Синхронный двигатель

Статор синхронной машины очень похож на статор асинхронной и используется для создания вращающегося магнитного поля. Ротор выполнен в виде явнополюсного или неявнополюсного электромагнита, питаемого через кольца и щетки от источника постоянного напряжения, или в виде конструкции из постоянных магнитов. Магнит увлекается полем, движется синхронно с ним, связанный “магнитной пружиной”, отставая в двигательном режиме или опережая в тормозном на угол q, зависящий от электромагнитного момента.

Фаза статора неявнополюсной синхронной машины (р=1), если пренебречь активным сопротивлением обмотки, может быть представлена схемой замещения на рис. 3.9,а. Синусоидальное напряжение источника питания U уравновесится частично ЭДС Е, наведенной в неподвижной обмотке вращающимся магнитом - ротором, и определит вместе с реактивным сопротивлением Х_s ток I. Векторная диаграмма, отражающая указанные процессы, показана на рис. 3.9,б. Для синхронной машины очень важен угол q между напряжением и Э.Д.С. или, что то же самое, между осью поля статора и осью ротора.

а) б)

в)

Рис. 3.9. Схема замещения (а), векторная диаграмма (б) и характеристики (в) синхронной машины.

Основные соотношения между электрическими и механическими величинами найдем, пользуясь формулой

и векторной диаграммой на рис. 4.13,б, из которой следует, что

.

Из вспомогательного треугольника АВС определим

,

т.е. получим

,

и окончательно найдем

.

Эта зависимость называется угловой характеристикой синхронного двигателя.

Таким образом, электромагнитный момент синхронной машины зависит от q, причем для малых q можно принять

М» с_эмq.

Максимальный момент М_max при постоянном напряжении и частоте пропорционален ЭДС, т.е. в линейном приближении току возбуждения машины; для нормальных машин М_max/М_н = 2 - 2,5.

Если машина имеет явнополюсной ротор, то к моменту добавится еще одна - реактивная составляющая, пропорциональная sin 2q (пунктир на рис. 3.9,в). Общий вид моментной характеристики синхронной машины показан на рис. 3.9,в штрих-пунктирной линией, механическая характеристика изображена на рис. 3.3,г.

Синхронная машина имеет характерную зависимость тока статора I от тока возбуждения I_в - так называемые V-образные кривые. Их форма связана с тем, что при изменении тока возбуждения меняются реактивная составляющая тока статора и её знак.

3.5. Применение двигателей переменного тока.

В последнее десятилетие благодаря успехам электроники (преобразователи частоты) короткозамкнутый асинхронный двигатель стал основой частотно-регулируемого электропривода, успешно вытесняющего доминировавший ранее электропривод постоянного тока во многих сферах. Особенно интересным является применение такого электропривода в традиционно нерегулируемых насосах, вентиляторах, компрессорах. Как показывает опыт, это техническое решение позволяет экономить до 50% электроэнергии, до 20% воды и более 10% тепла.

Переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому рассматривается как основное направление развития электропривода, поскольку при этом существенно повышается качество технологических процессов и экономится до 30% электроэнергии. Это определяет перспективы развития частотно-регулируемого электропривода.

Электропривод с двигателями с фазным ротором при реостатном регулировании традиционно находит широкое применение в крановом хозяйстве, используется в других технологиях. Каскадные схемы и машины двойного питания можно встретить в мощных электроприводах газоперекачивающих станций с небольшим диапазоном регулирования, в устройствах электродвижения судов. Синхронные двигатели до недавнего времени использовались относительно редко - главным образом в мощных установках, где не требовалось регулирование скорости. В последние годы положение существенно изменилось: за счет современных материалов (постоянные магниты), средств управления (ключи на относительно большие токи и напряжения и т.д.) Электропривод с синхронными двигателями стал управляемым, существенно расширился диапазон мощностей и занял ведущие позиции в станкостроении, робототехнике, гибких производственных системах и т.п.

Свойство синхронной машины с обмоткой возбуждения менять реактивную мощность и ее знак позволяет использовать ее как управляемый компенсатор реактивной мощности. Особое место в ряду множества новых электроприводов, обязанных своим появлением успехам электронной техники, занимает шаговый электропривод, осуществляющий преобразование электрического сигнала (кода, цифры) в дозированное угловое или линейное перемещение, а также силовая версия этого электропривода - вентильно-индукторный электропривод

Предельная простота, надежность и низкая стоимость вентильно-индукторной машины и электропривода в целом, а также его широкие функциональные возможности и высокие энергетические показатели позволяют считать этот тип электропривода наиболее перспективным регулируемым электроприводом для широких промышленных и транспортных применений.

Как отмечалось, практически единственным рациональным способом регулирования скорости асинхронных двигателей с к.з. ротором и синхронных двигателей является изменение частоты питающего напряжения.

Большинство современных преобразователей частоты (ПЧ) от долей кВт до сотен кВт построены одинаково - рис. 3.10: сеть переменного тока - неуправляемый выпрямитель В - шины постоянного тока - конденсатор LC -фильтра - автономный инвертор напряжения И с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) - асинхронный двигатель АД, к которому приложено переменное 3-фазное напряжение с регулируемой частотой f = var и амплитудой U = var; управление инвертором осуществляется блоком управления.

Рис. 3.10. Типовая схема преобразователя частоты

Используются также преобразователи частоты, в которых нет промежуточного звена постоянного тока, а питающая трехфазная сеть непосредственно связана с нагрузкой - статорными обмотками АД через группы управляемых выпрямителей. Такие ПЧ называют преобразователями частоты с непосредственной связью или циклоконверторами. Особое место в ряду множества новых электроприводов занимает шаговый электропривод, осуществляющий преобразование электрического сигнала (кода, цифры) в дозированное угловое или линейное перемещение, а также силовая версия этого электропривода - вентильно-индукторный электропривод..

Выводы по разделу

1. Двигатели переменного тока имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с другими типами двигателей (основное-питание от сетей переменного тока).

2. Асинхронный двигатель может работать как в двигательном так и вгенераторном режимах.

3. Регулирование скорости изменением частоты питающего напряжения находит широкое применение в промышленности.

4. Механические характеристикиасинхронного двигателя нелинейны, что ограничивает диапазон его работы.

5. Синхронные двигатели имеют высокие энергетические показатели и используются в качестве компенсаторов реактивной мощности других электропотребителей.

6. Электропривода переменного тока примяняются в 80% энергетических систем и успешно заменяют электропривода постоянного тока.