Характеристики синхронного двигателя.

Механическая характеристика – зависимость скорости вращения синхронного двигателя от нагрузочного тормозного момента на валу двигателя. При изменении тормозного момента от нуля до максимального значения скорость двигателя остаётся постоянной, равной синхронной скорости (рис. 3.18). При изменении нагрузки изменяется лишь угол рассогласования  между магнитным потоком Ф₀, образованного током возбуждения и суммарным магнитным потоком Ф двигателя, который состоит из потока Ф₀ плюс поток Ф_с от реакции якоря, то есть от тока статора. В режиме холостого хода (М=0) угол =0. С увеличением нагрузки увеличивается , возрастает вращающий момент, который в установившемся режиме (n=const) должен быть равен моменту нагрузки рабочей машины (свойство саморегулирования электрических машин).

Угловая характеристика – зависимость момента нагрузки М_с на валу двигателя от угла рассогласования . Если считать, что КПД синхронного двигателя равен 1, и электрическая мощность Р, потребляемая двигателем равна механической мощности на валу , то в соответствии с векторной диаграммой (рис. 3.17)

,

 где  – наибольшее значение тормозного момента. Угловая характеристика изображена на рис. 3.19.

U-образная характеристика – зависимость тока статора от тока возбуждения I=f (I_в) при неизменном тормозном моменте.

На рис. 3.20 изображена схема включения синхронного двигателя и в отличие от генератора выбраны другие положительные направления напряжения, тока и ЭДС, при которых  в соответствии с вторым законом Кирхгофа.

Рис. 3.20 Схема подключения синхронного двигателя к сети

В режиме холостого хода (М=0) в соответствии с угловой характеристикой sin  должен быть равен нулю и =0. При нормальном токе возбуждения I_в0 , при котором ЭДС двигателя Е₀₁ равна напряжению сети, ток двигателя согласно уравнению  равен нулю (рис. 3.21а)

При уменьшении тока возбуждения (I_в2) пропорционально уменьшается E₀₂ , появляется напряжение на синхронном реактивном сопротивлении

Рис. 3.21. Векторные диаграммы синхронного двигателя в режиме холостого хода при изменении тока возбуждения

, возникает ток в статоре , который отстаёт от  на .

Относительно напряжения сети синхронный двигатель ведёт себя как чисто индуктивная нагрузка, то есть потребляет из сети реактивную индуктивную энергию (рис. 3.21б, режим работы двигателя соответствует точке А (рис. 3.22).

Если увеличить ток возбуждения, увеличивается ЭДС (E₀₃), изменяется направление и на противоположное. В этом режиме ток статора  опережает напряжение сети на  и двигатель представляет собой чисто ёмкостную нагрузку (рис. 3.21в). Можно сказать, что двигатель не потребляет реактивную индуктивную мощность, а является генератором реактивной мощности (рис. 3.20в, режим работы двигателя соответствует точке В). Таким образом, при изменении тока возбуждения, будет изменяться ток статора по кривой, похожей на букву U.

Рис. 3.22 U-образные характеристики синхронного двигателя:

1 – при М_с= 0; 2 – при М_с > 0

D OJL+AAAA4QEAABMAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAFtDb250ZW50X1R5cGVzXS54bWxQSwECLQAUAAYA CAAAACEAOP0h/9YAAACUAQAACwAAAAAAAAAAAAAAAAAvAQAAX3JlbHMvLnJlbHNQSwECLQAUAAYA CAAAACEA2JGZ/c4cAAAmHwEADgAAAAAAAAAAAAAAAAAuAgAAZHJzL2Uyb0RvYy54bWxQSwECLQAU AAYACAAAACEAJAmLiuIAAAAKAQAADwAAAAAAAAAAAAAAAAAoHwAAZHJzL2Rvd25yZXYueG1sUEsF BgAAAAAEAAQA8wAAADcgAAAAAA== ">

Рис. 3.23. Векторные диаграммы синхронного двигателя при постоянной нагрузке на валу: а) – при возбуждении, соответствующему ; б) – при недовозбуждении; в) – при перевозбуждении

Если момент, а следовательно, и мощность на валу двигателя  поддерживать постоянной, то в соответствии с формулами  и  при изменении тока возбуждения, то есть ЭДС E₀  и .

Из векторной диаграммы видно, что минимальное значение тока статора соответствует режиму максимального коэффициента мощности (режим С  рис. 3.22 и рис. 3.23а).

При недовозбуждении (рис. 3.23б) при той же нагрузке ток статора увеличивается, так как двигатель потребляет из сети не только активную, но и реактивную (индуктивную) мощность (  и ток I₂ отстаёт от напряжения сети на угол (режим D на рис. 3.22). Это снижает общий коэффициент мощности всей сети, так как сеть и без того работает на активно-индуктивную нагрузку (асинхронные двигатели).

При перевозбуждении  как и при недовозбуждении ток статора двигателя также увеличивается (рис. 3.23в), хотя его активная составляющая остаётся неизменной (P=const), но реактивная составляющая имеет уже не индуктивный, а ёмкостный характер ( ). Следовательно общая реактивная мощность сети, равная разности индуктивной мощности асинхронных двигателей и ёмкостной мощности перевозбуждённого асинхронного двигателя, будет уменьшаться, и тем самым увеличиваться общий коэффициент мощности всей сети. На U-образной характеристике этот режим синхронного двигателя соответствует точке N (рис. 3.22).

Таким образом, изменяя ток возбуждения синхронного двигателя, можно регулировать величину и характер потребляемой реактивной мощности, то есть регулировать коэффициент мощности синхронного двигателя, а через него и коэффициент мощности всей сети.

Рабочие характеристики синхронного двигателя представляют собой зависимость частоты вращения n, потребляемой электрической мощности P₁ , момента на валу двигателя M , коэффициента мощности  и тока в обмотке статора I от мощности Р на валу двигателя (рис. 3.24).

Рис 3.24 Рабочие характеристики синхронного двигателя

График частоты вращения имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс. Полезный момент на валу двигателя пропорционален мощности  имеет вид прямой, выходящей из начала координат.

Электрическая мощность . С увеличением нагрузки P  увеличивается и потери   , поэтому мощность  растет несколько быстрее мощности P. Кривая  зависит от величины тока возбуждения двигателя. Если при холостом ходе , то при увеличении нагрузки он уменьшается.

Величина тока в обмотке статора .Так как с ростом P уменьшается, то потребляемый ток растет быстрее чем мощность P₁.

Перегрузочная способность К_п = М_макс / М_ном . Обычно синхронный двигатель работает при угле рассогласования , что соответствует перегрузочной способности

Синхронный компенсатор

Если перевозбуждённый синхронный двигатель работает на холостом ходу, то подобно конденсатору он будет потреблять из сети только реактивный емкостной ток.

Специальная синхронная машина, работающая без нагрузки и служащая для регулирования коэффициента мощности называется синхронным компенсатором.

На рис. 3.25 показана схема подключения синхронного компенсатора к сети, которая питает нагрузку (асинхронный двигатель) и векторные диаграммы, поясняющие повышение коэффициента мощности сети в системе нагрузка (АД) – син-

Рис 3.25. Применение синхронного компенсатора (двигателя) для повышения коэффициента мощности:  а – схема; б – векторная диаграмма с синхронным компенсатором;

в – ВД с синхронным двигателем

хронный компенсатор (СК). Даже синхронный двигатель в режиме перевозбуждния может не загружать, а разгружать сеть Ic < IАд (рис. 3.25в) и тем самым повышать общий коэффициент мощности.