Механические характеристики СД в двигательном режиме

Синхронные двигатели (СД)

Лекция 15

Синхронные ЭД в настоящее время получили широкое применение в приводах большой мощности (от 5000 кВт до 20 МВт). При этом особенностью таких приводов является продолжительный режим работы с незначительными и редкими изменениями нагрузки на валу.

В качестве примера использования СД в нефтяной отрасли можно привести электроприводы магистральных центробежных насосов.

Необходимо отметить следующие положительные качества СД:

1) Постоянство скорости вращения двигателя независимо от нагрузки на валу в пределах перегрузочной способности;

2) Возможность регулирования потребления реактивной мощности;

3) Самая высокая среди всех типов двигателей надежность, это обеспечивается большим зазором между статором и ротором.

Недостатки СД:

1) Сложность запуска;

2) Склонность СД к качаниям;

3) Сложность конструкции и дороговизна.

Механическая характеристика СД, выражающая зависимость угловой скорости ротора от среднего значения момента на валу двигателя, имеет вид (рис. 4.1).

ω, рад/с

ω₀

-М_К М_К М, Н·м

Рисунок 4.1 – Механическая характеристика СД

В пределах изменения момента от –М_к до М_к (М_к – критический момент, определяет перегрузочную способность двигателя), угловая скорость вращения вала двигателя не меняется и равна синхронной скорости (т. е. скорости ВМП)

.

Вращающий момент СД создается за счет взаимодействия вращающего магнитного поля, создаваемой симметричной статорной обмоткой, с постоянным магнитным полем, создаваемой обмоткой возбуждения, которая находится на роторе и питается от источника постоянного напряжения.

Рисунок 4.2 – Схема СД

Следует отметить, что обмотка возбуждения имеет значительно большое число витков, чем фаза статорной обмотки и выполнена из проводника значительно меньшего сечения.

Если момент на валу двигателя превышает критический момент, то угловая скорость начинает резко уменьшаться – «двигатель выходит из синхронизма».

Как уже говорилось, отличием СМ от АМ является то, что ротор вращается синхронно с магнитным полем (с одинаковой скоростью ω₀). При этом если мерой нагрузки у АД являлось скольжение

,

то у СД при увеличении нагрузки на валу двигателя, увеличивается угол смещения оси ротора по отношению к оси вращения магнитного поля. Это явление называется «растяжением упругой электромагнитной связи» и характеризуется углом рассогласования Θ. При этом в двигательном режиме ось вращающего магнитного поля опережает ось ротора («поле тянет за собой ротор»).

На векторной диаграмме СМ угол рассогласования Θ равен углу сдвига фаз между вектором напряжения U, приложенного к статору, и ЭДС от магнитного потока возбуждения Е_В, наведенной в статоре

Поставим задачу проанализировать, как будет вести себя СД при изменении нагрузки на его валу:

1) Устойчиво ли он будет работать;

2) Как будет изменяться мгновенное значение угловой скорости, если момент будет носить пульсирующий характер;

3) Как будет изменяться направление момента при изменении угла рассогласования и т. д.

С этой целью необходимо построить, так называемую, угловую характеристику СД, которая представляет собой зависимость М=f(Θ). Для вывода уравнения угловой характеристики воспользуемся электрической схемой замещения СД и векторной диаграммой.

Электрическая схема замещения СД. Уравнение электрического состояния. Угловая характеристика СД

Электрическая схема замещения СД моделирует электромагнитные процессы, происходящие в одной фазе статорной обмотки. В простейшем виде она имеет вид на рис. 4.3.

Рисунок 4.3 – Электрическая схема замещения СД. U – действующее значение напряжения, приложенного к фазе статорной обмотки; I – действующее значение тока, протекающего по фазе обмотки статора; Х_Я – индуктивное сопротивление фазы обмотки статора; Е_В – ЭДС, которое наводится в фазе статорной обмотки магнитным потоком, создаваемым обмоткой возбуждения (ЭДС взаимоиндукции, ); Е_Я – ЭДС самоиндукции, наведенная в фазе статорной обмотки при изменении тока по синусоидальному закону,.

Если в соответствии со вторым законом Кирхгофа с учетом направления величин запишем уравнение

,

учитывая, что

,

получим

Это уравнение носит название уравнение электрического состояния СД

Построим векторную диаграмму, соответствующую этому уравнению.

Рисунок 4.4 – Векторная диаграмма

Электрическая мощность (активная), потребляемая двигателем из сети, может быть записана следующим образом

Механическая мощность

Если пренебречь потерями в двигателе, то

а это значит, что

(4.1)

Для получения зависимости М=f(Θ) воспользуемся геометрическим приемом, а именно, из конца вектора Е_В на векторной диаграмме (рис. 4.4) восстановим перпендикуляр на вектор напряжения U. Величина этого отрезка «ab» равна

Подставим в выражение (4.1) последнее равенство

Полученное уравнение выражает зависимость электромагнитного момента и называется уравнением угловой характеристики СД, где критический момент

Следовательно

Графическая зависимость, соответствующая уравнению угловой характеристики СД, представлена на рис. 4.5.

Рисунок 4.5 – Угловая характеристика СД

Проанализировав угловую характеристику в двигательном режиме, нетрудно убедиться, что в области угла рассогласования увеличивается нагрузка на валу двигателя, т. е. увеличение угла рассогласования влечет возрастание электромагнитного момента, а это значит, что эта часть угловой характеристики описывает область устойчивой работы СД (рабочая часть). Также направление электромагнитного момента при изменении угла рассогласования изменяется с удвоенной частотой, т. е. f=100 Гц. Следовательно, СД обладает знакопеременным моментом, в этом проявляется негативное свойство СД, которое носит название склонность к качаниям (или колебания ротора).

Поэтому СД конструируют так, что номинальному режиму по паспорту двигателя соответствует угол рассогласования Θ=20÷30º. Тогда перегрузочная способность двигателя

Дата добавления: 2014-01-15