Вращающий момент и характеристики синхронных

Электродвигателей

Электрическая мощность трехфазного синхронного двигателя может быть выражена, как

(4.19)

где U и I – напряжение и ток в фазной обмотке статора; φ – сдвиг фаз между напряжением U и током I; Е_С - ЭДС фазной обмотки статора, противодействующая изменению тока I; Θ > 0 - угол отставания оси магнитных полюсов ротора от оси полюсов вращающегося поля статора; Х_Ф – индуктивное сопротивление фазной обмотки статора.

Электромагнитный момент, возникающий при взаимодействии магнитных полей статора и ротора, будет равен:

(4.20)

где р – число пар полюсов магнитного поля статора; ω – угловая частота напряжения сети.

Так как Р_МЕХ = М_ЭМ ω_Р а ω_Р= ω / р, то механическая мощность двигателя

(4.21)

Сетевое напряжение U и частота ω постоянны. Тогда соотношения (14.5) и (14.6) будут выражать зависимости М_ЭМ = f(Θ) и Р_МЕХ = f(Θ). Эти зависимости называют угловыми характеристиками синхронного двигателя (Рис. 4.9).

Угловые характеристики позволяют анализировать процессы в синхронном двигателе при изменении нагрузки.

Рис.4.9 – Угловые характеристики синхронного двигателя

Так, например, при увеличении тормозящего момента угловая частота вращения ротора ω_Р начнет уменьшаться. Это приведет к увеличению угла Θ > Θ₁, что при неизменном токе возбуждения I_B1 приведет к увеличению электромагнитного момента М_ЭМ от значения М₁ до значения М₂ Момент М₂ уравновесит действие внешнего тормозящего момента и двигатель будет вращаться с той же угловой скоростью ω_Р, но при значении угла Θ, более близком по величине к углу Θ = π /2. Однако, если посмотреть на характеристику М_ЭМ = f(Θ) при токе возбуждения I_B1 (Рис.4.9), то можно предположить, что при дальнейшем увеличении нагрузки угол отставания вращения ротора Θ может превысить значение π /2 и двигатель выйдет из устойчивого режима работы и остановится. Чтобы иметь запас устойчивости двигателя по электромагнитному моменту при увеличенной нагрузке необходимо увеличить ток возбуждения, например, установить I_B2 > I_B1 (см. рис.4.9). Важной особенностью синхронного двигателя является возможность регулировать с помощью тока возбуждения не только запас устойчивости, но и влиять на реактивный ток статора. Зависимость I_C = f(I_B) при постоянном тормозном моменте называется U – образной характеристикой синхронного двигателя (Рис. 4.10).

Активная мощность Р синхронного двигателя изменяется при изменении тормозного момента (нагрузки). Если нагрузку увеличивать, то будет расти ток статора I_C . Для сохранения устойчивой работы двигателя необходимо увеличивать ток возбуждения I_B. При этом характер сопротивления обмоток статора для внешней сети будет изменяться от активно-индуктивного к

активно-емкостному (см. рис.4.10).

Рис.4.10 – U-образная характеристика синхронного двигателя

При значении тока I_B = I_{B ГР} сопротивление обмоток статора будет иметь чисто активный характер, когда сдвиг фаз между током в обмотках и питающим напряжением φ = 0 (cosφ = 1). Если на валу двигателя нет нагрузки, то, пренебрегая потерями, можно считать активную мощность Р = 0. В этом случае ток в статорных обмотках будет чисто реактивным (на рис.4.10 нижняя кривая). В таком режиме при I_B > I_{B ГР} двигатель может использоваться в качестве синхронного компенсатора – регулируемого емкостного элемента. Синхронные компенсаторы позволяют улучшать коэффициент мощности (cos φ) в электрической энергосистеме.