Характеристики синхронных двигателей

Синхронные двигатели нашли применение в электроприводе благодаря высоким технико-экономическим показателям. В сельскохозяйственном производстве синхронные двигатели применяют в качестве электропривода насосов систем орошения, когда установленная мощность двигателя превышает 300 кВт [7]. Электрическая промышленность выпускает синхронные двигатели различного назначения. Двигатели СД2 и СД3 мощностью от 132 до 1000 кВт, СДМ-2 и СДМ-3 мощностью от 315 до 4000 кВт - общего применения. Двигатели СДК, СДКП, СДКМ мощностью от 315 до 5800 кВт выпускаются специально для привода компрессоров, мельниц и т.д. В настоящее время синхронные двигатели применяют в станкостроении, робототехнике, гибких производственных системах и т.д.

Рис. 6.1. Схема включения (а) и механическая характеристика (в) синхронного двигателя

Синхронный двигатель состоит из статора и ротора. На статоре, как и у асинхронного двигателя, располагаются обмотки переменного тока, соединенные в «звезду» или «треугольник» (рис. 6.1а), на роторе находится обмотка возбуждения постоянного тока. Магнитная система машины выполняется явно- или неявнополюсной. Ее исполнение зависит от синхронной скорости и мощности двигателя. При частоте вращения 3000 об/мин синхронные двигатели выполняются с неявнополюсным ротором, при частоте 1500 об/мин и ниже - ротор явнополюсный. Возбуждение синхронных двигателей осуществляется от полупроводниковых статических преобразователей. Питание преобразователей может осуществляться от сети или специальной обмотки, размещенной в пазах статора. Существует бесщеточная система возбуждения от специальной обмотки, заложенной в пазы ротора машины.

Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии магнитного потока ротора с вращающимся полем статора. При изменении нагрузки на валу от холостого хода до максимально - допустимого значения скорость двигателя остается неизменной: . Механическая характеристика имеет вид прямой, проходящей через w₀ параллельно оси моментов (рис. 6.1 в). Приведенная механическая характеристика показывает зависимость установившегося значения скорости ротора от момента на валу. В действительности при изменении нагрузки на валу в переходных режимах мгновенное значение скорости не равно синхронной w₀. Так, при увеличении нагрузки ротор начинает притормаживать, при уменьшении - разгоняться. В установившемся режиме скорость равна w₀.

Колебания нагрузки и скорости ротора обуславливают изменение угла Q между векторами напряжения сети U₁ и ЭДС двигателя Е (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Упрощенная векторная диаграмма неявнополюсного

синхронного двигателя

При определенном «критическом» значении угла Q, соответствующем максимально-допустимому моменту, двигатель выходит из синхронизма и может остановиться. Зависимость момента двигателя от угла Q называется угловой характеристикой. Чтобы получить эту зависимость, рассмотрим упрощенную векторную диаграмму неявнополюсного синхронного двигателя (рис. 6.2).

Диаграмма построена при следующих допущениях: пренебрегают потерями в меди статора, т.е. r₁ » 0, считая, что падение напряжения в статоре обусловлено индуктивным сопротивлением обмотки статора:

Х_с=Х₁+Х_м,

где Х₁ - индуктивное сопротивление, вызванное потоками рассеяния; Х_м - индуктивное сопротивление, обусловленное потоком реакции якоря.

С учетом принятых допущений активная мощность двигателя равна электромагнитной:

. (6.1)

Из векторной диаграммы определим проекцию напряжения и ЭДС Е на ток, равную отрезку ОД:

. (6.2)

Значение соs(j-Q) из прямоугольного треугольника АВС

. (6.3)

Подставляем (6.2), (6.3) в (6.1):

. (6.4)

Электромагнитный момент синхронного двигателя

. (6.5)

Максимальное значение момента

. (6.6)

Угловая характеристика синхронного двигателя имеет вид синусоиды (рис. 6.3):

. (6.7)

Рис. 6.3. Угловая характеристика неявнополюсного

синхронного двигателя

Синхронный двигатель работает устойчиво при изменении угла Q от нуля до . Дальнейшее увеличение угла приведет к остановке двигателя. Чтобы этого не произошло, необходимо снижать нагрузку на двигателе. Номинальному моменту соответствует угол Q < 20-30°. Кратность максимального момента к номинальному составляет 2, 0 – 2, 5, а у специальных двигателей достигает 3, 5 – 4, 0.

Векторная диаграмма явнополюсной машины для принятых допущений представлена на рис. 6.4.

Рис 6.4. Векторная диаграмма явнополюсного синхронного двигателя

Из векторной диаграммы явнополюсной машины:

, (6.8)

где Х_d, Х_q - синхронные индуктивные сопротивления по продольной и поперечной осям.

Подставив (6.8) в (6.1) и (6.5), получим угловую характеристику явнополюсного синхронного двигателя:

. (6.9)

Из последнего выражения следует, что электромагнитный момент явнополюсного синхронного двигателя состоит из синхронного и реактивного моментов. Значение синхронного момента обусловлено напряжением сети U₁ и возбуждением двигателя Е, реактивный момент зависит только от квадрата напряжения сети. Графики этих моментов представлены на рис. 6.5.

Рис. 6.5. Угловая характеристика явнополюсного