Механические характеристики синхронного двигателя кратко
Обновлено: 05.07.2024
Синхронный электродвигатель – это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Его также можно использовать в качестве генератора. Чаще всего он применяется в компрессорах, прокатных станках, поршневых насосах и другом подобном оборудовании. Рассмотрим принцип действия синхронного электродвигателя, его характеристики и свойства.
Устройство синхронного электродвигателя
Строение агрегата данного вида типично. Двигатель состоит из:
- Неподвижной части (якорь или статор).
- Подвижной части (ротор или индуктор).
- Вентилятора.
- Контактных колец.
- Щеток.
- Возбудителя.
Статор представляет собой сердечник, состоящий из обмоток, который заключен в корпус. Индуктор комплектуется электромагнитами постоянного тока (полюсами). Конструкция индуктора может быть двух видов – явнополюсная и неявнополюсная. В статоре и роторе расположены ферромагнитные сердечники, изготовленные из специальной электротехнической стали. Они необходимы для уменьшения магнитного сопротивления и улучшения прохождения магнитного потока.
Частота вращения ротора в синхронном двигателе равна частоте вращения магнитного поля. Независимо от подключаемой нагрузки частота ротора неизменна, так как число пар полюсов магнитного поля и ротора совпадают. Их взаимодействие обеспечивает постоянную угловую скорость, не зависящую от момента, приложенного к валу.
Принцип работы синхронного электродвигателя
Самые распространенные типы такого рода агрегатов – однофазный и трехфазный. Принцип работы синхронного электродвигателя в обоих случаях примерно одинаков. После подключения обмотки якоря к сети ротор остается неподвижным, в то время как постоянный ток поступает в обмотку возбуждения. Направление электромагнитного момента меняется дважды за время одного изменения напряжения. При значении среднего момента равном нулю, ротор под влиянием внешнего момента (механического воздействия) разгоняется до частоты, близкой по значению частоте вращения магнитного поля в зазоре, после чего двигатель переходит в синхронный режим.
В трехфазном устройстве проводники расположены под определенным углом относительно друг друга. В них возбуждается вращающееся с синхронной скоростью электромагнитное поле.
Разгон двигателя может осуществляться в двух режимах:
- Асинхронный. Обмотки индуктора замыкаются с помощью реостата. Вращающееся магнитное поле, возникающее при включении напряжения, пересекает короткозамкнутую обмотку, установленную на роторе. В ней индуцируются токи, взаимодействующие с вращающимся полем статора. По достижении синхронной скорости крутящий момент начинает уменьшаться и сводится к нулю после замыкания магнитного поля.
- С помощью вспомогательного двигателя. Для этого синхронный двигатель механически соединяется со вспомогательным (двигателем постоянного тока либо трехфазным индукционным двигателем). Постоянный ток подается только после того, как вращение двигателя достигает скорости, близкой к синхронной. Магнитное поле замыкается, и связь со вспомогательным двигателем прекращается.
Характеристики синхронного электродвигателя
- Работу при высоком значении коэффициента мощности.
- Высокий КПД по сравнению с асинхронным устройством той же мощности.
- Сохранение нагрузочной способности даже при снижении напряжения в сети.
- Неизменность частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.
- Экономичность.
Синхронным двигателям также присущи некоторые недостатки:
- Достаточно сложная конструкция, делающая их производство дороже.
- Необходимость источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя).
- Сложность пуска.
- Необходимость корректировать угловую частоту вращения путем изменения частоты питающего напряжения.
Однако в некоторых случаях использование синхронных двигателей предпочтительнее:
- Для улучшения коэффициента мощности.
- В длительных технологических процессах, где нет необходимости в частых запусках и остановках.
Изучив синхронный двигатель, устройство и принцип его действия и учтя условия, в которых он будет эксплуатироваться, вы сможете быстро и с легкостью подобрать оптимально подходящий для ваших целей тип агрегата (защищенный, закрытый, открытый) и использовать его с максимальной эффективностью.
Так как синхронная машина обладает свойством обратимости, конструкция двигателя практически не отличается от конструкции синхронного генератора. Однако взаимодействие элементов теперь отвечает принципу действия двигателя.
Электрическая активная мощность Р потребляется из сети, в результате чего по обмоткам статора протекает ток . Ток , как и в генераторе, создаёт МДС Fст, а она – потоки Фd и Фр,я, наводящие в обмотке статора ЭДС и .
По обмотке ротора протекает ток возбуждения Iв, её МДС Fв создаёт магнитный поток ротора Ф0. Вращаясь вместе с ротором, поток Ф0 в соответствии с законом электромагнитной индукции (ЭМИ) индуцирует в обмотке статора ЭДС , которая направлена против напряжения сети . Сумма ЭДС с учётом падения напряжения на активном сопротивлении обмотки статора уравновешивает напряжение сети . Магнитные потоки Ф0, Фd и Фр,я образуют результирующий магнитный поток двигателя Фрез.
Вал двигателя сцеплён с валом рабочей машины РМ (например, со шпинделем металлорежущего станка), потребляющей механическую энергию и создающей момент сопротивления Мс. В результате действия тормозящего момента Мс полюсы ротора отстают от полюсов результирующего поля статора (см. рис. 4.6).
В двигательном режиме результирующий магнитный поток двигателя Фрез является ведущим; вращаясь, он увлекает за собой ротор, создавая вращающий момент М двигателя, преодолевающий тормозной момент Мс механической нагрузки.
Уравнение второго закона Кирхгофа для обмотки статора.
В двигательном режиме синхронная машина потребляет из сети ток , который направлен навстречу ЭДС (рис.4.14,а).
Уравнение, записанное по второму закону Кирхгофа для фазы обмотки статора
показывает, что противо-ЭДС и индуктивное падение напряжения jXсин уравновешивают напряжение сети (предполагается, что
=0).
Векторная диаграмма синхронного двигателя.
Векторная диаграмма построена по уравнению (4.4) на рис. 4.14, б. В результате действия механической нагрузки Мс ось магнитного потока ротора Ф0 отстает на угол от оси результирующего магнитного потока Фрез. Поэтому в двигательном режиме вектор ЭДС отстает по фазе на угол от вектора напряжения сети . Сопоставление векторных диаграмм синхронного двигателя (рис. 4.14,б) и синхронного генератора (см. рис. 4.13) показывает, что угол меняет свой знак. При построении векторной диаграммы двигателя вектор принимается за исходный.
Вектор тока отстает по фазе на 90° от вектора jXсин .
Мощность и вращающий момент синхронного двигателя.
Активная мощность, потребляемая трехфазным синхронным двигателем из сети, равна утроенной фазной мощности .
Если пренебречь потерями, которые относительно малы, то активная потребляемая мощность равна электромагнитной мощности, т. е. мощности, передаваемой магнитным полем из статора в ротор , где — угол сдвига фаз между током и ЭДС.
Из треугольников Оса и асb векторной диаграммы на рис. 14.14, б следует, что отрезок , где —масштабный коэффициент. Подставляя значение IcosΨ в выражение для Рэм, получаем для механической мощности на валу двигателя
.
Механический момент на валу двигателя
,
где — угловая скорость ротора; Мтах = — максимальный момент, развиваемый двигателем. При постоянном напряжении сети Uc максимальный момент двигателя зависит только от ЭДС Е0, т.е. от тока возбуждения ротора Iв.
Угловая и механическая характеристики.
Зависимость момента синхронной машины от угла нагрузки при Uc = const называется угловой характеристикой машины. Угловая характеристика (рис. 4.15) в соответствии с (4.5) имеет вид синусоиды.
В двигательном режиме угол положительный, поэтому на графике двигательному режиму соответствует положительная полуволна синусоиды. В генераторном режиме угол отрицательный, ему соответствует отрицательная полуволна синусоиды. В диапазоне угла нагрузки -90° Мmax , то угол нагрузки станет больше 90°, рабочая точка перейдёт на неустойчивый участок угловой характеристики. Вращающий момент двигателя М начнёт уменьшаться, ротор тормозиться, двигатель выйдет из синхронизма и может остановиться.
Механической характеристикой синхронного двигателя называется зависимость частоты вращения от момента двигателя. В синхронном двигателе частота вращения ротора постоянна и от нагрузки не зависит. Поэтому механическая характеристика n(M) (рис. 4.18) – прямая, параллельная оси абсцисс.
Регулирование коэффициента мощности синхронного двигателя.
Синхронный двигатель в отличие от асинхронного обладает ценным для электроэнергетики свойством – он позволяет регулировать реактивную мощность, потребляемую из сети. Когда двигатель работает при неизменной механической нагрузке на валу, т.е. Мс= const при Uc = const, то активная мощность Р, потребляемая двигателем из сети, постоянна:
Если в этих условиях изменять ток возбуждения, ЭДС обмоток статора и изменяются так, что активная составляющая тока Icosφ и составляющая ЭДС остаются неизменными (рис. 14.17).
При изменении тока возбуждения вектор скользит вдоль прямой ab, изменяются положение вектора jXсин и угол φ сдвига фаз между током и напряжением сети , а, вследствие того, что , конец вектора тока скользит по прямой cd.
Когда ток возбуждения двигателя мал (недовозбуждение), = , ток отстаёт по фазе от и двигатель потребляет реактивную мощность. При некотором, относительно большом токе возбуждения = и ток является чисто активным.
Наоборот, при перевозбуждении и вектор тока опережает по фазе вектор напряжения , , ток, потребляемый двигателем из сети, имеет ёмкостную составляющую. Последнее весьма ценно, поскольку ёмкостный ток компенсирует индуктивные токи, потребляемые из сети другими потребителями (асинхронными двигателями, различного рода катушками и т.п.), и тем самым улучшается cosφ всей сети. Обычно синхронные двигатели работают с перевозбуждением при .
U – образные характеристики.
Зависимости I(Iв) при Uc = const и Р= const называются U – образными характеристиками. На рис. 4.18 изображены три такие характеристики для случаев Р=0 (режим холостого хода), некоторой мощности P1>0 P2> P1. Минимум тока на характеристиках соответствует активному току, потребляемому двигателем , левые ветви – перевозбуждённому двигателю и ёмкостному току.
При уменьшении тока возбуждения Iв уменьшается ЭДС Е0 и угол увеличивается (рис.4.17).
Штриховая кривая АВ на рис. 4.18 представляет собой границу устойчивости, на которой =90°.
Наиболее экономичным для самого синхронного двигателя является режим работы с , так как двигатель развивает заданную механическую мощность при наименьшем, чисто активном токе статора.
Рис. 4.17 и 4.18
Обычно в эксплуатации синхронный двигатель перевозбуждают с целью улучшения cosφ сети. Режим перевозбуждения выгоден и тем, что уменьшается угол и возрастает перегрузочная способность двигателя. Вместе с этим следует учитывать, что обмотки статора двигателя рассчитаны на определённый ток с точки зрения нагрева. Поэтому, чем больше загрузка двигателя активным током Ia (определяющим механическую мощность и момент на валу), тем меньше возможности использования двигателя в качестве генератора реактивной (ёмкостной) мощности за счёт реактивной составляющей тока Ip.
Синхронные компенсаторы.
Синхронные компенсаторы – это синхронные машины, специально предназначенные для улучшения коэффициента мощности (cosφ) электрической сети. Они работают без механической нагрузки на валу (ток Ia мал) в перевозбуждённом режиме (правая ветвь U – образной характеристики Р=0 на рис. 4.20). Поскольку синхронные компенсаторы работают вхолостую и загружены только реактивным током Ip, они имеют облегчённую механическую конструкцию и, следовательно, меньшие размеры и массу.
Пуск синхронного двигателя.
Пуск синхронного двигателя сопряжён с трудностями. Если статорную обмотку включить в трёхфазную сеть, а обмотку возбуждения питать от источника постоянного напряжения Uв (рис. 4.19), то ротор не сдвинется с места – из-за инерционности ротора вращающееся поле статора не успевает сцепиться с неподвижным полем ротора.
Распространение получил так называемый асинхронный пуск синхронного двигателя. Для осуществления асинхронного пуска ротор синхронного двигателя снабжается специальной пусковой короткозамкнутой обмоткой из медных или алюминиевых стержней типа беличьей клетки асинхронного короткозамкнутого двигателя. Пуск двигателя осуществляют следующим образом (рис. 4.19).
Вначале обмотка возбуждения синхронного двигателя замыкается на пусковой реостат Rп, сопротивление которого в 8 – 10 раз больше, чем сопротивление обмотки возбуждения (если оставить обмотку возбуждения разомкнутой, то в ней при пуске вращающимся полем статора будет наводиться значительная ЭДС, опасная для изоляции).
При включении обмотки статора на трёхфазное напряжение двигатель за счёт короткозамкнутой обмотки начинает работать как асинхронный. Когда частота вращения ротора двигателя достигает примерно 95% синхронной частоты вращения поля статора n0, пусковой реостат Rп отключают, а обмотку возбуждения ротора включают на постоянное напряжение Uв.
Так как теперь частота вращения поля статора отличается незначительно от частоты поля вращающегося ротора, полюсы полей статора и ротора вступают во взаимодействие, двигатель втягивается в синхронизм и начинает работать как синхронный.
В рабочем, т.е. в синхронном, режиме токи в пусковой короткозамкнутой обмотке не возникают и она в работе машины не участвует. Однако при кратковременных толчках механической нагрузки на валу в пусковой обмотке токи наводятся и создают момент, демпфирующий колебания ротора.
Преимущества, недостатки и применение синхронных двигателей.
Преимущество синхронных двигателей перед асинхронными состоит в том, что благодаря возбуждению от независимого источника постоянного тока они работают при высоком коэффициенте мощности (до ) и даже с опережающим током. Это обстоятельство позволяет увеличивать cosφ всей сети. Кроме того, работа двигателя с высоким cosφ обеспечивает уменьшение потребляемого тока и потерь в синхронном двигателе по сравнению с асинхронным той же мощности и, следовательно, более высокий КПД.
Наконец, вращающий момент синхронного двигателя пропорционален напряжению сети Uc . Поэтому при понижении напряжения в сети синхронный двигатель сохраняет большую перегрузочную способность, чем асинхронный, и, следовательно, обладает большей надёжностью.
Вместе с тем синхронный двигатель сложнее по конструкции, чем асинхронный той же мощности, и поэтому дороже. Синхронные двигатели должны иметь источник постоянного тока (специальный возбудитель или выпрямитель), пуск у них протекает сложнее, чем у асинхронных. Частотное регулирование является единственным способом регулирования угловой частоты вращения ротора синхронного двигателя.
Тем не менее, преимущества синхронных двигателей настолько велики, что при мощностях свыше 100 кВт их целесообразно применять всюду, где не требуется часто останавливать и пускать механизмы или регулировать их скорость. В настоящее время они применяются для привода преобразовательных агрегатов, компрессоров, насосов, вентиляторов, мельниц, дробилок, нерегулируемых прокатных станов и т.п.
Отечественная промышленность выпускает трёхфазные синхронные двигатели мощностью от 20 кВт до нескольких десятков тысяч киловатт при частотах вращения от 100 до 1000 об/мин в явнополюсном исполнении и при 1500, 3000 об/мин – в неявнополюсном, с различным исполнением по способу защиты от внешних воздействий (открытое, защищённое, закрытое и т.д.), с различным рабочим положением вала (горизонтальные, вертикальные) и с различными системами возбуждения: от генератора постоянного тока, расположенного на одном валу с двигателем, от тиристорных выпрямителей и т.д.
Синхронный двигатель состоит из статора с обмоткой, которая включается в сеть трехфазного тока и выполняет роль якоря машины, и ротора с обмоткой, которая получает питание от постороннего источника постоянного тока и выполняет роль индуктора машины.
Вращающий момент двигателя определяется по формуле
В синхронных двигателях с увеличением нагрузки частота вращения не меняется, а увеличивается угол 0, поэтому механическая характеристика будет абсолютно жесткой (рис. 7.4, а), а для определения величины моментов используют угловую характеристику синхронного двигателя (рис. 7.4,6)—зависимость М = Дв).
Из угловой характеристики видно, что в левой части ее с увеличением угла 0 момент вращения М увеличивается, в правой части с увеличением угла 0 момент уменьшается. Таким образом, устойчивая работа двигателя возможна только на левой части характеристики.
Обычно угол 0 — 20 - 30° соответствует номинальному моменту электродвигателя МНОм. Перегрузочная способность синхронного двигателя X = 2 ч- 2,5.
В зависимости от величины тока возбуждения двигатель может работать с cos q> меньше единицы (ток возбуждения меньше номинального) или равным единице (ток возбуждения равен номинальному). При перевозбуждении синхронный двигатель вырабатывает реактивную энергию и отдает ее в сеть переменного тока. Это свойство двигателя используется для улучшения cos ф сети.
Синхронные двигатели применяются для привода крупных, редко отключаемых машин (компрессоров, вентиляторов, насосов).
Регулирование частоты вращения двигателей переменного тока может быть осуществлено за счет изменения частоты тока, числа пар полюсов, включения в цепь ротора дополнительных активных сопротивлений, введения в цепь ротора дополнительной э. д. с. Для электродвигателей с короткозамкнутыми роторами возможности регулирования частоты вращения ограничены, так как изменение частоты тока требует установки дополнительного оборудования, изменение числа пар полюсов требует выполнения специальной обмотки в статоре и пересоединения ее в процессе эксплуатации, а включение дополнительных сопротивлений в цепь ротора выполнить невозможно.
Практически нерегулируем и синхронный двигатель, а в электродвигателях с фазным ротором регулирование частоты вращения достигается за счет ввода в цепь ротора дополнительных активных сопротивлений. Данный способ неэкономичен, так как расходуется электроэнергия на нагрев реостата и уменьшается мощность на валу двигателя.
Синхронные двигатели, если они работают при постоянной частоте с неизменной угловой скоростью, применяются для приводов, не требующих регулирования скорости. К таким приводам относятся: компрессоры, холодильные машины, камнедробилки и т. п. Основное достоинство синхронного двигателя заключается в возможности работать с высоким коэффициентом мощности.
Угловая скорость синхронного двигателя (рис. 3.26, б) при работе в установившемся режиме с возрастанием нагрузки на валу до определенного значения, не превышающего максимального момента , остается строго постоянной и равна синхронной угловой скорости.
.
Поэтому механическая характеристика его имеет вид прямой линии, параллельной оси абсцисс. Если момент нагрузки превышает, то двигатель может выпасть из синхронизма.
Если пусковая клетка имеет увеличенное активное сопротивление, то начальный пусковой момент будет больше, чем в предыдущем случае, а входной момент уменьшится (кривая2 на рис. 3.22). Выбор одной из двух указанных пусковых характеристик зависит от моментов сопротивления, которым обладают производственные механизмы.
Для решения вопроса устойчивой работы двигателя при пульсирующей нагрузке необходимо знать зависимость момента от угламежду напряжением и ЭДС двигателя (рис. 3.23.). Эта зависимостьносит название угловой характеристики синхронного двигателя.
Уравнение угловой характеристики имеет вид
,
где - максимальный момент
,
- ток короткого замыкания
С увеличением нагрузки угол возрастает, что вызывает увеличение момента двигателя и обеспечивает равенство, т.е. условие нового устойчивого состояние электропривода. Приусловие устойчивой работы нарушается, так как при увеличении нагрузки уголпродолжает возрастать, а момент, развиваемый двигателем, уменьшается, вследствие чего двигатель выпадает из синхронизма.
Номинальному моменту двигателя практически соответствует угол. При этом перегрузочная способность двигателя равна.
Вопросы для самопроверки
4.1. Из приведенных уравнений выберите уравнение для расчета механической характеристики асинхронного двигателя, учитывающего активное сопротивление статора.
О т в е т
1)
2)
3)
4)
Правильный ответ ____
4.2. Из приведенных уравнений выберите уравнение для расчета критического скольжения асинхронного двигателя в двигательном режиме.
О т в е т
1)
2)
3)
4)
Правильный ответ ____
4.3. Из приведенных уравнений выберите уравнение для расчета критического момента асинхронного двигателя в двигательном режиме.
т в е т
1)
2)
3)
4)
Правильный ответ ____
4.4. Из приведенных уравнений выберите уравнение для расчета критического момента асинхронного двигателя в генераторном режиме.
О т в е т
1)
2)
3)
4)
Правильный ответ ____
4.5. Из приведенных уравнений выберите уравнение для расчета критического скольжения асинхронного двигателя в двигательном режиме при введении в роторную цепь дополнительного сопротивления
О т в е т
1)
2)
3)
4)
Правильный ответ ____
4.6. Из приведенных механических характеристик асинхронного двигателя выбрать естественную характеристику
Правильный ответ ____
4.7. Из приведенных механических характеристик асинхронного двигателя выбрать реостатную характеристику.
Правильный ответ ____
4.8. Из приведенных механических характеристик асинхронного двигателя выбрать характеристику, снятую при пониженном напряжения питания
Правильный ответ ____
4.9. Из приведенных механических характеристик асинхронного двигателя выбрать характеристику, снятую при пониженной частоте напряжения питания при .
Правильный ответ ____
4.10. Из приведенных механических характеристик асинхронного двигателя выбрать реостатную характеристику при введении добавочного сопротивления в цепь статора
Правильный ответ ____
4.11. Из приведенных механических характеристик асинхронного двигателя выбрать характеристику в режиме динамического торможения.
Правильный ответ ____
4.12. Из приведенных механических характеристик асинхронного двигателя выбрать характеристику в режиме динамического торможения с большим током намагничивания в цепи статора.
Правильный ответ ____
4.13. Из приведенных механических характеристик асинхронного двигателя выбрать характеристику, снятую при пониженном напряжения питания.
Правильный ответ ____
4.14. Из приведенных уравнений выберите уравнение для синхронной скорости и максимального момента синхронного двигателя.
О т в е т
1) ,
2) ,
1) ,
1) ,
Правильный ответ ____
4.15. Из приведенных уравнений выберите уравнение для расчета угловой характеристики неявнополюсного синхронного двигателя.
О т в е т
1)
2)
3)
4)
Правильный ответ ____
4.16. Из приведенных механических характеристик электрических двигателей выбрать характеристику синхронного двигателя
Правильный ответ ____
4.17. Из приведенных механических характеристик выбрать пусковую характеристику синхронного двигателя.
Читайте также: