. 17.17).

С увеличением напряжения U растет сила притяжения якоря к ярму (17.25). Когда выполнится равенство U = U_р1, нажимной клапан реле переходит в положение 2 (рис. 17.17) и замыкает контакты 3-4, шунтируя обмотку возбуждения. Ток возбуждения и напряжение генератора резко падают, при этом контакты 3-4 размыкаются. Начинает работать вторая ступень регулирования.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

17.1. Почему сердечник статора и ротор асинхронного двигателя набирают из штампованных листов электротехнической стали?

17.2. В чем заключаются особенности конструкции обмотки статора трехфазного асинхронного двигателя?

17.3. Чем отличается фазный ротор асинхронного двигателя от короткозамкнутого ротора? Можно ли считать эти роторы взаимозаменяемыми?

17.4. Раскройте понятия: частота скольжения, скорость скольжения, скольжение.

17.5. В чем заключается физическая сущность свойства саморегулирования асинхронного двигателя?

17.6. Запишите аналитическое выражение и постройте график зависимости М(s).

17.7. Изобразите механическую характеристику и укажите на ней точки для режима холостого хода, номинальной нагрузки и пуска двигателя.

17.8. Приведите рабочие характеристики асинхронного двигателя. Поясните зависимость эксплуатационных параметров от мощности на валу двигателя.

17.9. В чем заключаются отличия конструкции синхронного двигателя от асинхронного?

17.10. Как создается вращающий электромагнитный момент синхронного двигателя?

17.11. Назовите обязательное условие возникновения вращающего момента в синхронногм двигателе.

17.12. Приведите аналитическое выражение для угловой характеристики. Какие физические величины опеделяют электромагнитный момент синхронного двигателя?

17.13. Как реагирует синхронный двигатель на изменение нагрузки на валу?

17.14. Опишите порядок пуска синхронного двигателя.

17.15. Назовите основные способы регулирования напряжения на выходе синхронного генератора.

17.16. В чем заключаются основные недостатки электромагнитного регулятора напряжения?