Регулювання швидкості синхронних двигунів

 

На відміну від асинхронних кутова швидкість синхронних двигу-нів не залежить від навантаження і визначається лише швидкістю обертання магнітного поля, створеного обмоткою статора . За будовою статори синхронного і асинхронного двигу-гунів однакові. Ротори їх різняться. Ротори синхронних двигунів ви-готовляють з явними полюсами і з неявними . На роторі розташовують обмотку збудження, яку через кільця живлять постійним струмом (рис.5.12,а).

 

а

б

 

Рис.5.12. Принципова схема синхронного двигуна (а), механічна і пускова характеристики (б)

 

Здійснити пуск синхронного двигуна вмиканням обмотки стато-ра в мережу неможливо, бо сталий електромагнітний момент вини-кає лише тоді, коли магнітний потік статора і магнітний потік ротора (нерухомий відносно ротора) будуть рухатись з однаковими швидкостями (синхронно). Тому необхідно попередньо розігнати ротор до швидкості і тоді подати напругу на обмотку збудження. За рахунок інерції ротора і дії змінного електромагніт-ного моменту ротор досягне синхронної швидкості і в подальшому він буде рухатись зі швидкістю , оскільки поле статора і поле ротора будуть рухатись синхронно.

Під час розгону магнітний потік статора, рухаючись зі швидкіс-тю , буде наводити в обмотці ротора велику ЕРС, яка може пош-кодити ізоляцію і бути небезпечною для обслуговуючого персоналу. Тому на час розгону її замикають на опір , який повинен бути більшим за опір обмотки збудження не менше, ніж у десять разів.

Щоби розігнати двигун, у пази ротора з неявновираженими по-люсами чи у полюсні наконечними укладають стержні, замкнені накоротко з торців як у роторі асинхронного двигуна. Це забезпечує асинхронний пуск синхронного двигуна (рис.5.4,б).

Оскільки короткозамкнена обмотка малої потужності, то момент, що створюється, значно менший від номінального моменту. Тому пуск синхронних двигунів проводять без навантаження.

Швидкість синхронного двигуна не залежить від навантаження. Щоби вияснити, які процеси виникають у двигуні зі зміною момен-ту сил опору, розглянемо векторну діаграму. Згідно другого закону Кірхгофа рівняння рівноваги напруг матиме вигляд:

, (5.16)

 

де – ЕРС, наведена полем ротора в фазній обмотці статора; , – відповідно активний і індуктивний опори фази статора.

Зазвичай опір значно менший, ніж , тому при якісному аналізі явищ в двигуні його можна не враховувати. Тоді (5.16) матиме вигляд:

. (5.17)

 

Відповідно до (5.17) на рис.5.13. зображена векторна діаграма при сталому навантаженні і сталому струмі збудження. За умови електромагнітна потужність дорівнювати потужності, яку споживає двигун:

 

. (5.18)

 

З векторної діаграми слідує, що . З трикутника АВС . Підставивши ці за-лежності в (5.18), одержимо

 

, (5.19)

 

де – струм короткого замикання.

З (5.19) слідує, що при момент синхронного двигуна залежить тільки від кута зсуву фаз між напругою і ЕРС, тобто від просторового кута між осями результуючого магнітного поля стато-ра і магнітного поля ротора. Зі збільшенням моменту навантаження збільшується кут і при досягає максимального значення (рис.5.14).

Залежність називається кутовою характеристикою.

Якщо момент навантаження стає біль-шим , то двигун вихо-дить з синхронізму і зупиняється. Номінальному моменту двигуна відповідає . Відношення визначає перевантажувальну здатність двигуна.

Залежність (5.19) справедлива для синхронних двигунів з неявними полюсами. У випадку явнополюсної машини виникає ще реактивний момент , показаний на рис.5.14 пунктирною лінією. Це дещо змінює синусоїдну залежність і збільшує .

Особливістю синхронного двигуна є те, що струм збудження можна регулювати. До чого призведе зміна струму збудження можна вияснити на підставі векторної діаграми (рис.5.15,а).

При сталому моменті навантаження споживана потужність також буде сталою:

 

. (5.20)

 

Оскільки , то і . Це показує, що зі зміною струму збудження , будуть змінюватись і , але добуток буде сталим.

 

б

а

 

Рис.5.15. Векторні діаграми для різних струмів збудження (а) та залежність струму статора від струму збудження (в)

 

На рис.5.15,а побудовано векторні діаграми для трьох значень струму збудження: , і , із яких видно, що є проекцією вектора струму на вертикальну вісь, по який відкладено вектор напруги . Оскільки , то зі збільшенням струму збудження кінець вектора струму буде переміщуватись по лінії . При номінальному струмі збудження кут зсуву , струм статора буде мінімальним і мінімальною буде споживача потужність, рівна (рис.5.15,б).

Збільшивши іще струм збудження, кут стане від’ємним і дви-гун, працюючи в режимі двигуна, буде виробляти реактивну потуж-ність і віддавати її в мережу живлення. Це підтверджує положення вектора , який при збільшенні буде переміщуватись вверх по прямій , бо згідно (5.19) , а це і є проекція вектора ЕРС на горизонтальну вісь.

Отже, змінюючи струм збудження синхронного двигуна, можна змінювати величину і фазу струмів фаз статора, що дозволяє працю-вати двигуну як з , так і зі струмами, які випереджають напругу, тобто споживати з мережі живлення активну потужність і віддавати в мережу реактивну потужність для потреб інших споживачів, наприклад, асинхронних двигунів.

Регулювання швидкості синхронних двигунів здійснюють лише зміною частоти живлення, як вверх від основної швидкості, так і вниз. Регулювання швидкості зміною числа пар полюсів обмотки статора неможливо, бо ротор має стале число полюсів. Оскільки швидкість синхро-нного двигуна не залежить від напру-ги, то напругу змінюють лише при пуску потужних двигунів з метою обмеження пускового струму. При цьому процес пуску синхронного двигуна такий же як і асинхронного.

Процеси, які протікають в синхронному двигуні при зміні часто-ти за умови , аналогічні відповідним процесам в асинхронному двигуні з короткозамкненим ротором. Тому при регулюванні швидкості співвідношення між частотою і напругою будуть такими же. Регулювання швидкості частотою є двозонним; механічні характеристики абсолютно жорсткі, діапазон регулювання практично необмежений (рис.5.16).

Частотне керування, будучи фактично єдиним способом регулю-вання швидкості синхронних двигунів, характеризується такими же показниками, що і частотно-керовані асинхронні двигуни з коротко-замкненим ротором, але дозволяє регулювати коефіцієнт потужнос-ті, що є його основною перевагою. Додатковою перевагою є можли-вість регулювання струмом збудження максимального момента: за збільшення струму збудження збільшує і одночас-но збільшується коефіцієнт потужності . Окрім того, за жив-лення обмотки статора напругою прямокутної форми можна здійс-нювати покроковий режим роботи з електромагнітною фіксацією положення ротора.