2014-02-17
3637
Синхронные двигатели (СД)
Лекция 15
Синхронные ЭД в настоящее время получили широкое применение в приводах большой мощности (от 5000 кВт до 20 МВт). При этом особенностью таких приводов является продолжительный режим работы с незначительными и редкими изменениями нагрузки на валу.
В качестве примера использования СД в нефтяной отрасли можно привести электроприводы магистральных центробежных насосов.
Необходимо отметить следующие положительные качества СД:
1) Постоянство скорости вращения двигателя независимо от нагрузки на валу в пределах перегрузочной способности;
2) Возможность регулирования потребления реактивной мощности;
3) Самая высокая среди всех типов двигателей надежность, это обеспечивается большим зазором между статором и ротором.
Недостатки СД:
1) Сложность запуска;
2) Склонность СД к качаниям;
3) Сложность конструкции и дороговизна.
Механическая характеристика СД, выражающая зависимость угловой скорости ротора от среднего значения момента на валу двигателя, имеет вид (рис. 4.1).
|
|
|
ω, рад/с
ω0
-МК МК М, Н·м
Рисунок 4.1 – Механическая характеристика СД
В пределах изменения момента от –Мк до Мк (Мк – критический момент, определяет перегрузочную способность двигателя), угловая скорость вращения вала двигателя не меняется и равна синхронной скорости (т. е. скорости ВМП)
.
Вращающий момент СД создается за счет взаимодействия вращающего магнитного поля, создаваемой симметричной статорной обмоткой, с постоянным магнитным полем, создаваемой обмоткой возбуждения, которая находится на роторе и питается от источника постоянного напряжения.
 |
Рисунок 4.2 – Схема СД
Следует отметить, что обмотка возбуждения имеет значительно большое число витков, чем фаза статорной обмотки и выполнена из проводника значительно меньшего сечения.
Если момент на валу двигателя превышает критический момент, то угловая скорость начинает резко уменьшаться – «двигатель выходит из синхронизма».
Как уже говорилось, отличием СМ от АМ является то, что ротор вращается синхронно с магнитным полем (с одинаковой скоростью ω0). При этом если мерой нагрузки у АД являлось скольжение
,
то у СД при увеличении нагрузки на валу двигателя, увеличивается угол смещения оси ротора по отношению к оси вращения магнитного поля. Это явление называется «растяжением упругой электромагнитной связи» и характеризуется углом рассогласования Θ. При этом в двигательном режиме ось вращающего магнитного поля опережает ось ротора («поле тянет за собой ротор»).
На векторной диаграмме СМ угол рассогласования Θ равен углу сдвига фаз между вектором напряжения U, приложенного к статору, и ЭДС от магнитного потока возбуждения ЕВ, наведенной в статоре
|
|
|
Поставим задачу проанализировать, как будет вести себя СД при изменении нагрузки на его валу:
1) Устойчиво ли он будет работать;
2) Как будет изменяться мгновенное значение угловой скорости, если момент будет носить пульсирующий характер;
3) Как будет изменяться направление момента при изменении угла рассогласования и т. д.
С этой целью необходимо построить, так называемую, угловую характеристику СД, которая представляет собой зависимость М=f(Θ). Для вывода уравнения угловой характеристики воспользуемся электрической схемой замещения СД и векторной диаграммой.
Электрическая схема замещения СД. Уравнение электрического состояния. Угловая характеристика СД
Электрическая схема замещения СД моделирует электромагнитные процессы, происходящие в одной фазе статорной обмотки. В простейшем виде она имеет вид на рис. 4.3.
Рисунок 4.3 – Электрическая схема замещения СД. U – действующее значение напряжения, приложенного к фазе статорной обмотки; I – действующее значение тока, протекающего по фазе обмотки статора; ХЯ – индуктивное сопротивление фазы обмотки статора; ЕВ – ЭДС, которое наводится в фазе статорной обмотки магнитным потоком, создаваемым обмоткой возбуждения (ЭДС взаимоиндукции, 
); ЕЯ – ЭДС самоиндукции, наведенная в фазе статорной обмотки при изменении тока по синусоидальному закону,
.
Если в соответствии со вторым законом Кирхгофа с учетом направления величин запишем уравнение
,
учитывая, что
,
получим
Это уравнение носит название уравнение электрического состояния СД
Построим векторную диаграмму, соответствующую этому уравнению.
 |
Рисунок 4.4 – Векторная диаграмма
Электрическая мощность (активная), потребляемая двигателем из сети, может быть записана следующим образом
Механическая мощность
Если пренебречь потерями в двигателе, то
а это значит, что
(4.1)
Для получения зависимости М=f(Θ) воспользуемся геометрическим приемом, а именно, из конца вектора ЕВ на векторной диаграмме (рис. 4.4) восстановим перпендикуляр на вектор напряжения U. Величина этого отрезка «ab» равна
Подставим в выражение (4.1) последнее равенство
Полученное уравнение выражает зависимость электромагнитного момента и называется уравнением угловой характеристики СД, где критический момент
Следовательно
Графическая зависимость, соответствующая уравнению угловой характеристики СД, представлена на рис. 4.5.
Рисунок 4.5 – Угловая характеристика СД
Проанализировав угловую характеристику в двигательном режиме, нетрудно убедиться, что в области угла рассогласования 
увеличивается нагрузка на валу двигателя, т. е. увеличение угла рассогласования влечет возрастание электромагнитного момента, а это значит, что эта часть угловой характеристики описывает область устойчивой работы СД (рабочая часть). Также направление электромагнитного момента при изменении угла рассогласования изменяется с удвоенной частотой, т. е. f=100 Гц. Следовательно, СД обладает знакопеременным моментом, в этом проявляется негативное свойство СД, которое носит название склонность к качаниям (или колебания ротора).
Поэтому СД конструируют так, что номинальному режиму по паспорту двигателя соответствует угол рассогласования Θ=20÷30º. Тогда перегрузочная способность двигателя
