Онищенко Г.Б. Электрический привод

Подождите немного. Документ загружается.

Рассмотрим векторную диаграмму

неявнополюсной синхронной машины (рис.

3.26). Двигатель с неявнополюсным ротором

имеет симметричную в магнитном отношении

конструкцию. Пренебрегая активным сопротив-

лением статора, получим

xIjEU =− . Здесь Е

- э.д.с., наводимая в обмотках статора вращающимся вместе с ротором полем

Из векторной диаграммы следует:

)cos(sin

111

−

xIU или

)cos(

sin

θϕ

−

)cos(cos

−

Подставляя эти значения в (3.39), получим выражение для угловой ха-

рактеристики неявнополюсной синхронной машины

sin

M =

(3.40)

Из этого выражения и соответствующей ему угловой характеристики

(рис.3.27) следует, что по мере нагружения синхронной машины угол нагрузки

увеличивается и момент достигает максимума при θ = π /2. Учитывая пропор-

циональность между э.д.с. Е

, и магнитным потоком Ф

, т.е. током возбуждения

=к

), получим, что максимальный момент синхронной машины будет

равен

кIU

ВВ

макс

= (3.41)

т.е. максимальный момент синхронного двигателя (в отличие от асин-

хронного) зависит от величины питающего напряжения в первой степени и в

определенных пределах (когда не сказывается насыщение магнитной цепи) про-

порционален величине тока возбуждения. Исходя из соотношения (3.41), в

большинстве схем автоматического регулирования возбуждения синхронных

двигателей для сохранения постоянной перегрузочной способности двигателя

предусматривается

автоматическое

увеличение тока

возбуждения при

приложении ударной

нагрузки или снижении

величины питающего

напряжения.

Для

синхронного двигателя явнополюсной конструкции, который имеет несиммет-

ричную магнитную цепь, кроме момента, вызванного полем ротора, возникает

реактивный момент, определяемый стремлением ротора занять такое положе-

ние, при котором магнитная проницаемость для пути потока статора была бы

максимальной. Угловая характеристика (см. рис.3.27,6) для такого двигателя

описывается уравнением:

2sin

sin

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−+=

dqd

ЕU

где x

и x

- индуктивное сопротивление по продольной и поперечной

осям.

3.3.2. Режимы работы синхронного двигателя

Поскольку синхронный двигатель имеет в синхронном режиме одну ра-

бочую скорость, то пуск этих двигателей осуществляется в асинхронном режи-

ме. Для этого в конструкции ротора предусмотрена короткозамкнутая обмотка,

конструкция которой аналогична клетке ротора асинхронного короткозамкнуто-

го двигателя. В синхронных двигателях со скоростью вращения 3000 об/мин ро-

тор имеет массивную конструкцию и роль пусковой клетки играет само тело ро-

тора. При разгоне до подсинхронной скорости двигатель работает как асин-

хронный короткозамкнутый с механической характеристикой 2 (см. рис.3.25).

По достижении подсинхронной скорости (точка а), которая должна быть не ме-

нее чем 0,95 ω

, в обмотку возбуждения подается постоянный ток, и двигатель

втягивается в синхронизм, переходя на работу в точке б, соответствующей син-

хронному режиму.

При работе в установившемся режиме с синхронной скоростью ток в

пусковой клетке не протекает. Пусковая клетка ротора рассчитывается на крат-

ковременный режим работы, и длительная (свыше 20-30с) работа в асинхронном

режиме недопустима.

Кроме

обеспечения режима

пуска, пусковая

клетка играет роль

демпферной обмотки,

стабилизируя

переходные процессы

при работе двигателя

в синхронном

режиме.

Синхронные

двигатели промыш-

ленного назначения

имеют электромаг-

нитное возбуждение

от независимого ис-

точника постоянного

тока, в качестве кото-

рого используются:

генераторы постоянного тока (возбудители), которые могут располагаться на

одном валу с синхронным двигателем (рис.3.28,6) или приводиться во вращение

отдельным двигателем (рис.3.28,а), тиристорные управляемые выпрямители, ко-

торые могут получать питание от промышленной сети (рис.3.28,в), либо от спе-

циального генератора переменного тока, располагаемого на одном валу с син-

хронным двигателем. В последнем случае (рис.3.28,г) полупроводниковые вы-

прямители располагаются на роторе синхронной машины (система с вращаю-

щимися выпрямителями), вследствие чего не требуются щетки и кольца для

подвода тока к обмотке возбуждения, т.е. синхронная машина становится бес-

контактной.

Во время разгона, когда двигатель работает в асинхронном режиме, воз-

будитель может быть подключен к обмотке ротора при снятом напряжении воз-

будителя (схема с глухоподключенным возбудителем), а может быть отключен

от обмотки возбуждения контактором КМ (см., например, схемы рис.3.23 и

3.28). В последнем случае обмотка возбуждения замыкается на сопротивление

или замыкается накоротко. Оставлять концы обмотки возбуждения во время

разгона разомкнутыми нельзя, т.к. в обмотке при больших скольжениях наво-

дится значительная ч.д.с. скольжения.

При использовании в качестве возбудителя тиристорного преобразова-

теля или вращающихся выпрямителей во время пуска обмотка возбуждения за-

корачивается через шунтирующие тиристоры,

Рассмотрим схему рис.3,28,в. При пуске двигателя в асинхронном режи-

ме напряжение тиристорного преобразователя UD равно нулю. В обмотке воз-

буждения индуктируется переменная э.д.с. скольжения, под действием которой

через стабилитроны VD открываются вспомогательные тиристоры VS, и обмот-

ка возбуждения закорачивается на разрядное сопротивление R. Когда двигатель

достигает подсинхронной скорости, э.д.с. скольжения становится малой, стаби-

литроны запираются, и тиристоры VS отключают разрядное сопротивление, по-

сле чего в обмотку возбуждения подается постоянный ток от преобразователя

UD.

В последние годы получили распространение возбудители, встроенные в

конструкцию синхронной машины (рис.3.28,г). Возбудитель состоит из син-

хронного генератора G, ротор которого расположен на валу синхронного двига-

теля М, неуправляемого выпрямителя, вспомогательных тиристоров VS и раз-

рядных сопротивлений R

и R

, также размещенных на валу синхронного двига-

теля. Регулирование тока возбуждения производится изменением тока возбуж-

дения возбудителя G. Но достижении подсинхронной скорости цепи, шунти-

рующие обмотку возбуждения, размыкаются и в обмотку подается постоянный

ток, после чего двигатель втягивается в синхронизм, его скорость достигает син-

хронной, и в дальнейшем он работает в синхронном режиме.

3.3.3. Регулирование тока возбуждения синхронного двигателя

Регулирование тока возбуждения двигателя при работе в синхронном

режиме осуществляется, как правило, САР возбуждения. САР возбуждения вы-

полняет две основные функции. Первая - обеспечение устойчивой работы в син-

хронном режиме. При набросах нагрузки или при снижении величины питаю-

щего напряжения САР возбуждения форсирует (увеличивает) ток возбуждения,

благодаря чему увеличивается максимальный момент двигателя в синхронном

режиме (см. рис.3.27). Вторая - осуществление автоматического регулирования

величины реактивной мощности, циркулирующей в статорной цепи двигателя.

Важным достоинством синхронных двигателей является возможность

регулирования величины реактивной мощности, циркулирующей в цепи стато-

ра, в том числе возможность, работая двигателем, т.е. потребляя активную мощ-

ность, одновременно генерировать реактивную мощность, т.е. работать компен-

сатором реактивной мощности, потребляемой другими параллельно работаю-

щими приемниками электрической энергии, прежде всего асинхронными двига-

телями.

Применение на предприятиях наряду с асинхронными синхронных дви-

гателей позволяет уменьшить реактивную мощность, потребляемую предпри-

ятием в целом, и поддерживать нормативное -значение cos φ в энергосистеме

данного предприятия.

Возможность регулирования реактивной мощности в цепи статора дви-

гателя путем изменения тока его возбуждения иллюстрируется векторными диа-

граммами на рис.3.29.

Векторная диаграмма (а) соответствует току возбуждения меньше номи-

нального; при этом вектор тока статора

I , отстает от вектора напряжения се-

ти

U , на угол φ, т.е. двигатель работает с отстающими cos φ (реактивная мощ-

ность «потребляется»). При увеличении тока возбуждения э.д.с. Е

, наводимая в

обмотках статора, увеличивается и может достигнуть такого значения, при ко-

тором ток статора

будет совпадать по фазе

с напряжением

, т.е.

cos = 1 (см. рис.3.29,б).

Момент на валу

двигателя при этом

будет такой же, как и в

предыдущем случае, но

реактивная мощность

будет равна нулю. Очевидно (это следует из формулы (3.39)) ток статора I

при

данном моменте нагрузки будет минимальным. Этот режим является энергети-

чески наиболее выгодным для

синхронного двигателя, т.к. потери в

статоре будут минимальны.

Если еще больше увеличить ток

возбуждения, то ток статора будет опе-

режать по фазе напряжение

, cos φ

станет опережающим, и синхронный

двигатель будет генерировать реактивную мощность (см. рис. 3.29,в). Зависи-

мость тока статора от тока возбуждения синхронного двигателя отражается U-

образными характеристиками синхронного двигателя, представленными на

рис.3.30.

Задача 3.2.

Два двигателя (см. рис.3.31): М

, - асинхронный с коротко-замкнутым

ротором, и М

-синхронный получают питание от шин 6 кВ. Двигатель М

рабо-

тает с постоянной номинальной нагрузкой на валу. Двигатель М

работает с по-

стоянной нагрузкой на валу, составляющей 50% от номинальной. Режим работы

двигателей - продолжительный. Определить, какой ток следует установить в

обмотке возбуждения синхронного двигателя, чтобы cosφ на шинах, питающих

двигатели, был бы равен единице. Технические данные двигателей:

Синхронный - типа СД2, напряжение статора

1л

=6000В; мощность Р

=900кВт, номинальный ток

статора I

1н

=90А; скорость вращения - 1000об/мин,

номинальный ток возбуждения I

вн

=175А,

номинальный кпд – η

=95,6; номинальный коэффици-

ент мощности – cosφ

= 0,9(опережающий).

Асинхронный - тип АН2-15-57-10, напряжение

1л

=6000В, номинальный ток статора - 80А,

номинальная скорость -592об/мин, cosφ =0,8.

Решение.

Реактивная мощность, циркулирующая в цепи статора асинхронного

двигателя

кВАрIUQ

ннлAD

5006,08060003sin3

=⋅⋅⋅==

Для компенсации этой реактивной мощности синхронный двигатель дол-

жен работать с опережающим cosφ и реактивным током

2,48

60003

500000

⋅

Активная составляющая тока статора при нагрузке на валу 0,5 номи-

нальной:

CDнл

CDн

6,40

95,060003

8000005,0

5,0

⋅⋅

⋅

Полный ток статора синхронного двигателя в этом режиме

АIII

рa

632,486,40

2222

=+=+=

Коэффициент мощности синхронного двигателя в этом режиме

)(644,0

6,40

cos

опер

===

Для того, чтобы определить величину тока возбуждения синхронного

двигателя в рассматриваемом режиме воспользуемся упрощенным уравнением

угловой характеристики синхронного двигателя (3.40).

Сначала определим из условий номинального режима параметры син-

хронного двигателя: х

и Е

1н

нн

sin

= .

т.к. перегрузочная способность данного двигателя

макс

/М

=2, то sin θ

= 0,5 и θ

= 30° .

Из векторной диаграммы рис. 3.26 имеем

)cos(sin

111

−

xIU

(3 .42)

для номинального режима

Ом

ннн

нф

4,34

)309,0arccoscos(90

5,03470

)cos(

sin

°−−

⋅

−

θϕ

хМ

нф

5290

5,034703

4,34800000

sin3

⋅⋅

⋅

Из (3.42) получим

)sinsincos(cossin

111

⋅

xIU

sin

cos

111

xIU

−

Для заданного режима

27,0

)77,0(4,34633470

644,04,3463

−⋅−

⋅

277,0sin

Из уравнения угловой характеристики (3.40) найдем величину Е

соот-

ветствующую заданному режиму

хМ

4770

277,034703

4,346,1043824

sin3

⋅⋅

⋅

где: М = 0,5М

, = Нм

3824

6,104

800000

5,0

Полагая, что э.д.с. Е

пропорциональна току возбуждения, найдем, что

заданному режиму будет соответствовать ток возбуждения,

внв

8,157

5290

4770

175

===

3.4. Однофазные асинхронные двигатели

Для приводов бытовых и других рабочих машин мощностью примерно

до 5 кВт часто используются однофазные асинхронные двигатели. Применение

таких двигателей становится необходимым, когда источником электроэнергии

является однофазная сеть переменного тока.

Однофазные

асинхронные двигатели

имеют на статоре две

обмотки: рабочую и

пусковую. Ротор двига-

двигателя выполняется

короткозамкнутым в

виде беличьей клетки.

Рабочая обмотка двигателя (рис.3.2,а) подключается к однофазной сети пере-

менного тока (обычно фаза - нуль). Однофазный ток, протекающий по этой об-

мотке, создает не вращающееся, как в трехфазных двигателях, а пульсирующее

магнитное поле. Пульсирующее поле можно разложить на два поля, имеющиеся

равные амплитуды, но вращающееся в противоположные стороны с одинаковой

скоростью ω

= 2πf

,/p

Этим вращающимся магнитным полям соответствуют механические ха-

рактеристики 1 и 2 на рис.3.32,б. Результирующая механическая характеристика

двигателя (характеристика 3) получается сложением моментов по характеристи-

кам 1 и 2 при одной и той же скорости. Особенность характеристики двигателя

состоит в том, что пусковой момент (при ω=0) равен нулю, вследствие чего пуск

двигателя невозможен. Поэтому для пуска однофазных асинхронных двигателей

используется дополнительная пусковая обмотка. Эта обмотка расположена в па-

зах статора двигателя со смещением на 90°. Как правило, по окончании пуска

пусковая обмотка отключается. Наилучшие пусковые характеристики имеет

схема с подключением пусковой обмотки через конденсатор.

При необходимости в случае питания от однофазной сети могут исполь-

зоваться и обычные трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым

ротором. В этом случае в качестве пусковой используется одна из фазных обмо-

ток, которая для создания временного сдвига фазы тока на 90" подключается к

сети через конденсатор. При использовании стандартных асинхронных трехфаз-

ных двигателей мощностью до 10 кВт при питании их от однофазной сети 220 В

емкость конденсатора обычно принимается равной 30 мкФ на каждый кВт но-

минальной мощности двигателя. Следует использовать металлобумажные кон-

денсаторы напряжением не менее 600 В.

3.5. Вопросы для самопроверки

1. Что нужно сделать, чтобы изменить направление вращения асинхрон-

ного двигателя?