9.2 Рабочий процесс трёхфазного синхронного двигателя

9.2.1 Устройство трёхфазной синхронной машины

Эскиз конструкции синхронной машины изображён ниже:

1 – корпус; 2 – сердечник статора; 3 – обмотка статора; 4 – ротор; 5 – вентилятор;

6 – выводы обмотки статора; 8 – контактные кольца; 9 – возбудитель

Рисунок 9.15 - Устройство синхронной машины небольшой мощности

Роторы синхронной машины выполняются явнополюсными и неявнополюсными.

1 – полюс; 2 – обмотка возбуждения; 3 – полюсный наконечник

Рисунок 9.16 - Поперечное сечение явнополюсного (а) и неявнополюсного (б) роторов

Синхронные машины проектируют таким образом, чтобы количество полюсов на статоре было равно количеству полюсов на роторе. От количества полюсов зависит синхронная частота вращения ротора. Явнополюсные роторы применяют в синхронных машинах большой мощности, имеющих одну или две пары полюсов и соответственно частоту вращения 3000 или 1500 об/мин., например, для работы с паровыми и газовыми турбинами. Неявнополюсные роторы применяют в синхронных машинах с большим числом полюсов и соответственно относительно низкой частотой вращения. Синхронные машины с явнополюсным ротором и горизонтальным расположением вала используются в качестве двигателей и генераторов. Неявнополюсные роторы с вертикальным расположением вала имеют синхронные генераторы для работы с гидравлическими турбинами.

Основным способом возбуждения синхронных машин является электромагнитное возбуждение, состоящее в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения. Для питания обмотки возбуждения используют:

- специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, которые располагаются на общем валу с ротором синхронной машины; ток через контактные кольца и щётки поступает в обмотку возбуждения синхронной машины;

- синхронные генераторы переменного тока, у которых обмотка якоря расположена на роторе, а обмотка возбуждения на статоре, т.е., обмотка якоря возбудителя и обмотка возбуждения синхронной машины оказываются вращающимися, их электрическое соединение осуществляется непосредственно; переменный ток от них выпрямляют с помощью полупроводниковых выпрямителей;

- принцип самовозбуждения, когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямитель преобразуется в энергию постоянного тока.

Существенное отличие между синхронными генераторами и синхронными двигателями таково: в генераторе электромагнитный момент является тормозящим, а в синхронном двигателе вращающим.

9.2.2 Принцип действия синхронного двигателя

Принцип действия синхронного двигателя (СД) заключается во взаимодействии магнитного поля статора, подключаемого к сети переменного тока, и магнитного поля ротора, имеющего обмотку возбуждения и пусковую асинхронную обмотку. Конструктивно ротор СД может быть явнополюсным и неявнополюсным в виде цилиндра. В качестве источника питания обмотки возбуждения чаще всего используют генератор постоянного тока, но могут использоваться тиристорные управляемые выпрямители (тиристорные возбудители).

С

Д имеют cos φ, близкий к единице или даже опережающий cos φ. Последнее позволяет применить СД в качестве компенсатора индуктивной реактивной мощности. КПД современных СД составляет 96%. Синхронный двигатель обладает абсолютно жесткой механической характеристикой.

Рисунок 9.17 - Схема включения (а) и механическая характеристика (б) синхронного

двигателя

Статор СД выполняется аналогично статору асинхронного двигателя с трёхфазной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока. Ротор СД имеет обмотки возбуждения и пусковую короткозамкнутую в виде беличьей клетки.

Г

енератор постоянного тока устанавливается на одном валу с СД и обычно имеет мощность 0,3 3,0 % СД. Изменение тока возбуждения С.Д. осуществляется потенциометром тока возбуждения возбудителя. В современных схемах автоматического регулирования возбуждения (АРВ) СД применяют тиристорные возбудители.

СД имеет постоянный по направлению момент только в том случае, когда ротор вращается со скоростью магнитного поля статора . Именно поэтому механическая характеристика СД представляет собой горизонтальную линию. Для определения максимального момента нагрузки , до которого сохраняется синхронизм СД с питающей сетью, служит угловая характеристика СД.

Рисунок 9.18 - Угловая характеристика синхронного двигателя

Эта характеристика отражает зависимость момента М от угла сдвига θ между векторами ЭДС статора Е и фазного напряжения сети

,

- скорость вращения магнитного поля статора.

характеризует перегрузочную способность СД ( = 25 - 30˚), кратность максимального момента У синхронного двигателя с резко переменным моментом сопротивления (привод дробилок, поршневых насосов) кратность максимального момента может достигать значения 3,5.

Перегрузочная способность зависит от напряжения сети и ЭДС Е, т.е. от тока возбуждения ротора. Изменяя ток возбуждения можно управлять перегрузочной способностью синхронного двигателя. На угловых характеристиках горизонтальная линия – это момент сопротивления на валу. Её пересечение с восходящими ветвями характеристик, где возможна устойчивая работа синхронного двигателя, дают значения рабочих углов рассогласования θ. На нисходящих ветвях характеристик, так же как и для генератора, устойчивая работа двигателя невозможна.

Как все электродвигатели, синхронный двигатель обладает свойством саморегулирования: при изменении момента сопротивления на валу изменяется угол рассогласования θ и электромагнитный вращаюший момент становится равным моменту сопротивления. При этом изменяется активная мощность и ток статора двигателя, частота вращения остаётся неизменной.

9.2.3 Характеристики синхронных двигателей

9.2.3.1 U – образные характеристики

Это зависимость тока статора от тока возбуждения при стабильном напряжении сети (постоянном магнитном потоке статора).

Рисунок 9.19 - U – образные характеристики синхронного двигателя

Таким образом, при недовозбуждении СД работает с отстающим током ( ); при перевозбуждении и СД работает с опережающим током .

Эта способность СД является ценным качеством, которое используется для повышения коэффициента мощности электроустановок путём компенсации части индуктивной мощности работающих электрических двигателей. СД, предназначенные для работы с перевозбуждением, имеют большие габариты и меньший КПД, чем обычные СД.

Мощность синхронных компенсаторов достигает 100 - 160 МВ·А.

9.2.3.2 Рабочие характеристики СД

Эти характеристики СД представляют собой зависимость частоты вращения ротора , потребляемой мощности , момента нагрузки , коэффициента мощности и тока в обмотке статора от полезной мощности двигателя .

Рисунок 9.20 - Рабочие характеристики синхронного двигателя

9.2.4 Синхронные микродвигатели в исполнительных механизмах автоматики

Эти СД отличаются от обычных синхронных двигателей отсутствием обмотки возбуждения на роторе. Микродвигатели выпускаются в трех- и двухфазном исполнении. В двигателях однофазных размещено на статоре две обмотки, одну из которых включают через фазосдвигающий элемент. В зависимости от типа ротора различают синхронные микродвигатели с постоянными магнитами, гистерезисные и реактивные.

9.2.4.1 Синхронный микродвигатель с постоянными магнитами на роторе

Эскиз конструкции ротора синхронного двигателя с постоянными магнитами (СД с ПМ) имеет вид:

1 – магниты; 2 – стержни пусковой обмотки; 3 – полюсы; 4 – пластмассовая заливка

Рисунок 9.21 - Конструктивная схема ротора синхронного двигателя

с постоянными магнитами

Вращающий момент возникает как результат взаимодействия полюсов статора с полюсами намагниченного ротора.

Свойства и рабочие характеристики СД с ПМ не отличаются от свойств СД с электромагнитным возбуждением, но в нем нельзя изменять вращающий момент и .

9.2.4.2 Гистерезисный микродвигатель

«Гистерезис» - отставание состояния намагниченности ферромагнетика от изменения внешнего магнитного поля. Поэтому гистерезисный синхронный микродвигатель – это двигатель, у которого момент вращения ротора возникает за счёт явления гистерезиса при перемагничивании ротора.

Магнитотвёрдый материал ротора гистерезисного двигателя (ГД) намагничивается и перемагничивается внешним магнитным полем статора.

а) – М_Г = 0; б) – М_Г > 0

Рисунок 9.22 - Схема, поясняющая возникновение «гистерезисного» момента

ГД может работать как в синхронном, так и в асинхронном режиме.

В синхронном режиме при М_С<М_Г перемагничевания ротора не происходит и ГД работает как СД с ПМ. Но угол θ не может превышает угла гистерезисного запаздывания θ_Г, иначе начинается перемагничивание. Обычно θ_Г ≤ 20 - 25⁰.

При пуске и в синхронном режиме М_рез=М_Г+М_асин

Рисунок 9.23 - Механическая характеристика гистерезисного двигателя

ГД имеет большой пусковой момент и момент входа в синхронизм, а ток мало при этом изменяется . КПД_ГД= 50-60 %, cos φ =0,4 - 0,6. Этот микродвигатель позволяет регулировать частоту ротора изменением частоты напряжения питания.