Рабочие характеристики синхронного двигателя кратко

Обновлено: 02.07.2024

Это зависимости . Их примерный вид изображен на рис.3.32.

СД может работать с . Обычно СД рассчитывают для работы с опережающим . При этом СД не потребляет, а отдает реактивную мощность в сеть. На холостом ходу СД потребляет в основном реактивный опережающий ток и его весьма мал. При этом может существенно улучшается сети, на которую работают асинхронные двигатели, так как их реактивная мощность уменьшается ввиду ее компенсации СД.

3.6.5. Пуск в ход синхронного двигателя

СД не имеет начального пускового момента, так как в течение одного полупериода его ротор, в силу значительной инерции, не может разогнаться до частоты вращения поля . Поэтому не возникает электромагнитного взаимодействия между ротором и полем. Чтобы это взаимодействие возникло, необходимо ротор разогнать до частоты близкой к синхронной частоте вращения.

Наиболее широко применяется асинхронный пуск СД. С этой целью на роторе СД помещается короткозамкнутая обмотка, выполненная по типу беличьей клетки (рис. 3.33). Стержни этой обмотки размещаются в полюсных наконечниках и замыкаются с торцов кольцами.

При асинхронном пуске обмотка статора включается в сеть. Вращающиеся поле наводит в стержнях короткозамкнутой обмотки ЭДС и токи. В результате взаимодействия последних с магнитным полем возникает момент и ротор разгоняется до подсинхронной скорости.

При асинхронном пуске возможно применение двух схем (рис. 3.34).

При пуске по схеме (рис. 3.34,а) после включения обмотки статора СД приходит во вращение. В процессе разбега обмотка возбуждения СД замыкается на активное сопротивление . Это делается с целью предотвращения пробоя обмотки возбуждения под действием значительной ЭДС индуктируемой в данной обмотке вращающимся полем. При подходе к подсинхронной скорости вращения сопротивление отключается и обмотка возбуждения (ОВ) подключается к зажимам возбудителя (В). Возбудителем является генератор постоянного тока параллельного возбуждения. В обмотке возбуждения (ОВ) появляется ток возбуждения и СД под действием синхронизирующего момента входит в синхронизм.

При асинхронном пуске по схеме (рис. 3.34,б), обмотка возбуждения СД в процессе разбега наглухо подключена к зажимам возбудителя (В). Так как сопротивление обмотки якоря возбудителя мало, то обмотка возбуждения СД оказывается примерно замкнутой накоротко. В процессе разбега, при частоте вращения , начинает возбуждаться возбудитель, находящийся на одном валу с ротором СД. В обмотке возбуждения (ОВ) появляется ток возбуждения , который увеличивается по мере приближения частоты вращения к подсинхронной. Далее СД автоматически втягивается в синхронизм.

Пуск по схеме (рис. 3.34,б) имеет существенные недостатки.

1. В процессе разбега возбудитель возбуждается слишком рано, и возникающий ток вызывает дополнительный тормозной момент;

2. Приходится считаться с возможностью возникновения одноосного включения.

Этот эффект был рассмотрен выше при изучении работы АД с не симметричным сопротивлением ротора. В рассматриваемом случае вращающееся поле статора наводит в однофазной обмотке возбуждения СД переменную ЭДС частоты . Под действием этой ЭДС в однофазной обмотке возбуждения возникает переменный ток той же частоты, который создает пульсирующее поле. Как известно, пульсирующее поле можно представить двумя вращающимися в противоположные стороны полями с частотой вращения . Прямое поле ротора вращается с частотой вращения , где – частота вращения ротора. Таким образом, прямое поле ротора вращается с той же частотой и в ту же сторону, что и поле статора. Другими словами, эти поля неподвижны относительно друг друга и обуславливают асинхронный момент, как в обычных АД (Рис.3.35, кривая 1). Что касается обратного поля ротора, то оно вращается с частотой . При это поле вращается в сторону противоположную вращению ротора, а при – в ту же сторону. При поле неподвижно.

Обратное поле обуславливает знакопеременный момент (см. рис. 3.35, кривая 2). Результирующий момент (кривая 3) будет иметь провал при или при . Наличие этого провала может вызвать затруднение пуска.

С целью увеличения начального пускового момента, активное сопротивление короткозамкнутой обмотки следует выбирать по возможности максимальным. Но при этом уменьшается момент входа в синхронизм, то есть наибольший нагрузочный момент при котором СД, доведенный до подсинхронной частоты вращения, способен еще войти в синхронизм.

1. СД способен работать при . Перевозбужденный СД потребляет из сети опережающий ток, что способствует улучшению коэффициента мощности сети.

2. На СД оказывает меньшее влияние колебания напряжения сети, чем на АД. Действительно, у СД , а у АД .

3. Строго постоянная частота вращения независимо от режима работы.

1. Более сложна конструкция. Необходимость в источнике постоянного тока для возбуждения.

2. Относительная сложность пуска СД.

3. Трудность регулирования частоты вращения.

Тем не менее, при мощностях более 200…300 кВт СД более предпочтителен, если не требуется регулировка частоты вращения.

3.6.6. Синхронный компенсатор

Синхронным компенсатором (СК) называют СД, работающий без нагрузки на валу, т.е. в режиме холостого хода. СК применяются для улучшения сети и для поддержания нормального уровня напряжения сети в местах подключения потребителей.

Нормальный режим СК – режим перевозбуждения, используемый для улучшения коэффициента мощности сети. СК потребляет из сети опережающий ток, т.е. он вырабатывает реактивную мощность, отдавая ее в сеть. Его нередко называют генераторами реактивной мощности.

Поясним принцип улучшения коэффициента мощности сети с помощью перевозбужденного СК. Пусть такой СК включен в сеть, где работают два асинхронных двигателя (АД1 и АД2) (рис. 3.36).

Активная составляющая тока СК очень мала, так как потребляемая активная мощность идет только на покрытие потерь холостого хода.

СК может использоваться и в режиме недовозбуждения. В этом режиме он используется для поддержания напряжения сети в период отключения нагрузок потребителей. Напряжение сети стремится, в это время, возрасти. Включенный в это время недовозбужденный СК уменьшает напряжение сети до нормального уровня, так как недовозбужденный СК эквивалентен индуктивности и потребляет отстающий ток.

Номинальная мощность СК является его мощность в перевозбужденном режиме .

Работа синхронного двигателя характеризуется рабочими характеристиками (рис. 42), которые представляют собой зависимость частоты вращения ротора n2 , потребляемой мощности P1 , полезного момента M2 , коэффициента мощности cos φ, КПД η и тока в обмотке статора I1 от полезной мощности двигателя P2 при f = const (рис. 33). Частота вращения ротора n2 всегда равна синхронной частоте n2, поэтому график n2 = f(P2) имеет вид прямой параллельной оси абсцисс. Потребляемая мощность P1 = P2 + ∑P, где ∑P - мощность потерь, поэтому с увеличением потерь она растёт быстрее полезной мощности P2 и график P1 = f(P2) имеет несколько криволинейный вид. Т. к. полезный момент M2 = P2/2πf, а рабочие характеристики снимаются при условии f = const, то график M2 = f(P2) имеет вид прямой, выходящей из начала координат. Вид графика cos φ = f(P2) зависит от вида настройки тока возбуждения. Обычно синхронные двигатели рассчитывают на работу при номинальной нагрузке с опережающим током и cos φ ≈ 0,8, что приводит к повышению номинальной мощности сети. Вид графика η = f(P2) имеет характер, общий для всех электрических машин. График I1 = f(P2) показывает, что с увеличением нагрузки навалу двигателя ток I1 растёт быстрее, чем потребляемая мощность P1.

Рис. 42. Рабочие характеристики синхронного двигателя.

Достоинства синхронных двигателей:

а) возможность работы при cos φ = 1, что приводит к улучшению cos φ энергосистемы;

б) постоянство частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу;

в) малая чувствительность к колебаниям напряжения в сети.

Недостатки синхронных двигателей:

а) сложность конструкции и высокая стоимость;

б) сравнительная сложность пуска;

в) трудности с регулированием частоты вращения.

Опыт показывает, что синхронные двигатели наиболее целесообразно применять при мощности 200 кВт и выше.

3.3.4. Синхронные компенсаторы

Синхронные компенсаторы (СК) – это электрические машины большой мощности (10000÷160000) кВт, предназначенные для генерирования реактивной мощности и работающие без нагрузки (P2 = 0), т. е. в режиме х. х. СК включают в электрические системы с целью повышения коэффициента мощности, обычно до cos φ = (0,92÷0,95) (рис 43). Они вырабатывают реактивную мощность Qск, необходимую для работы потребителей Z, например группы синхронных двигателей. Благодаря этому реактивная мощность в СГ и в ЛЭП доведена до некоторого минимального значения Qmin, что способствует повышению технико-экономических показателей всей системы. СК применяют также для стабилизации напряжения в сети при передаче электроэнергии по линиям большой протяжённости. При больших индуктивностях (при больших нагрузках) напряжение в конце линии (у потребителей) оказывается намного меньше, чем в начале, а при малых нагрузках – наоборот, под влиянием ёмкостных сопротивлений линии напряжение в конце линии может повышаться по сравнению с напряжением в начале. Включенный же в конце линии (у потребителей) СК, работающий при больших нагрузках с перевозбуждением (ток сети опережает напряжение), а при малых нагрузках – с недовозбуждением, позволяет поддерживать напряжение в конце линии практически неизменным.

Рис. 43. Схема включения синхронного компенсатора (СК) в электрическую систему.

Выполняют СК обычно с горизонтальным расположением вала на напряжение (6,6÷16) кВ с числом полюсов 2p = 6 или 2p = 8, что соответствует частоте вращения ротора 1000 об/мин или 750 об/мин.

Рис. 42. Рабочие характеристики синхронного двигателя.

Достоинства синхронных двигателей:

а) возможность работы при cos φ = 1, что приводит к улучшению cos φ энергосистемы;

б) постоянство частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу;

в) малая чувствительность к колебаниям напряжения в сети.

Недостатки синхронных двигателей:

а) сложность конструкции и высокая стоимость;

б) сравнительная сложность пуска;

в) трудности с регулированием частоты вращения.

Опыт показывает, что синхронные двигатели наиболее целесообразно применять при мощности 200 кВт и выше.

3.3.4. Синхронные компенсаторы

Рис. 43. Схема включения синхронного компенсатора (СК) в электрическую систему.

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. Если не изменяется If, cos φ может падать, расти или иметь максимум. Это зависит от значения If и может быть прослежено по U-образным характеристикам: при увеличении Р2 - переходе с одной U-образной характеристики на другую cos φ изменяется, так как из-за внутреннего падения напряжения кривая cos φ = 1 смещается в область больших нагрузок. При изменении If можно получить постоянное значение cos φ при разных Р2 (рис. 8). Кривая 1 на рис. 8 соответствует работе синхронного двигателя с постоянным током возбуждения в зоне недовозбуждения на U-образных характеристиках, кривая 2 – работе синхронного двигателя с перевозбуждением; кривая 3 возможна при регулировании тока возбуждения.

Рис. 8. Зависимости cos φ синхронного двигателя от нагрузки

Зависимость КПД от нагрузки такая же, как и для всех электрических машин.

Характерным отличием синхронных двигателей является постоянство частоты вращения при изменении нагрузки. Синхронные двигатели имеют предельно жесткие механические характеристики. [6, с. 432]

Одним из основных недостатков синхронных двигателей являются плохие пусковые свойства, которые ограничивают их применение. Пуск синхронных двигателей может быть частотным, при помощи разгонного двигателя или синхронные двигатели 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. Обмотка возбуждения при асинхронном пуске закорачивается на активное сопротивление. После подхода ротора к частоте вращения, близкой к синхронной ( s ≈ 0,05), обмотка возбуждения подключается к возбудителю и осуществляется грубая синхронизация машины.

Применяется также пуск с наглухо присоединенным возбудителем. В этом случае при частоте вращения, равной (0,5 ч 0,7) n ном, в обмотке возбуждения синхронного двигателя 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) М ном. Однако схема пуска с наглухо присоединенным возбудителем более простая и находит все большее применение.

При тяжелых условиях пуска мощных синхронных двигателей применяется реакторный или автотрансформаторный пуск по схемам, рассмотренным для асинхронных двигателей.

При пуске синхронного двигателя с помощью разгонного двигателя синхронный двигатель доводится до почти синхронной частоты вращения. В качестве разгонного двигателя может использоваться асинхронный двигатель, имеющий большую, чем синхронный, синхронную частоту вращения или двигатель постоянного тока, если есть сеть постоянного тока. Пуск с помощью разгонного двигателя применяется редко, так как разгонный двигатель используется только при пуске. [6, с. 432]

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

Сравнивая синхронные двигатели с асинхронными, следует отметить основное преимущество синхронных двигателей - возможность работать с cos φ = 1, а при перевозбуждении - и с опережающим cos φ

Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален U, а асинхронного – U2. Поэтому синхронные двигатели менее чувствительны к изменению напряжения сети и имеют большую перегрузочную способность. Регулирование потока возбуждения путем изменения тока возбуждения обеспечивает регулирование реактивной мощности при падении напряжения и уменьшении частоты сети.

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.

Читайте также: