4 7 Механическая и угловая характеристики синхронных двигателей

4. 7 Механическая и угловая характеристики синхронных двигателей

Наличие источника постоянного тока приводит к усложнению и удорожанию установок, целесообразно применение синхронных двигателей только большой мощности. Основным свойством синхронных двигателей является то, что они работают с постоянной частотой вращения

4. 8. Угловая характеристика СД Для определения развиваемого двигателем электромагнитного момента и перегрузочной способности двигателя используют угловую характеристику, под которой понимается зависимость между электромагнитным моментом двигателя М и углом пространственного смещения между осями полей статора (определяется вектором U) и ротора (определяется вектором ЭДС холостого хода )

Можно считать, что электромагнитный момент синхронной машины где . – постоянная величина при данном токе возбуждения

В двигательном режиме ротор отстает от поля статора. Мы принимаем в этом режиме угол положительным, т. е. и ; при отсутствии нагрузки: и ; в тормозном (генераторном) режиме: и соответственно. Максимум электромагнитного момента наступает при

Таким образом, устойчивая работа двигателя возможна при.

4. 9. Рабочие характеристики СД Рабочие характеристики имеют важное значение для исследования процессов преобразования энергии в СД (рис. 4. 13). С ростом нагрузки на валу двигателя увеличивается момент и ток в якоре, сначала по линейному закону, а затем из-за изменения параметров – по нелинейному закону.

4. 10. Пуск СД Одним из основных недостатков СД являются плохие пусковые свойства, которые ограничивают их применение. Пуск СД может быть частотным, при помощи разгонного двигателя или СД могут включаться на полное напряжение сети (асинхронный пуск).

Наиболее распространенным является асинхронный пуск. Вследствие наличия короткозамкнутых контуров на роторе (демпферной обмотки, массивных полюсных наконечников) ротор разгоняется до частоты вращения. Близкой к синхронной. ОВ при асинхронном пуске закорачивается на активное сопротивление.

После подхода ротора к частоте вращения, близкой к синхронной (s=0, 05), ОВ подключается к возбудителю и осуществляется грубая синхронизация машины. Применяется также пуск с наглухо присоединенным возбудителем. В этом случае при частоте вращения, равной (0, 5 -0, 7) от номинальной, в ОВ СД начинает протекать постоянный ток и машина втягивается в синхронизм.

Пуск двигателя с наглухо присоединенным возбудителем сопровождается большими бросками токов и может осуществляться, если нагрузка не превышает (0, 4 -0, 5) номинального момента. Однако схема пуска с наглухо присоединенным возбудителем более простая и находит все большее применение.

При тяжелых условиях пуска мощных СД применяется реакторный или автотрансформаторный пуск (как для АД). При пуске СД с помощью разгонного двигателя СД доводится до почти синхронной частоты вращения. В качестве разгонного двигателя может использоваться АД или ДПТ. Пуск с помощью разгонного двигателя применяется редко, т. к. разгонный двигатель используется только при пуске.

При частотном пуске обмотка статора СД подключается к преобразователю частоты, который имеет частоту от нескольких герц до номинальной частоты. При частотном пуске СД входит в синхронизм при малых частотах. Частотный пуск удобно использовать, если преобразователь частоты можно применять для пуска нескольких двигателей.

Сравнивая СД с АД, следует отметить основное преимущество СД – возможность работать с коэффициентом мощности равном единицы, а при перевозбуждении – и с опережающим коэффициентом мощности. Недостатком СД является их более сложная конструкция, необходимость в источнике постоянного тока и худшие по сравнению с АД пусковые свойства.

При мощности двигателей от нескольких киловатт до 100 к. Вт проявляется еще один недостаток СД – склонность к качаниям. При определенном соотношении параметров СД ротор покачивается около синхронной частоты вращения.

СД при условии легких пусков целесообразно применять при мощности свыше 200 к. Вт. СД мощностью до 1 -2 к. Вт выполняются с явнополюсным ротором без ОВ. За счет различия проводимости по продольной и поперечной осям машины в таких машинах возникает реактивный момент, а асинхронный пуск обеспечивается демпферной обмоткой.

4. 11. Синхронный компенсатор Для создания магнитных полей в электротехнических устройствах энергосистем необходима реактивная мощность. Основными источниками реактивной мощности являются СМ и конденсаторы. Конденсаторы дороже СМ, имеют большие габариты и меньшую надежность.

Источники реактивной мощности желательно иметь ближе к месту потребления реактивной мощности. Поэтому невыгодно использовать СГ в качестве источников реактивной мощности, т. к. реактивные загружают линии электропередачи и СД.

Целесообразно в качестве источников реактивной мощности использовать СМ, работающие как источники или потребители реактивной мощности. Такие машины называются синхронными компенсаторами. Конструктивно синхронные компенсаторы выполняются так же. как СГ.

Отличие состоит в том, что они не имеют выходного конца вала. Мощность синхронных компенсаторов 10 -345 МВт при напряжении 6, 6 -15, 75 к. В, частота вращения 750 -1000 об/мин.

4. 12. Специальные СМ Машины с постоянными магнитами (магнитоэлектрические машины) Эти машины имеют преимущество перед обычными СМ: электрические потери в ОВ равны нулю. Наибольшее распространение получили микродвигатели с постоянными магнитами (применяются в самолетах, тракторах, автомобилях). Статор двигателей с постоянными магнитами ничем не отличается от статора машин общего назначения. На роторе расположены постоянные магниты и пусковая короткозамкнутая обмотка.

Постоянные магниты могут располагаться не только на роторе, но и на статоре машины. Магнитоэлектрические машины по сравнению с машинами электромагнитного возбуждения имеют ряд преимуществ: высокую надежность из-за отсутствия вращающихся обмоток, высокий КПД и меньшие нагревы из-за отсутствия потерь на возбуждения и в скользящем контакте, меньшие помехи радиоприему из-за отсутствия контактов.

Однако эти машины обладают и рядом недостатков: генераторы не допускают обычного способа регулирования напряжения (путем изменения тока возбуждения), имеют плохие пусковые свойства, имеют повышенные стоимость, массу и габариты.

Индукторные синхронные машины В индукторных машинах преобразование энергии происходит вследствие изменения индуктивности между статором и ротором. Машины выполняются двух-, трех- и однофазными. В индукторных машинах применяются и постоянные магниты.

В однофазных индукторных двигателях применяются все способы пуска, характерные для обычных однофазных СД.

Шаговые двигатели – это маломощные индукторные машины. Основная задача их – отрабатывать электрические импульсы, преобразуя электрические сигналы в угловые перемещения. Для управления шаговыми двигателями используются коммутаторы на полупроводниковых элементах, формирующие импульсы, которые подаются на фазы обмотки шагового двигателя. Число фаз выбирается равным 4 или 6. Шаг двигателя может быть от 180 градусов до 1 градуса.

Гистерезисные двигатели Недостатком СД являются их плохие пусковые свойства. Гистерезисные двигатели сочетают в себе положительные качества АД (хорошие пусковые характеристики) и СД (высокие энергетические характеристики). Это достигается в гистерезисных двигателях за счет применения специальных магнитных материалов, из которых выполняется ротор двигателя.

Недостатком гистерезисных двигателей является то, что при нагрузках , близких к номинальным, машина может выпадать из синхронизма. Гистерезисные двигатели выполняются на мощности до десятков Ватт.

СМ двойного питания Если в АМ с ф. р. обмотку статора и ротора подключить к сети таким образом, чтобы поля статора и ротора вращались в противоположные стороны, то можно получить частоту вращения выше синхронной частоты вращения. Неподвижность полей статора и ротора – непреложное условие, при котором происходит электромеханическое преобразование энергии, будет тогда, когда ротор будет вращаться в сторону вращения поля статора с двойной частотой.

Недостатком машины двойного питания является то, что необходимо при пуске довести частоту вращения ротора до частоты вращения, равной двойной частоте вращения магнитного поля, а затем включить напряжение на ротор, т. е. синхронизировать машину.

Если подключить ротор к преобразователю частоты, который дает возможность регулировать частоту выходного напряжения, то можно получить регулирование частоты вращения вниз и вверх от синхронной частоты вращения. МДП, хотя и имеет конструкцию АМ, работает как синхронная.