Работа синхронной машины в режиме двигателя

Пуск в ход синхронного двигателя обычного исполнения путем непосредственного включения в сеть невозможен (рис.8.23.) В момент включения двигателя в сеть ротор неподвижен. За время действия механической силы на ротор, возникающей от действия вращающего магнитного поля якоря, ротор, в силу своей механической инерции, не сдвинется с места. При вращении магнитного поля ротор будет находиться под действием кратковременных знакопеременных толчков. Пуск синхронных двигателей возможен лишь при условии, что предварительно будет произведен разгон ротора до скорости, равной синхронной или близкой к ней.

Для синхронных двигателей обычно применяют асинхронный пуск в ход, состоящий в том, что в начале пуска двигатель разгоняется как асинхронный. Для этого ротор снабжается пусковой короткозамкнутой обмоткой, подобно короткозамкнутой обмотке асинхронного двигателя (рис.8.24).

 

 

р

 

 

При пуске статор подключают к сети. Возникающее магнитное поле индуцирует в этой обмотке эдс и токи, в результате чего создается электромагнитный момент, как и у асинхронного двигателя. На время пуска  обмотка возбуждения отключена от источника постоянного тока, но замкнута на активное сопротивление  (R _П)с целью уменьшения напряжения на ее зажимах при пуске. В процессе асинхронного пуска обмотку возбуждения оставлять разомкнутой нельзя, так как магнитный поток статора, при неподвижном роторе индуктирует в ней ЭДС. При большом числе витков эта ЭДС превышает 3000 В, что представляет опасность как для самой обмотки, так и для обслуживающего персонала. Переключение обмотки возбуждения к клеммам U в осуществляется переключателем П (рис.8.24).

При достижении двигателем частоты вращения, близкой к синхронной, обмотка возбуждения переключается на источник постоянного тока. Напряжение возбуждения U в подается на ротор Р с помощью контактных колец К и щеток Щ (рис.8.23). В этом случае говорят, что двигатель «втянулся в синхронизм».

С ростом нагрузки на валу синхронного  двигателя  происходит пространственное смещение оси полюсов ротора по отношению к оси полюсов вращающегося поля статора на угол q против направления вращения ротора. Угол q называется углом нагрузки. Полюсы ротора начинают отставать от полюсов магнитного поля статора. В результате электромагнитный момент становится вращающим, двигательным моментом, который вращает ось нагрузки, связанную с ротором. Машина работает в режиме двигателя.

Вращающий электромагнитный момент

М = М _m sin q,

где амплитуда вращающего момента

М _m =( 3 UE ₀ ) / w х _с, тогда

М = М _m sin q =3 р UE ₀ / 2p f х _с,

где х _с – синхронное сопротивление фазы статора.

Характеристика M= f (q) (рис.8.25) зависимости электромагнитного момента двигателя от угла нагрузки при токе возбуждения ротора I _в = const  и неизменном фазном напряжении сети U = const имеет вид синусоиды и выражает работу,как двигательного, так и генераторного режима. Эта зависимость синусоидальна, она называется угловой характеристикой двигателя. Амплитуда М _m угловой характеристики характеризует перегрузочную способность синхронного двигателя или предел его статической устойчивости в синхронизме.

Номинальный момент М _н двигателя соответствует углу q рассогласования не более  30⁰. Областью устойчивой работы двигателя является участок q = 0 ¸p/2, где выполняется условие положительности производной момента по углу нагрузки. При   электромагнитном моменте   М> M _m синхронный двигатель выпадает из синхронизма. Перегрузочная способность его составляет

M _m / М _н =1/ sin q = 1/ sin 30⁰=2

и всегда больше двух, коэффициент перегрузки синхронного двигателя k _п =1/ sin q >> 2.

Схема замещения фазы статора синхронного двигателя и векторная диаграмма приведены на рис.8.26.

 

Рис.8.26. Схема замещения и векторная диаграмма загруженного

перевозбужденного синхронного  двигателя.

где U – фазное напряжение сети; I – ток фазы статора; х _с – синхронное индуктивное сопротивление обмотки фазы статора; q - угол нагрузки.

 В соответствии со схемой (рис.8.62) уравнение электрического состояния фазы статора синхронного двигателя имеет вид

     На векторной диаграмме вектор ЭДС E ₀, который связывают с положением полюсов ротора, при нагрузке на валу отстает на угол q от вектора напряжения сети U, с которым связано положение полюсов результирующего магнитного поля машины. Разность представляет собой падение напряжения от тока статора на внутреннем сопротивлении фазы машины.

Важным преимуществом синхронного двигателя является способность регулировать потребляемую из сети реактивную мощность путем изменения тока возбуждения ротора I _в.

Синхронные двигатели конструктивно сложнее асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, так как имеют значительно более сложную конструкцию ротора. Для синхронных двигателей требуется источник постоянного напряжения. Пуск синхронных двигателей значительно сложнее, чем асинхронных.

Достоинством синхронного двигателя является то, что его максимальный момент зависит от напряжения в сети в первой степени, а не во второй, как для асинхронного двигателя. Это означает, что в обычных условиях при колебаниях напряжения сети момент синхронного двигателя является более стабильным. Кроме этого, синхронные двигатели могут работать с любым коэффициентом мощности, который можно изменять независимо от нагрузки на валу двигателя, регулируя ток возбуждения.

Сопоставление достоинств и недостатков синхронных двигателей показывает, что их целесообразно применять для установок большой мощности, начиная примерно с 50 – 100 кВт, в особенности для установок, работающих в условиях редких пусков.

Рассмотрим зависимость тока статора I двигателя от тока I _в возбуждения ротора I =¦(I _в) при постоянном тормозном моменте на валу двигателя М _тор = const.Эта зависимость называется U -образными характеристиками синхронного двигателя (рис.8.27).

 

 

Рис.8.27. U-образные характеристики синхронного двигателя

 

Характеристики имеют границу устойчивости, вдоль которой уменьшение тока возбуждения приведет к опрокидыванию дви­гателя или выпадению из синхронизма. Граница устойчивости соответствует режиму М _дв = М _ген. .

При недовозбуждении, т.е. при I _в< I _в.гр ,реактивная мощность имеет индуктивный характер Q_L. При токе возбуждения больше некоторого граничного тока    I _в> I _в.гр   ток синхронного двигателя имеет о емкостный характер Q_{C .} Следовательно, при перевозбуждении реактивная мощность синхронного двигателя имеет емкостный характер.

Обычно синхронные двигатели работают в режиме перевозбуждения. При этом емкостные составляющие токов статоров компенсируют в линии индуктивные составляющие токов асинхронных двигателей, трансформаторов и других индуктивных приемников, уменьшая токи и потери в линиях.

 

Синхронные компенсаторы

Способность синхронной машины вызывать в сети опережающий ток и служить генератором реактивной мощности находит широкое применение.

Создают специальные синхронные двигатели, работающие на холостом ходу, генерирующие реактивную мощность и повышающие cosφ сети. Перевозбужденный синхронный двигатель без нагрузки на валу является «синхронным компенсатором» - потребителем емкостного тока. Они работают в режиме перевозбуждения, вызывая ток, опережающий напряжение сети на угол, близкий к π / 2. Тем самым компенсируется реактивная составляющая тока других потребителей, и, как следствие, уменьшается результирующий ток, нагружающий электрическую сеть.

Потери мощности синхронных компенсаторов невелики и не превышают 2 – 3 % от их номинальной мощности. По сравнению с конденсаторами, которые также вызывают в сети опережающий ток и используются для повышения cosφ сети, синхронные компенсаторы дешевле, имеют меньшие габариты при той же мощности, но потери мощности в них больше потерь в конденсаторах. Мощность синхронных компенсаторов достигает 100-160 Мвар.