Что показывает угловая характеристика синхронного двигателя

Область применения синхронных электродвигателей

Синхронные электродвигатели отличаются от асинхронных гораздо большей мощностью и полезной нагрузкой. Изменения тока возбуждения позволяет регулировать в них нагрузку. В отличие от асинхронных двигателей в синхронных при ударных нагрузках сохраняется постоянство частоты вращения, что позволяет их использовать в различных механизмах в металлургической и металлообрабатывающей промышленности.

Двигатели с синхронным типом действия способны развивать мощность до 20 тысяч кВт, что очень важно для приведения в действие исполнительных механизмов мощных обрабатывающих станков в машиностроении и других отраслях производства. Например, в высокопроизводительных гильотинных ножницах, где имеются большие ударные нагрузки на ротор электродвигателя.

Синхронные электрические двигатели с успехом используются в качестве источников реактивной мощности в узлах нагрузки для поддержания стабильного уровня напряжения. Довольно часто двигатели с синхронным принципом действия используются в качестве силовых машин в компрессорных установках большой производительности.

Мощные двигатели выполняются с использованием системы встречной вентиляции, при которой лопасти вентилятора расположены на роторе. Экономичный и надежный синхронный двигатель обеспечивает производительную и экономичную работу насосного оборудования.

Важной характеристикой синхронных электрических машин является сохранение постоянной скорости вращения, что важно для вращения приводов в виде насосов, компрессоров, вентиляторов, и различных генераторов переменного тока. Ценным также является возможность регулирования реактивного тока за счет вариаций тока возбуждения обмоток якоря. Благодаря этому увеличивается показатель косинуса φ при всех диапазонах работы, что увеличивает кпд двигателей и снижает потери в электрических сетях.

Сами двигатели с синхронным принципом действия устойчивы к колебаниям напряжения в сети, и обеспечивают постоянство скорости вращения при их возникновении. Синхронные электродвигатели при понижении питающего напряжения сохраняют большую перегрузочную способность, по сравнению с асинхронными. Способность к форсированию тока возбуждения при понижениях напряжения повышает надежность их работы при аварийных снижениях питающего напряжения в электрической сети.

Синхронные электрические машины рентабельны при мощностях свыше 100 кВт и основное применение находят для вращения мощных вентиляторов, компрессоров и других силовых установок. В качестве недостатков синхронных машин можно отметить их конструктивную сложность, наличие внешнего возбуждения обмоток ротора, сложность запуска и довольно высокие стоимостные характеристики.

Принцип действия синхронного электродвигателя основывается на взаимодействии вращения магнитного поля якоря с магнитными полями полюсов индуктора. Якорь обычно располагается на статоре, а индуктор на подвижном роторе. При больших мощностях полюсами служат электромагниты, при этом постоянный ток подается на ротор через скользящие кольцевые контакты.

В маломощных двигателях используются постоянные магниты, расположенные на роторе. Существуют также синхронные машины с обращенным принципом работы, когда якорь размещен на роторе, а индуктор на статоре. Однако такая конструкция применяется в двигателях старых конструкций.

Синхронные электрические машины могут работать в генераторном режиме, когда якорь расположен на статоре для удобства отбора генерируемого электричества. На этом принципе основаны мощные генераторы, работающие на гидроэлектростанциях.

Что показывает угловая характеристика синхронного двигателя

Синхронный двигатель имеет постоянную частоту вращения при разнообразных нагрузках. Часто такие приборы применяют для приводов машин, которые работают с постоянной неизменной скоростью, например, компрессоры, вентиляторы, насосы и пр.

Особенности синхронных двигателей:

• Высокий коэффициент мощности cosФ=0,9
• Возможность использования синхронных двигателей на предприятиях для увеличения общего коэффициента мощности

Высокий КПД: он больше чем у асинхронного двигателя на (0,5-3%) это достигается за счёт уменьшения потерь в меди и большого CosФ.

• Обладает большой прочностью обусловленной увеличенным воздушным зазором.
• Вращающий момент синхронного двигателя прямо пропорционален напряжению в первой степени. Т.е синхронный двигатель будет менее чувствителен к изменению величины напряжения сети.
• Сложность пусковой аппаратуры и большая стоимость.

Устройство и принцип работы синхронного двигателя

В статоре синхронного двигателя имеется обмотка, которая подключается к сетям трехфазного тока. Она образует собой магнитное поле, которое вращается. Ротор у такой электроэнергетической машины, как синхронный двигатель, состоит из сердечника и обмотки возбуждения. Обмотка подключается через специальные контактные кольца к источнику (обычно это источник постоянного тока или же иногда используют выпрямленный переменный ток). Электрический ток, который протекает через обмотки возбуждения, создает намагничивающее ротор магнитное поле.

Магнитное поле статора, которое вращается, намагничивает ротор. Синхронный двигатель с постоянными магнитами имеет разное электромагнитное сопротивление по поперечной и продольной осям полюсов. Силовые линии у магнитного поля обмотки статора начнут изгибаться, потому что они будут как бы стремиться найти пути с наименьшим сопротивлением. Вследствии специфических свойств силовых магнитных линий поля, в свою очередь, такая деформация его вызовет реактивный момент. Именно поэтому ротор будет вращаться синхронно вместе с магнитным полем статора.

Виды синхронных двигателей

В основном все отличия в конструктивном исполнении такого устройства — это модификации вращающейся детали. Ротор синхронной машины может быть с явно выраженными полюсами (т.н. «явнополюсный»), и с неявно выраженными полюсами (т.н.«неявнополюсный»).

• Явнополюсный ротор обычно имеет ярко выраженные, выступающие полюса, на которых размещаются катушки возбуждения.
• Неявнополюсный ротор обычно представляет собой цилиндр из ферромагнитного сплава, на поверхности которого фрезеруют пазы в осевом направлении. Впоследствии именно в эти пазы укладывают обмотки возбуждения.

Рабочие характеристики. 2366

Рабочие характеристики синхрон­ного двигателя представляют собой зависимость частоты враще­ния ротора ,потребляемой мощности , полезного момента ,коэффициента мощности , и тока в обмотке статора от полезной мощности двигателя (рисунок 46). Частота вращения рото­ра всегда равна синхронной частоте ,поэтому гра­фик имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс. Полезный момент на валу синхронного двигателя . Так как рабочие характеристики снимают при условии , то график имеет вид прямой, выходящей из начала координат. Мощность на входе двигателя . С ростом нагрузки на валу двигателя увеличиваются также и потери ,поэтому потребляемая мощность растет быстрее полезной мощ­ности и график имеет несколько криволинейный вид.

Рисунок 46 – Рабочие характеристики синхронного двигателя

Вид графика зависит от вида настройки тока возбуждения: если в режиме х. х. ток возбуждения установлен та­ким, что = 1, то с ростом нагрузки коэффициент мощности снижается, если же установить =1 при номинальной на­грузке, то при недогрузке двигатель будет забирать из сети реак­тивный опережающий ток, а при перегрузке — отстающий. Обыч­но устанавливают ток возбуждения таким, чтобы =1 при средней нагрузке (рисунок 46). В этом случае коэффициент мощно­сти во всем диапазоне нагрузок остается достаточно высоким.

Ток в обмотке статора двигателя . Из этого выражения видно, что ток с увеличением нагрузки на валу дви­гателя растет быстрее, чем потребляемая мощность , вследствие уменьшения .

Так как ротор синхронного двигателя вращается в ту же сторону, что и поле статора, то направление вращения ротора определяется порядком следования фаз линейных проводов, подведенных к обмотке статора, и порядком расположения фаз обмотки статора. Для изменения направления вращения трехфазного синхронного двигателя необходимо переключить два линейных привода, подведенных из сети к выводам обмотки статора.

В заключение необходимо отметить, что синхронные двигатели по сравнению с асинхронными имеют преимущество, заключающееся в том, что они могут работать с = 1, не создавая в щей сети индуктивных токов, вызывающих дополнительные потери энергии. Более того, при работе с перевозбуждением син­хронные двигатели создают в сети емкостный ток, чем способст­вуют повышению коэффициента мощности энергосистемы в це­лом. Другое достоинство синхронных двигателей состоит в том, что основная составляющая электро­магнитного момента пропорциональна напряжению сети ,а у асинхронных двигателей электромагнитный момент пропорциона­лен . По этой причине при понижении напряжения в сети синхронные двигатели сохраняют большую перегрузочную способность, чем асинхронные.

К недостаткам синхронных двигателей относятся их более сложная конструкция и повышенная стоимость по сравнению с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Кроме того, для работы синхронного двигателя требуется устройство для питания постоянным током обмотки возбуждения.

Опыт эксплуатации показал, что применение синхронных двигателей общего назначения наиболее целесообразно при мощности 200 кВт и более в установках, не требующих частых пусков и регулирования частоты вращения (мощные насосы, вентиляторы, компрессоры и т. п.).

Порядок выполнения работы:

1. Выполнить задание лабораторной работы.

2. Составить отчет.

3. Ответить на контрольные вопросы.

Ход работы:

Состав электрической схемы соединений (рисунок 47):

G1 – трехфазный источник питания;

G2 – источник питания двигателя постоянного тока;

G3 – возбудитель синхронной машины;

G4 – машина постоянного тока;

G5 – преобразователь угловых перемещений;

М1 – машина переменного тока;

А2 – трехфазная трансформаторная групп;

А6, А8 – трехполюсный выключатель;

А9 – реостат для цепи ротора машины переменного тока;

А10 – активная нагрузка;

А14 – линейный реактор;

Р3 – указатель частоты вращения;

А5 – персональный компьютер;

А12 – блок датчиков тока и напряжения.

Источник G1 – источник синусоидального напряжения частотой 50 Гц.

Источник питания двигателя постоянного тока G2 используется для питания регулируемым напряжением обмотки возбуждения машины постоянного тока G4, работающей в режиме генератора с независимым возбуждением.

Активная нагрузка А10 используется для нагружения генератора G4.

Возбудитель G3 служит для питания обмотки возбуждения машины переменного тока М1, работающей в режиме синхронного двигателя.

Преобразователь угловых перемещений G5 генерирует импульсы, поступающие на вход указателя частоты вращения Р3 электромашинного агрегата.

Машина (синхронный двигатель) М1 получает питание от источника G1 через трехфазную трансформаторную группу А2 и выключатель А6.

Реостат А9 выполняет роль резистора синхронизации и подключается выключателем А8 к обмотке возбуждения синхронного двигателя М1 на этапе пуска последнего.

С помощью линейного реактора А14 моделируется сопротивление кабеля, питающего двигатель М1.

Датчики тока и напряжения в блоке А12 обеспечивают гальваническую развязку силовой и измерительной цепей и преобразуют ток и напряжение статорной обмотки испытуемого двигателя М1 в пропорциональные им нормированные напряжения.

Через аналоговые входы АСН0-АСН8, АСН1-АСН9, АСН2-АСН10 коннектора А4 напряжения, пропорциональные частоте вращения, току и напряжению статорной обмотки испытуемого двигателя М1, вводятся в компьютер А5.

Пуск синхронных двигателей

Пуск синхронного двигателя

Особенностью этого вида электрических машин является то, что его нельзя просто подключить к сети и ожидать его запуска. Кроме того, что для работы СД нужен не только источник тока возбуждения, у него и достаточно сложная схема пуска.

Запуск происходит как у асинхронного двигателя, а для создания пускового момента кроме обмотки возбуждения на роторе размещают и дополнительную короткозамкнутую обмотку «беличью клетку». Её еще называют «демпфирующей» обмоткой, потому что она повышает устойчивость при резких перегрузках.

Ток возбуждения в обмотке ротора при пуске отсутствует, а когда он разгоняется до подсинхронной скорости (на 3-5% меньше синхронной), подаётся ток возбуждения, после чего он и ток статора совершает колебания, двигатель входит в синхронизм и выходит на рабочий режим.

Для ограничения пусковых токов мощных машин иногда уменьшают напряжение на зажимах обмоток статора, подключив последовательно автотрансформатор или резисторы.

Пока синхронная машина запускается в асинхронном режиме к обмотке возбуждения подключаются резисторы, сопротивление которых превышает сопротивление самой обмотки в 5 — 10 раз. Это нужно чтобы пульсирующий магнитный поток, возникающий под действием токов, наводимых в обмотке при пуске, не замедлял разгон, а также чтобы не повредить обмотки из-за индуцируемыми в ней ЭДС.

СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ, СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Статор синхронных двигателей выполняется аналогично статору асинхронного двигателя с трехфазной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока. Ротор синхронных двигателей может иметь обмотку возбуждения, быть выполненным в виде постоянных магнитов или представлять собой зубчатый стальной цилиндр. Первая из названных конструкций ротора характерна для синхронных двигателей в основном средней и большой мощности. Двигатели с ротором в виде постоянного магнита или зубчатого колеса выполняются небольшой и средней мощности и находят главное применение в регулируемых электроприводах.

На рис. 6.1, а приведена схема включения трехфазного синхронного двигателя с обмоткой возбуждения. При этом ротор двигателя может быть выполнен неявнополюсным или иметь явно выраженные полюсы.

В качестве источника для питания обмотки возбуждения в схеме используется генератор 2 постоянного тока небольшой мощности, называемый возбудителем и устанавливаемый на валу синхронного

Рис. 6.1. Схема включения (а) и рабочая механическая характеристика (б) синхронного двигателя:

7 — двигатель; 2 — возбудитель; 3 — регулировочный резистор; 4 — обмотка возбуждения возбудителя

двигателя (см. рис. 6.1, а). Регулирование тока возбуждения двигателя / осуществляется изменением с помощью резистора 3 в цепи тока / _ц возбуждения возбудителя 4. В современных схемах возбуждения синхронных двигателей широко применяются тиристорные управляемые выпрямители (тиристорные возбудители).

Вращающий момент синхронного двигателя обусловлен взаимодействием вращающегося магнитного поля, создаваемого обмотками статора, и магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения или постоянными магнитами на роторе. Взаимодействие этих полей может создать постоянный по направлению вращающий момент двигателя только в том случае, когда ротор будет вращаться со скоростью магнитного поля со = 2nfJp, т.е. синхронно с вращающимся полем. Таким образом, механическая характеристика синхронного двигателя со(А/) (см. рис. 6.1, б) представляет собой горизонтальную линию с ординатой со. Эта характеристика имеет место до некоторого максимального момента нагрузки М_тах, превышение которого приведет к выпадению двигателя из синхронизма, т.е. к нарушению синхронного вращения ротора и магнитного поля.

Для определения максимального момента М_тах двигателя, до которого сохраняется синхронная работа двигателя с сетью, служит угловая характеристика двигателя. Она представляет собой зависимость момента М от угла 0 сдвига между векторами ЭДС статора Е и фазного напряжения сети (7_ф. Для неявнополюсного синхронного двигателя при пренебрежении активным сопротивлением цепи статора она выражается формулой

Рис. 6.2. Угловая характеристика синхронного двигателя

где t/ф — фазное значение напряжения сети; Е — ЭДС в обмотке статора двигателя; х — индуктивное сопротивление фазы обмотки двигателя; со — скорость вращения магнитного поля. Угловая характеристика двигателя показана на рис. 6.2. В соответствии с формулой (6.1) момент двигателя достигает своего максимального значения при 0 = к/2. Эта величина характеризует собой перегрузочную способность двигателя. При больших значениях угла двигатель выпадает из синхронизма, при меньших углах 0 его работа устойчива.

Номинальное значение угла 0 составляет обычно 25—30°, ему соответствует номинальный момент А/_ном. При таком значении 0 кратность максимального момента составляет Х_м = A/_mix / М_ном = = 2+2,5.

На рис. 6.1, б показаны участки механической характеристики двигателя двигательного и генераторного режимов. При моменте двигателя М = 0 имеет место режим идеального холостого хода.

Асинхронный пуск — синхронный двигатель

Асинхронный пуск синхронного двигателя в ход ( см. § 59 — 4) осуществляется с помощью короткозамкнутой демпферной ( пусковой) обмотки, располагающейся в пазах полюсных наконечников.

Асинхронный пуск синхронных двигателей в настоящее время является основным.

Асинхронный пуск синхронных двигателей при полном напряжении на обмотке статора сопровождается значительным увеличением потребляемого из сети тока до величин порядка / п ( 3 — f — — т — 6) / ном, где нижний предел соответствует тихоходным, а верхний предел.

Асинхронный пуск синхронного двигателя в ход ( см. § 59 — 4) осуществляется с помощью короткозамкнутой демпферной ( пусковой) обмотки, располагающейся в пазах полюсных наконечников.

Асинхронный пуск синхронного двигателя в ход ( см. § 19 — 19) осуществляется с помощью короткозамкнутой ( пусковой) обмотки, располагающейся в пазах полюсных наконечников.

Асинхронный пуск синхронного двигателя осуществляется при помощи специальной короткозамкнутой обмотки, уложенной в полюсных наконечниках ротора. Синхронный двигатель, снабженный такой обмоткой, запускается так же, как короткозамкнутый асинхронный двигатель.

Асинхронный пуск синхронных двигателей большой мощности сопровождается значительным броском тока и соответствующим ему понижением напряжения питающей сети. В случае необходимости ограничения бросков тока пуск синхронных двигателей иногда производится при пониженном напряжении. Для этого статор двигателя подключают к сети через реактор или автотрансформатор, шунтируемые затем по завершении пуска особыми выключателями. В этой связи различают схемы легко г о и тяжелого пуска синхронных двигателей.

Асинхронному пуску синхронных двигателей свойственны те же недостатки, что и пуску асинхронных короткозамкнутых двигателей, главным из которых является большой пусковой ток. Управление пуском синхронных двигателей в современных установках обычно автоматизируется.

Начинается асинхронный пуск синхронного двигателя СД ; напряжение возбудителя В по мере разгона двигателя увеличивается, и, следовательно, нарастает его ток возбуждения; при достижении подсинхронной частоты вращения ротор двигателя под действием входного момента втягивается в синхронизм. Ток возбуждения двигателя регулируется реостатом ШР, установленным на пульте.

Начинаете асинхронный пуск синхронного двигателя МС ; напряжение во; будителя ВМ по мере разгона двигателя нарастает и, следов телыго, нарастает его ток возбуждения; при достижении по; синхронной скорости ротор двигателя под действием входног момента втягивается в синхронизм. Ток возбуждения двигател регулируется реостатом ШР, установленным.

Преимущества и недостатки

Конструктивно синхронные двигатели сложнее асинхронных, но они имеют ряд преимуществ:

• Работа синхронных электродвигателей в меньшей степени зависит от колебания напряжения питающей сети.
• По сравнению с асинхронными, они имеют больший КПД и лучшие механические характеристики при меньших габаритах.
• Скорость вращения не зависит от нагрузки. То есть колебания нагрузки в рабочем диапазоне не влияют на обороты.
• Могут работать со значительными перегрузками на валу. Если возникают кратковременные пиковые перегрузки, повышением тока в обмотке возбуждения компенсируют эти перегрузки.
• При оптимально подобранном режиме тока возбуждения, электродвигатели не потребляют и не отдают в сеть реактивную энергию, т.е. cosϕ равен единице. Двигатели, работая с перевозбуждением, способны вырабатывать реактивную энергию. Что позволяет их использовать не только в качестве двигателей, но и компенсаторов. Если необходима выработка реактивной энергии, на обмотку возбуждения подается повышенное напряжение.

При всех положительных качествах синхронных электродвигателей у них имеется существенный недостаток – сложность пуска в работу. Они не имеют пускового момента. Для запуска требуется специальное оборудование. Это долгое время ограничивало использование таких двигателей.

Схема запуска двигателя и его регулировка

У синхронных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. При подключении якорной обмотки к источнику переменного тока, электромагнитный момент дважды изменить свое направление за один период изменения тока. Это происходит, когда ротор находится в неподвижном состоянии, а в обмотке возбуждения протекает постоянный ток.

Таким образом, величина среднего момента в течение одного периода будет иметь нулевое значение. Чтобы увидеть, как работает синхронный двигатель при пуске, нужно выполнить разгон его ротора под действием внешнего момента до вращения с частотой, приближенной к синхронной.

Сам запуск агрегата может производиться разными способами:

• В первом случае используется схема асинхронного включения, основой которой служит глухо подключенный возбудитель. Данный способ применяется при статическом моменте нагрузки ниже 0,4, когда отсутствует падение напряжения. Сопротивление разряда замыкается в обмотке возбуждения, за счет чего исключаются перебои с возбуждением обмотки во время впуска, поскольку незначительная скорость вращения ротора приводит к перенапряжению. Когда скорость становится близкой к синхронной, контактор реагирует на это изменение, в результате происходит переключение обмотки возбуждения из разрядного сопротивления непосредственно на якорь возбудителя.
• Во втором варианте пуска используется тиристорный возбудитель. Этот способ считается более надежным из-за высокого КПД. Управление возбуждением значительно облегчается. Подача возбуждение осуществляется автоматически с помощью электромагнитного реле.

Устройство синхронного двигателя

Синхронный двигатель состоит из основных частей – якоря и индуктора. Обычно, его исполнение сделано таким образом, что якорь расположен на статоре, а индуктор – на роторе, отделенном воздушной прослойкой. Данные агрегаты обладают высоким коэффициентом мощности. Существенным плюсом является возможность их использования в сетях с любым напряжением.

Конструкция синхронного двигателя состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор является неподвижной частью агрегата, а ротор – подвижной. В состав якоря входят одна или несколько обмоток переменного тока. При работе двигателя токи, поступающие в якорь, приводят к вращению магнитного поля, пересекающегося с полем индуктора и преобразующего энергию. Поле якоря носит другое название – поле реакции якоря. В генераторе такое поле создается с помощью индуктора.

Чтобы уменьшить магнитное сопротивление и улучшить прохождение магнитного потока, используются ферромагнитные сердечники, расположенные в роторе и статоре, для изготовления которых используется электротехническая сталь. Она обладает интересными свойствами, например, повышенным содержанием кремния, с целью повышения ее электрического сопротивления и уменьшения вихревых токов.

Каждый синхронный электродвигатель обладает важным параметром – электромагнитным моментом. Он возникает в том случае, когда магнитный поток ротора начинает взаимодействовать с вращающимся магнитным полем. Данное поле образуется под влиянием трехфазного тока, протекающего по обмотке якоря.

В режиме холостого хода происходит совпадение осей магнитных полей ротора и статора. Поэтому электромагнитные силы, возникающие между их полюсами, принимают радиальное направление и значение электромагнитного момента агрегата становится равным нулю. При переходе устройства в двигательный режим, на ротор начинает воздействовать внешние нагрузочный момент, приложенный к валу. В результате, происходит смещение ротора на величину определенного угла против направления вращения.

Подобное электромагнитное взаимодействие между ротором и статором приводит к созданию электромагнитных сил, направленных в сторону вращения. Таким образом, действие вращающегося электромагнитного момента стремится к преодолению действия внешнего момента. Максимальное значение электромагнитного момента образует угол 90 градусов, при расположении полюсов ротора между осями полюсов статора.

Если значение нагрузочного момента, приложенного к валу двигателя, превысит максимальный электромагнитный момент, в этом случае двигатель остановится под влиянием внешнего момента. Из-за этого в неподвижном двигателе по обмотке якоря будет проходить очень высокий ток. Данный режим является аварийным, он представляет собой выпадение из синхронизма и на практике не должен допускаться.