9251
.pdf
40
Синхронный двигатель (СД) состоит из неподвижной части 1, именуемой статором, и подвижной 3, именуемой ротором. Статор выполнен аналогично статору асинхронного двигателя. По окружности статора в пазах размещена трехфазная статорная обмотка 2, которая может быть соединена или в «звезду»
(UЛ =380 B), или в «треугольник» (UЛ =220 B). На роторе размещена об-
мотка возбуждения (ОВ), представляющая собой электромагнит постоянного тока и получающая питание от источника постоянного напряжения.
Если частота вращения ротора n2 ≤ 1000 об/мин, то ротор выполняется в явнополюсном исполнении (рис 2.18), если же n2 > 1000 об/мин, то ротор вы-
полняется в неявнополюсном исполнении.
При подаче к трехфазной обмотке статора трехфазного напряжения в ней образуется вращающееся магнитное поле с синхронной частотой вращения
n1 |
= |
60 f1 |
(об/мин), |
(2.21) |
|
ρ |
|||||
|
|
|
|
где f1 – частота питающей сети (Гц);
ρ – число пар магнитных полюсов, ρ =1, 2, 3...
Вращающееся магнитное поле, взаимодействуя с однонаправленным маг- нитным полем обмотки возбуждения, создает электромагнитный (вращающий) момент, который разгоняет ротор до частоты вращения
n2 |
= n1 |
= |
60 f1 |
, |
(2.22) |
|
ρ |
||||||
|
|
|
|
|
Так как частоты вращения магнитного поля и ротора одинаковы, двигатель называется синхронным.
Рассмотрим, как образуется электромагнитный момент М синхронного дви- гателя (рис. 2.12).
|
|
2 |
статор |
N |
N |
|
||
|
F 1 |
F 1 |
|
S |
|
|
|
|
|
|
S |
|
N |
N |
|
F 2 |
F 2 |
|
|
|
|
S |
S |
|
а) Мс = 0 |
б) Мс > 0 |
|
|
Рис. 2.19 |
На рис. 2.19 показано взаимодействие магнитных полюсов статорной об- мотки (N-S) и обмотки возбуждения (S-N) в двух случаях:
41
а) момент сопротивления M C = 0 (холостой ход); б) момент сопротивления M C > 0 .
При холостом ходе M C = 0 оси магнитных полей статора и обмотки воз-
буждения, а также силы взаимодействия F 1 , F 2 |
между полюсами направлены |
по одной прямой и не создают вращающего |
(электромагнитного) момента |
M =0.
При нагрузке M C > 0 оси магнитных полей статора и обмотки возбуждения образуют между собой угол θ. Силы взаимодействия между полюсами F 1 , F 2
создают вращающий (электромагнитный) момент, который компенсирует мо- мент нагрузки M = M C , и двигатель работает с электромагнитным моментом.
Если синхронная машина работает с отставанием магнитного поля обмотки возбуждения (угол θ), то такой режим называется двигательным, если опережа- ет (угол θ2), то синхронная машина переходит в генераторный режим.
2.3.2. Схема замещения трёхфазного синхронного двигателя
Синхронный двигатель (С.Д.) состоит из трех симметричных фаз, поэтому достаточно рассмотреть схему замещения одной фазы (рис. 2.20).
I C X C
E0
U 1ф ~
Рис. 2.20
На рисунке 2.20 показано:
U1Φ, IC – напряжение и ток статора статорной обмотки;
X C – индуктивное сопротивление статорной обмотки (Ом);
E0 – ЭДС, наводимая магнитным потоком обмотки возбуждения в статор- ной обмотке. ЭДС E0 пропорциональна току возбуждения IB (E0 ≡ IB ).
Составим уравнение электрического состояния статорной обмотки:
∙ |
∙ |
∙ |
|
U1Φ = E0 |
+ jXC I C |
(2.23) |
|
Векторная диаграмма для схемы замещения показана на рис. 2.21.
42
∙
jXC I C
∙
U 1Φ |
∙ |
E 0
θ
∙
I C
φ
Рис. 2.21
Построение векторной диаграммы начинаем с вектора фазного напряжения
∙ |
|
|
|
∙ |
U 1Φ . Под углом сдвига фаз ϕ строим вектор тока статора |
I C . Далее, из конца |
|||
|
∙ |
∙ |
|
|
вектора U 1Φ под углом 900 к вектору тока I C |
строим вектор падения напряже- |
|||
|
|
∙ |
|
∙ |
ния на индуктивном сопротивлении |
jXC I C . |
Соединив начало вектора U 1Φ и |
||
|
∙ |
|
∙ |
θ между векторами |
начало вектора jXC I C , получаем вектор ЭДС E 0 и угол |
||||
∙ |
∙ |
|
|
|
U 1Φ |
и E 0 . |
|
|
|
Принимая, что синхронная машина идеальная, т.е. без потерь, мощность на
валу двигателя P |
будет равна потребляемой активной мощности P из сети: |
|||||
2 |
|
|
|
|
1 |
|
|
P = P = 3U |
1Φ |
I |
C |
cosϕ (кВт), |
(2.24) |
|
2 1 |
|
|
|
||
где ϕ – угол сдвига фаз.
2.3.3. Формула электромагнитного момента. Угловая характеристика
Электромагнитный (вращающий) момент синхронного двигателя равен:
M = P2 (Н∙м),
ω1
где ω1 – угловая частота вращения магнитного поля статора, 1/с.
ω1 = πn1 ,
30
где n1 – частота вращения магнитного поля, об/мин. С учетом (6.24) электромагнитный момент будет:
M = |
3U1ΦIC cosϕ |
(2.25) |
|
ω1 |
|||
|
|
В таком виде (6.25) формула момента не используется. После нескольких преобразований [3] формула момента примет следующий вид:
43 |
|
|
|
M = |
3U1Φ IC E0 |
sinθ |
(2.26) |
|
|||
|
ω1 X C |
|
|
Проанализируем полученное выражение:
∙момент пропорционален фазному напряжению M ≡ U 1Φ , поэтому
снижение напряжения не оказывает существенного влияния на момент, в отли- чие от асинхронного двигателя;
∙ момент пропорционален ЭДС E0 , соответственно току возбуждения M ≡ U1Φ ≡ I B , поэтому, чем больше ток, тем больше момент.
Под угловой характеристикой понимается зависимость момента двигателя от угла θ:
M = f (θ ).
На рис. 2.22 приведена угловая характеристика синхронного двигателя.
M( Н × м) |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
IВ>IB1 |
|
|
|
Mкр |
|
|
|
|
IВ1 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
II |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
π |
|
|
|
|
|
θ |
|
|
|
π |
|
|||||
|
|
|
2 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Рис. 2.22 |
|
|
||||
Угловая характеристика позволяет проанализировать процессы в двигателе при изменении нагрузки на валу ротора. При появлении момента сопротивле- ния M C на валу двигателя ротор притормаживается, угол нагрузки θ увеличи-
вается и в соответствии с угловой характеристикой увеличивается вращающий момент двигателя М. При равенстве М = МС наступает новый установившийся режим. При номинальном режиме двигателя МНОМ соответствующий угол
θHOM = 25 − 300 . При |
M C > M max ротор отстаёт больше чем на максимально |
|||
допустимый угол |
θ =π |
, |
момент двигателя начнет уменьшаться, ротор будет |
|
|
2 |
|||
замедляться вплоть до полной остановки. Этот процесс называется выпадением двигателя из синхронизма, при котором машина должна быть отключена от се- ти.
Существуют два способа регулирования частоты вращения n 2 :
∙ изменением частоты питающей сети f1 = var с помощью преобразова- теля частоты fC > f1 >> f '1 ;
|
44 |
∙ |
изменением числа пар магнитных полюсов p =var (p =1, 2, 3...), но |
практического применения этот способ не получил.
2.3.4. Пусковые режимы синхронного двигателя
Известно [2], что синхронный двигатель не обладает собственным пуско- вым моментом. Если его включить в сеть, то ротор будет совершать колебания около положения равновесия с частотой f = 100 Гц, и двигатель не запустится.
Чаще всего синхронный двигатель запускают в асинхронном режиме (рис. 2.23) в следующей последовательности:
A(L1) B(L2) С( L3)
О.В. |
RB |
|
К1 |
||
|
||
|
+ |
|
RД |
К2 |
|
|
U B |
|
|
- |
|
|
Рис. 2.23 |
1. С помощью контакта K1 отключают обмотку возбуждения ОВ от источника питания UB и замыкают ее с помощью контакта K2 на дополнитель- ное сопротивление RД .
2. Подключают трехфазную статорную обмотку к сети, в ней образует- ся вращающееся магнитное поле с частотой вращения:
n1 = 60 f1 (об/мин). p
Этот магнитный поток, пересекая витки дополнительной пусковой обмотки (типа «беличьей клетки»), расположенной на роторе, наводит в ней ЭДС, и по обмотке идет ток. Этот ток, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, образует электромагнитный момент аналогично асинхронному двигателю, ко- торый начинает разгонять ротор до частоты вращения n 2 .
3.При достижении ротором частоты вращения n2 = 0.95 ÷098n1 с по-
мощью контакта К1 подключают обмотку возбуждения (ОВ) к источнику пита- ния. Ротор после нескольких колебаний входит в синхронизм:
n2 = n1 .
45
4. После достижения синхронизма отключают RД с помощью контак- та K2 , и на этом процесс пуска заканчивается.
2.3.5. U-образные характеристики синхронного двигателя
Под U-образными характеристиками синхронного двигателя понимается за- висимость тока статора I C и коэффициента мощности от тока возбуждения I B .
IC = f (I B ), cosϕ = f (I B ).
Зависимость тока статора |
I C от параметров синхронного |
двигателя |
||
U1Φ , E0 , X CИН описывается следующим выражением: |
|
|||
|
∙ |
∙ |
|
|
∙ |
|
|
|
|
I C = |
U 1Φ − E0 |
. |
(2.27) |
|
|
||||
jX CИН
Из анализа (2.27) в зависимости от величины тока возбуждения синхронный двигатель может работать в трёх качественно различных режимах.
I режим. Ток возбуждения изменяется в пределах 0 < I B < I BH , где I BH – номинальное значение тока возбуждения. При этом напряжение U1Φ больше, чем ЭДС E0 (U 1Φ > E0 ), ток статора I C > 0, cos ϕ > 0. Двигатель обладает ак-
тивно-индуктивными свойствами, т.е. потребляет отстающий ток. Двигатель недовозбуждён.
II режим. Ток возбуждения IВ = IВН. При этом напряжение U1Φ равняется ЭДС E0 U1Φ > E0 , ток статора I C = 0 и cos ϕ = 1. Двигатель обладает активны- ми свойствами и потребляет из сети активную мощность P – минимальную мощность. Двигатель имеет номинальный ток возбуждения.
III режим. Ток возбуждения IВ > IВН. При этом напряжение U1Φ меньше ЭДС E0 (U 1Φ < E0 ), ток статора I C < 0 и cos ϕ < 0. Двигатель обладает актив-
но-емкостными свойствами, т.е. потребляет из сети активную мощность P, но отдает в сеть реактивную мощность - QC. Двигатель перевозбужден и потребля- ет опережающий ток.
Эти режимы изображены на рис. 2.24.
46
Ic(A) |
cosφ |
a’ |
|
I |
|
a |
II |
a II MC>0 1,0 
MC=0
III |
I |
|
III |
|
|
||
|
Iв(A) |
IBH |
Iв(A) |
|
|
Рис. 2.24
На рис. 2.24 первый режим обозначен I, второй режим обозначен точкой «а» и соответствует номинальному току возбуждения IВН, третий режим обозначен
III.
При нагрузке на валу двигателя МС > 0 точка «а» перемещается вправо и соответствует точке «а'».
Свойство синхронных электродвигателей потреблять из питающей сети опережающий ток особенно ценно для промышленных установок, так как оно позволяет одновременно с использованием синхронной машины в качестве приводного двигателя использовать ее и для повышения коэффициента мощно- сти cos ϕ установки без применения статических конденсаторов.
2.3.6. Рабочие характеристики синхронного двигателя
Под рабочими характеристиками синхронного двигателя понимаются зави- симости тока статора I C , момента M, частоты вращения ротора n2, коэффици-
ента мощности cos ϕ и КПД η от мощности на валу двигателя Р2.
I |
C |
, |
M, n = f (P ) |
|
|
|||
|
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
Рабочие характеристики показаны на рис. 2.25. |
|
|||||||
|
|
|
|
Ic, M, n2 ,η |
|
|
||
|
|
|
|
cosφ |
n2 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cosφ |
|
|
|
|
|
|
|
η |
|
|
|
|
|
|
|
|
IC |
|
|
|
|
|
IC0 |
|
|
M |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
PН |
P2(кВт) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.25 |
|
47
Рабочие характеристики снимаются при следующих условиях: U 1Φ = const , f1 = const , I B = const . Ток статора I C при холостом ходе P2 = 0 имеет незначи- тельную величину, с ростом нагрузки он линейно увеличивается. Скорость
вращения ротора n |
|
= |
60 f1 |
остается строго постоянной во всех режимах рабо- |
||||
2 |
p |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
ты. Взаимосвязь между моментом М и мощностью на валу Р2 равна |
M = |
P2 |
, |
|||||
|
||||||||
|
|
|
|
|
ω |
|
||
|
|
|
|
|
1 |
|
||
где ω1 – величина постоянная, поэтому зависимость M = f (P2 ) линейна, т.е. с
ростом нагрузки момент возрастает.
Характер изменения cos ϕ = f (P2 ) зависит от того, какое возбуждение уста- новить. Если установить cos ϕ = 1 при номинальной нагрузке, то при недогруз- ке двигатель забирает из сети реактивный опережающий ток, при перегрузке – отстающий.
Характеристика КПД η = f (P2 ) имеет обычный для всех электрических
машин характер. Она быстро растет при увеличении нагрузки от 0 до P2 , а за-
2
тем мало меняется в пределах нагрузки от P2 
2 до PH . Так как частоты враще-
ния магнитного поля и ротора одинаковы, двигатель называется синхронным. Рассмотрим, как образуется электромагнитный момент М синхронного дви-
гателя (рис. 2.12).
|
|
2 |
статор |
N |
N |
|
||
|
F 1 |
F 1 |
|
S |
|
|
|
|
|
|
S |
|
N |
N |
|
F 2 |
F 2 |
|
|
|
|
S |
S |
|
а) Мс = 0 |
б) Мс > 0 |
|
|
Рис. 2.19 |
На рис. 2.19 показано взаимодействие магнитных полюсов статорной об- мотки (N-S) и обмотки возбуждения (S-N) в двух случаях:
а) момент сопротивления M C = 0 (холостой ход); б) момент сопротивления M C > 0 .
При холостом ходе M C = 0 оси магнитных полей статора и обмотки воз-
буждения, а также силы взаимодействия F 1 , F 2 между полюсами направлены
48
по одной прямой и не создают вращающего (электромагнитного) момента
M =0.
При нагрузке M C > 0 оси магнитных полей статора и обмотки возбуждения образуют между собой угол θ. Силы взаимодействия между полюсами F 1 , F 2
создают вращающий (электромагнитный) момент, который компенсирует мо- мент нагрузки M = M C , и двигатель работает с электромагнитным моментом.
Если синхронная машина работает с отставанием магнитного поля обмотки возбуждения (угол θ), то такой режим называется двигательным, если опережа- ет (угол θ2), то синхронная машина переходит в генераторный. Схема замеще- ния трёхфазного синхронного двигателя
Синхронный двигатель (С.Д.) состоит из трех симметричных фаз, поэтому достаточно рассмотреть схему замещения одной фазы (рис. 2.20).
I C X C
E0
U 1ф ~
Рис. 2.20
На рисунке 2.20 показано:
U1Φ, IC – напряжение и ток статора статорной обмотки;
X C – индуктивное сопротивление статорной обмотки (Ом);
E0 – ЭДС, наводимая магнитным потоком обмотки возбуждения в статор- ной обмотке. ЭДС E0 пропорциональна току возбуждения IB (E0 ≡ IB ).
Составим уравнение электрического состояния статорной обмотки:
∙ |
∙ |
∙ |
|
U1Φ = E0 |
+ jXC I C |
(2.23) |
|
Векторная диаграмма для схемы замещения показана на рис. 2.21.
∙
jXC I C
∙
U 1Φ |
∙ |
E 0
θ
∙
I C
φ
Рис. 2.21
49
Построение векторной диаграммы начинаем с вектора фазного напряжения
∙ |
|
|
|
∙ |
U 1Φ . Под углом сдвига фаз ϕ строим вектор тока статора |
I C . Далее, из конца |
|||
|
∙ |
∙ |
|
|
вектора U 1Φ под углом 900 к вектору тока I C |
строим вектор падения напряже- |
|||
|
|
∙ |
|
∙ |
ния на индуктивном сопротивлении |
jXC I C . |
Соединив начало вектора U 1Φ и |
||
|
∙ |
|
∙ |
θ между векторами |
начало вектора jXC I C , получаем вектор ЭДС E 0 и угол |
||||
∙ |
∙ |
|
|
|
U 1Φ |
и E 0 . |
|
|
|
Принимая, что синхронная машина идеальная, т.е. без потерь, мощность на
валу двигателя P |
будет равна потребляемой активной мощности P из сети: |
|||||
2 |
|
|
|
|
1 |
|
|
P = P = 3U |
1Φ |
I |
C |
cosϕ (кВт), |
(2.24) |
|
2 1 |
|
|
|
||
где ϕ – угол сдвига фаз.
2.3.7. Синхронные компенсаторы
Синхронные компенсаторы представляют собой специально спроектиро- ванные синхронные машины, предназначенные для компенсации реактивной мощности, потребляемой асинхронными двигателями и трансформаторами из сети. Синхронные компенсаторы работают в режиме двигателей, не имеющих нагрузки на валу. При перевозбуждении они отдают в сеть опережающий ем- костный ток, что эквивалентно присоединению к сети емкости. При понижении напряжения реактивная мощность синхронных компенсаторов увеличивается, что способствует поддержанию напряжения и устойчивости работы сети. Син- хронный компенсатор, работая в режиме перевозбуждения при больших нагрузках и в режиме недовозбуждения (потребляя реактивную мощность) при малых нагрузках способствует поддержанию неизмененного напряжения у при- емных концов линии, при этом регулирование возбуждения может осуществ- ляться автоматически.
2.3.8. Электрические машины в системах теплогазоснабжения и вентиляции
Электрические машины являются основным приводом (электроприводом) в системах теплогазоснабжения и вентиляции. Наибольшее распространение по- лучили трёхфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым рото- ром в нереверсивном и реверсивном исполнении, как наиболее дешевые и удобные в эксплуатации. Они применяются в электроприводах вентиляторов, насосов, компрессоров, в электроприводах различных исполнительных меха- низмов: задвижек, заслонок, шиберов.
Асинхронные электродвигатели с фазным ротором чаще всего используют- ся в электроприводе крановых механизмов, где необходим плавный пуск под нагрузкой и управление скоростью вращения.