Регулирование коэффициента мощности

Синхронный двигатель позволяет регулировать реактивную мощность, отдаваемую в сеть, что является очень ценным качеством.

Пусть двигатель работает с неизменной механической нагрузкой на валу, т. е. М_с = const при U = const.

При изменении тока возбуждения I_в будут изменяться противоЭДС E₀ и ток якоря I_я, однако вращающий момент М и активная мощность двигателя в установившемся режиме останутся неизменными. Это означает, что изменение тока I_в не изменяет для E; (₀ его горизонтальной проекции E₀sinθ на рис. 3.48, б, т. е. приводит к перемещению вершины E; (₀ по вертикальной прямой b₁–b₂. Аналогично изменение тока I_в не изменяет для тока якоря вертикальной проекции I_яcosφ, т. е. приводит к перемещению вершины вектора İ_я по горизонтальной прямой а₁–а₂. На рис.  б E; (₀ находится в точке b₁. При этом İ_я, ортогональный вектору jX_снİ_я, отстает от U; ( на угол φ₁ (φ₁ > 0). Такой режим называют режимом недовозбуждения, в этом режиме двигатель для сети представляет активно-индуктивную нагрузку и отдает в сеть положительную реактивную мощность Q = UI_яsinφ₁ > 0.

Увеличив I_в до значения, при котором вершина E; (₀ станет на одной горизонтали с вершиной U; (, т. е. в точке b₀, получим номинальный режим (I_в = I_в,ном). В этом режиме İ_я находится в точке а₀ и совпадает по фазе с напряжением U; ( (φ₀ = 0), двигатель является чисто активной нагрузкой с cosφ₀ = 1. Продолжим увеличение тока I_в. Пусть I_в > I_в,ном, чему соответствует положение вершины вектора E; (₀ в точке b₂. Такой режим называют режимом перевозбуждения. Точке b₂ соответствует положение вершины I; (_я в точке а₂. Тогда в режиме перевозбуждения I; (_я опережает по фазе напряжение U; ( на угол φ₂ < 0. Двигатель в перевозбужденном режиме представляет для сети активно-емкостную нагрузку и отдает в сеть отрицательную реактивную мощность Q = UIsinφ₂ < 0. Эта мощность может использоваться для компенсации положительной реактивной мощности других потребителей (например, АД). В итоге можно значительно повысить суммарный коэффициент мощности всех потребителей. Изменяя ток I_в и пользуясь диаграммой  б, можно получить зависимость I_я = f(I_в) для разных значений M_c. Эти зависимости называют V-образными характеристиками .

Сделаем выводы по V-образным характеристикам. При значительных токах I_в > I_в,ном рост тока якоря замедляется в связи с насыщением магнитной цепи. Пунктирная линия cosφ = 1 показывает, что с ростом момента сопротивления M_c для сохранения номинального режима нужно увеличивать ток возбуждения. Чем меньше ток I_в в режиме недовозбуждения, тем ближе двигатель к границе устойчивости (выпадение из синхронизма). Режим перевозбуждения выгоден и тем, что увеличивает запас K_м по моменту, так как уменьшается угол нагрузки θ (рис. б). Поскольку в режиме перевозбуждения рост I_в ведет к росту I_я, то при номинальной нагрузке двигателя (М_с = М_ном) возможность введения перевозбуждения ограничена, так как оно приводит к перегреву обмоток двигателя. Для увеличения резерва перевозбуждения нужно снижать М_с. В наибольшей мере эта возможность реализована в синхронных компенсаторах. Синхронный компенсатор – синхронная машина облегченной конструкции, работающая без нагрузки на валу в перевозбужденном режиме. По отношению к сети он практически эквивалентен конденсатору и используется для повышения cosφ за счет компенсации положительной реактивной мощности асинхронных двигателей.