10282
.pdfМомент двигателя М. Зависимость момента двигателя М и мощности на валу P2 линейна (см. п. 5.2.5), поэтому с ростом нагрузки возрастает и момент двигателя.
Частота вращения n2 . При холостом ходе, когда P2 = 0 , частота вращения ротора n2 примерно равняется частоте вращения магнитного поля n2 ≈ n1 . С ростом нагрузки P2 частота вращения ротора уменьшается, причем в рабочей части механической характеристики эта зависимость остается линейной.
Скольжение S. При холостом ходе P2 = 0 , когда n2 ≈ n1 скольжение имеет минимальную величину. С ростом нагрузки частота вращения n2 линейно уменьшается, соответственно линейно увеличивается скольжение (5.2).
Коэффициент полезного действия η . КПД определяется формулой:
|
|
η = |
P2 |
= |
P2 |
|
, |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
P |
P + P |
||||
|
|
1 |
|
2 |
Σ |
|
||
где P |
– активная мощность, потребляемая из сети; |
|||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
PΣ = PM + PЭ1 + PЭ2 + Pмех + Pдоб |
(кВт) – суммарные потери мощности, |
равные сумме потерь мощности в магнитопроводе PM , электрических потерь в статоре PЭ1 и роторе PЭ2 , механических потерь Pмех и добавочных потерь мощности Pдоб .
При отсутствии нагрузки P2 = 0 КПД равен нулю. С увеличением нагрузки КПД растет и принимает наибольшее значение ηmax = 0,83 ÷ 0,85 при
условии, |
что |
постоянные |
потери |
мощности в электродвигателе |
|
PM + Pмех |
+ Pдоб |
оказываются |
равными |
переменным |
потерям мощности |
PЭ1 + PЭ2 |
в нем |
(при P2 ≈ PH ). При |
дальнейшем |
росте нагрузки КПД |
уменьшается.
Коэффициент мощности cosϕ : Характер зависимости cosϕ
определяется выражением:
cosϕ = |
|
P |
|
||
|
1 |
. |
|||
|
|
|
|||
3U1I1 |
|||||
|
|
|
При холостом ходе, когда P2 = 0 , cosϕ достигает наименьшего значения cosϕ0 = 0,2 ÷ 0,3 . С увеличением нагрузки cosϕ увеличивается и достигает
91
при номинальной нагрузке P2 = PH значения 0,83÷0,89. С увеличением нагрузки больше номинальной наблюдается некоторое снижение cosϕ за счет увеличения падения напряжения на индуктивном сопротивлении обмотки статора асинхронного двигателя.
5.3.Синхронный двигатель трёхфазного переменного тока
5.3.1.Устройство и принцип работы
Конструктивная схема трехфазного синхронного двигателя показана на рис. 5.18.
A(L1) B(L2) С( L3)
2 |
|
RB |
|
3 |
|
+ |
|
OB |
n1 |
||
|
|||
|
|
n2 |
|
|
|
U B |
1 |
- |
Рис. 5.18
Синхронный двигатель (СД) состоит из неподвижной части 1, именуемой статором, и подвижной 3, именуемой ротором. Статор выполнен аналогично статору асинхронного двигателя. По окружности статора в пазах размещена трехфазная статорная обмотка 2, которая может быть соединена или в «звезду» (U Л = 380 B), или в «треугольник» (U Л = 220 B). На роторе
размещена обмотка возбуждения (ОВ), представляющая собой электромагнит постоянного тока и получающая питание от источника постоянного напряжения.
Если частота вращения ротора n2 ≤ 1000 об/мин, то ротор выполняется в явнополюсном исполнении (рис 5.18), если же n2 > 1000 об/мин, то ротор выполняется в неявнополюсном исполнении.
При подаче к трехфазной обмотке статора трехфазного напряжения в ней образуется вращающееся магнитное поле с синхронной частотой вращения
|
n |
|
= |
60 f1 |
(об/мин), |
(5.21) |
||
|
|
ρ |
||||||
|
1 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
где f1 – |
частота питающей сети (Гц); |
|
||||||
ρ – |
число пар магнитных полюсов, ρ = 1, 2, 3... |
|
||||||
Вращающееся магнитное поле, взаимодействуя с однонаправленным |
||||||||
магнитным |
полем обмотки |
возбуждения, создает |
электромагнитный |
|||||
(вращающий) момент, который разгоняет ротор до частоты вращения |
||||||||
|
n |
|
= n = |
|
60 f1 |
, |
(5.22) |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
2 |
1 |
|
ρ |
|
||
|
|
|
|
|
|
Так как частоты вращения магнитного поля и ротора одинаковы, двигатель называется синхронным.
Рассмотрим, как образуется электромагнитный момент М синхронного двигателя (рис. 5.12).
2
статор N
F1
S
N
F2
N
F1
S
N
F2
S |
S |
а) Мс = 0 |
б) Мс > 0 |
|
Рис. 5.19 |
На рис. 5.19 показано взаимодействие магнитных полюсов статорной обмотки (N-S) и обмотки возбуждения (S-N) в двух случаях:
а) момент сопротивления M C = 0 (холостой ход); б) момент сопротивления M C > 0 .
При холостом ходе M C = 0 оси магнитных полей статора и обмотки возбуждения, а также силы взаимодействия F 1 , F 2 между полюсами
93
направлены по одной прямой и не создают вращающего (электромагнитного) момента M = 0 .
При нагрузке M C > 0 оси магнитных полей статора и обмотки возбуждения образуют между собой угол θ. Силы взаимодействия между
полюсами |
F |
1 , |
F |
2 создают вращающий (электромагнитный) момент, который |
компенсирует |
момент нагрузки M = M C , и двигатель работает с |
электромагнитным моментом.
Если синхронная машина работает с отставанием магнитного поля обмотки возбуждения (угол θ), то такой режим называется двигательным, если опережает (угол θ2), то синхронная машина переходит в генераторный режим.
5.3.2. Схема замещения трёхфазного синхронного двигателя
Синхронный двигатель (С.Д.) состоит из трех симметричных фаз, поэтому достаточно рассмотреть схему замещения одной фазы (рис. 5.20).
I C X C
|
|
U 1ф ~ |
|
|
E0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 5.20 |
|
На рисунке 5.20 показано: |
|
|
|||
U1Φ , |
IC – напряжение и ток статора статорной обмотки; |
||||
X C |
– |
индуктивное сопротивление статорной обмотки (Ом); |
|||
E0 |
– |
ЭДС, наводимая магнитным потоком обмотки возбуждения в |
|||
статорной обмотке. ЭДС E0 |
пропорциональна току возбуждения I B (E0 ≡ I B ). |
||||
Составим уравнение электрического состояния статорной обмотки: |
|||||
|
|
∙ |
∙ |
∙ |
|
|
|
U 1Φ |
= E 0 + |
jX C I C |
(5.23) |
Векторная диаграмма для схемы замещения показана на рис. 5.21.
Рис. 5.21
Построение |
векторной |
диаграммы начинаем с |
вектора |
фазного |
|
∙ |
|
|
|
|
∙ |
напряжения U 1Φ . |
Под углом сдвига фаз ϕ строим вектор тока статора I C . |
||||
|
∙ |
|
|
∙ |
|
Далее, из конца вектора U 1 |
под углом 900 к вектору тока I C строим вектор |
||||
|
Φ |
|
|
|
|
|
|
|
|
∙ |
|
падения напряжения на индуктивном |
сопротивлении |
jX C I C . |
Соединив |
||
∙ |
|
|
∙ |
|
∙ |
начало вектора U 1Φ и начало вектора |
jX C I C , получаем вектор ЭДС E 0 и |
||||
|
∙ |
∙ |
|
|
|
угол θ между векторами U 1Φ и E 0 . |
|
|
|
Принимая, что синхронная машина идеальная, т.е. без потерь, мощность
на валу двигателя P |
будет равна потребляемой активной мощности P из |
|
2 |
|
1 |
сети: |
|
|
|
P2 = P1 = 3U1Φ IC cosϕ (кВт), |
(5.24) |
где ϕ – угол сдвига фаз.
5.3.3. Формула электромагнитного момента. Угловая характеристика
Электромагнитный (вращающий) момент синхронного двигателя равен:
M = P2 (Н·м), ω1
где ω1 – угловая частота вращения магнитного поля статора, 1/с.
95
ω = πn1 , |
|
|
1 |
30 |
|
|
|
|
где n1 – частота вращения магнитного поля, об/мин. |
|
|
С учетом (5.24) электромагнитный момент будет: |
|
|
M = 3U1Φ IC cosϕ |
(5.25) |
|
|
ω1 |
|
В таком виде (6.25) формула момента не используется. После нескольких преобразований [3] формула момента примет следующий вид:
M = |
3U1Φ IC E0 |
sinθ |
(5.26) |
|
|||
|
ω1 X C |
|
Проанализируем полученное выражение:
∙момент пропорционален фазному напряжению M ≡ U1Φ , поэтому снижение напряжения не оказывает существенного влияния на момент, в отличие от асинхронного двигателя;
∙момент пропорционален ЭДС E0 , соответственно току возбуждения
M ≡ U1Φ ≡ I B , поэтому, чем больше ток, тем больше момент.
Под угловой характеристикой понимается зависимость момента двигателя от угла θ:
M = f (θ ).
На рис. 5.22 приведена угловая характеристика синхронного двигателя.
M( Н × м)
|
|
|
|
IВ>IB1 |
|
|
Mкр |
|
IВ1 |
|
|
||
|
|
I |
|
II |
|
|
|
|
|
π |
π |
|
θ |
|
|
|
||||
|
0 |
|
|
|||
|
|
|||||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
2
Рис. 5.22
Угловая характеристика позволяет проанализировать процессы в двигателе при изменении нагрузки на валу ротора. При появлении момента сопротивления M C на валу двигателя ротор притормаживается, угол нагрузки
θ увеличивается и в соответствии с угловой характеристикой увеличивается вращающий момент двигателя М. При равенстве М = МС наступает новый установившийся режим. При номинальном режиме двигателя МНОМ соответствующий угол θHOM = 25 − 300 . При M C > M max ротор отстаёт больше
чем на максимально допустимый угол θ = π 2 , момент двигателя начнет
уменьшаться, ротор будет замедляться вплоть до полной остановки. Этот процесс называется выпадением двигателя из синхронизма, при котором
машина должна быть |
отключена от сети. |
|
|
|
|
|||
Существуют два |
способа регулирования частоты вращения n2 : |
|||||||
∙ изменением |
частоты |
питающей |
сети |
f1 = var с помощью |
||||
преобразователя частоты |
f |
C |
> f |
1 |
>> f ' ; |
|
||
|
|
|
|
|
1 |
|
∙изменением числа пар магнитных полюсов p = var (p = 1, 2, 3...) , но практического применения этот способ не получил.
5.3.4. Пусковые режимы синхронного двигателя
Известно [2], что синхронный двигатель не обладает собственным пусковым моментом. Если его включить в сеть, то ротор будет совершать колебания около положения равновесия с частотой f = 100 Гц, и двигатель не запустится.
Чаще всего синхронный двигатель запускают в асинхронном режиме (рис. 5.23) в следующей последовательности:
97
A(L1) B(L2) С( L3)
О.В. |
RB |
К1 |
|
|
+ |
RД |
К2 |
|
UB |
|
- |
|
Рис. 5.23 |
1.С помощью контакта K1 отключают обмотку возбуждения ОВ от источника питания U B и замыкают ее с помощью контакта K2 на дополнительное сопротивление RД .
2.Подключают трехфазную статорную обмотку к сети, в ней образуется вращающееся магнитное поле с частотой вращения:
n1 = 60 f1 (об/мин). p
Этот магнитный поток, пересекая витки дополнительной пусковой обмотки (типа «беличьей клетки»), расположенной на роторе, наводит в ней ЭДС, и по обмотке идет ток. Этот ток, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, образует электромагнитный момент аналогично асинхронному двигателю, который начинает разгонять ротор до частоты вращения n2 .
3. |
При достижении ротором частоты вращения n2 = 0.95 ÷ 098n1 с |
|
помощью контакта К1 подключают обмотку возбуждения (ОВ) к |
|
источнику питания. Ротор после нескольких колебаний входит в |
|
синхронизм: |
|
n2 = n1 . |
4. |
После достижения синхронизма отключают RД с помощью контакта |
|
K2 , и на этом процесс пуска заканчивается. |
5.3.5. U-образные характеристики синхронного двигателя
Под U-образными характеристиками синхронного двигателя понимается зависимость тока статора IC и коэффициента мощности от тока возбуждения
I B .
|
IC = f (I B ), |
cosϕ = f (I B ). |
|
||
Зависимость тока статора IC |
от параметров синхронного двигателя |
||||
U1Φ , E0 , |
X CИН описывается следующим выражением: |
|
|||
|
|
∙ |
∙ |
|
|
|
∙ |
− E0 |
|
|
|
|
I C = |
U 1Φ |
. |
(5.27) |
|
|
jX CИН |
||||
|
|
|
|
||
Из |
анализа (5.27) в зависимости от величины |
тока возбуждения |
синхронный двигатель может работать в трёх качественно различных режимах.
I режим. Ток возбуждения изменяется в пределах 0 < I B < I BH , где I BH – номинальное значение тока возбуждения. При этом напряжение U1Φ больше, чем ЭДС E0 (U1Φ > E0 ), ток статора IC > 0, cosϕ > 0. Двигатель обладает активно-индуктивными свойствами, т.е. потребляет отстающий ток. Двигатель недовозбуждён.
II режим. Ток возбуждения IВ = IВН. При этом напряжение U1Φ равняется ЭДС E0 U1Φ > E0 , ток статора IC = 0 и cosϕ = 1. Двигатель обладает активными свойствами и потребляет из сети активную мощность P – минимальную мощность. Двигатель имеет номинальный ток возбуждения.
III режим. Ток возбуждения IВ > IВН. При этом напряжение U1Φ меньше ЭДС E0 (U1Φ < E0 ) , ток статора IC < 0 и cosϕ < 0. Двигатель обладает активно-емкостными свойствами, т.е. потребляет из сети активную мощность P, но отдает в сеть реактивную мощность - QC. Двигатель перевозбужден и потребляет опережающий ток.
Эти режимы изображены на рис. 5.24.
99
Ic(A)
I
cosφ
|
|
MC>0 |
|
|
MC=0 |
a’ |
|
III |
|
|
|
a |
II |
Iв(A) |
a II
1,0
I |
|
III |
|
IBH |
Iв(A) |
|
|
|
|
|
Рис. 5.24 |
На рис. 5.24 первый режим обозначен I, второй режим обозначен точкой «а» и соответствует номинальному току возбуждения IВН, третий режим обозначен III.
При нагрузке на валу двигателя МС > 0 точка «а» перемещается вправо и соответствует точке «а'».
Свойство синхронных электродвигателей потреблять из питающей сети опережающий ток особенно ценно для промышленных установок, так как оно позволяет одновременно с использованием синхронной машины в качестве приводного двигателя использовать ее и для повышения коэффициента мощности cosϕ установки без применения статических конденсаторов.
5.3.6. Рабочие характеристики синхронного двигателя
Под рабочими характеристиками синхронного двигателя понимаются зависимости тока статора IC , момента M, частоты вращения ротора n2, коэффициента мощности cosϕ и КПД η от мощности на валу двигателя Р2.