Лекция 13

Синхронные двигатели. Промышленный высоковольтный электропривод. Область применения. Вентильные преобразователи с непосредственным преобразованием частоты.

СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

1 Конструкция и принцип действия синхронной машины

Статор 1 синхронной машины (рис. 1.1, а) выполнен так же, как и асинхронной: на нем расположена трехфазная (в общем случае многофазная) обмотка 3. Обмотку ротора 4, которая питается от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, так как она создает в машине магнитный поток возбуждения.

Рис. 1 – Электромагнитная схема синхронной машины (а)

и схема ее включения (б):1 – статор, 2 – ротор, 3-обмотка якоря,

4 – обмотка возбуждения, 5 – контактные кольца, 6 – щетки

Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец 5 и щеток 6. При вращении ротора 2 с некоторой частотой n₂ поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в ее фазах переменную э. д. с. E (рис. 1.1, б), изменяющуюся с частотой f₁=pn₂/60 (1.1) Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то протекающий по этой обмотке многофазный ток I_a создаст вращающееся магнитное поле, частота вращения которого

n₁=60f₁/p. 1.2

Из (1.1) и (1.2) следует, что n₁ = n₂, т.е. ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. По этой причине рассматриваемую машину называют синхронной. В такой машине результирующий магнитный поток Ф_рез создается совместным действием м. д. с. обмотки возбуждения и обмотки статора и результирующее магнитное поле вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор.

В синхронной машине обмотку, в которой индуктируется э. д. с. и протекает ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения, – индуктором. Следовательно, в машине, выполненной по конструктивной схеме, представленной на рис. 1, статор является якорем, а ротор – индуктором. С точки зрения принципа действия и теории работы машины безразлично, вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной конструктивной схемой: обмотка якоря, к которой подключена нагрузка, расположена на роторе, а обмотка возбуждения, питаемая постоянным током, – на статоре.

Таким образом, скорость синхронного двигателя строго постоянна, если неизменна частота тока питающей сети. Вращающий момент синхронного двигателя создается в резуль­тате взаимодействия магнитного поля статора с магнитным полем полюсов. От напряжения питающей сети зависит только магнитный Поток поля статора. Синхронные двигатели выполняют преимущественно с явно выраженными полюсами, и работают они в нормальном режиме при опережающем соs =0,8. Возбуждение синхронные двигатели получают либо от возбудителя, либо от сети переменного тока через полупроводниковые выпрямители.

Пуск синхронных двигателей.

Пуск в ход синхронного двигателя непосредственным включе­нием его в сеть невозможен, так как при включении обмотки статора в сеть создается вращающееся магнитное поле, а ротор в момент включения неподвижен, и следовательно, взаимодействия магнитных полей статора и ротора нет, т. е. двигатель   не  развивает вращающего момента. Поэтому для пуска в ход двигателя необхо­димо предварительно увеличить число оборотов ротора  его до син­хронной скорости или близкой к ней. У синхронных двигателей без пусковой обмотки среднее значение пускового момента, развиваемого двигателем, равно нулю. Объясняется это тем, что ротор, обладающий значительным моментом инерции, за полпериода не может успеть разогнаться до синхронной скорости: под действием пульсирующего момента он вибрирует в положении устойчивого равновесия и во вращение не приходит. Поэтому для пуска синхронных двигателей применяются специальные способы, наиболее распространенным из которых является асинхронный способ пуска (рис.3

Рис. 3

Сущность ко­торого заключается в следующем. В полюсных наконечниках ро­тора синхронного двигателя укладывается пусковая обмотка II, вы­полненная в виде беличьего колеса, наподобие короткозамкнутой обмотки ротора асинхронной машины. Обмотка статора двигателя включается в трехфазную сеть, и пуск его производится так же, как и пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. После того как двигатель разовьет скорость, близкую к син­хронной (примерно 95%), обмотка возбуждения включается в сеть постоянного тока и двигатель входит в синхронизм, т. е. скорость ротора увеличивается до синхронной. При пуске в ход двигателя обмотка возбуждения замыкается на сопротивление, примерно в 10—12 раз большее сопротивления самой обмотки. Нельзя обмотку возбуждения при пуске в ход оста­вить разомкнутой или замкнуть накоротко. Если при пуске в ход обмотка возбуждения окажется разомкнутой, то в ней будет индук­тироваться очень большая э. д. с, опасная как для изоляции обмот­ки, так и для обслуживающего персонала. Создание э. д. с. боль­шой величины объясняется тем, что при пуске в ход поле статора вращается с большой скоростью относительно неподвижного рото­ра и с большой скоростью пересекает проводники обмотки возбуж­дения, имеющей большое число витков. Если обмотку возбуждения замкнуть накоротко при пуске в ход, то двигатель при пуске под нагрузкой может развить скорость, близкую к половине синхронной, и войти в синхронизм не смо­жет.

   Рабочие характеристики двигателя.     Вид рабочих характеристик синхронного двигателя в значительной мере зависит от степени возбуждения машины, т.е. соотношения E₀/U₁. Изменение степени возбуждения путем регулирования тока возбуждения I_в при неизменном моменте и напряжении питания U₁ существенно сказывается на значении и фазе тока статора I₁ (рис.4а – U- образная характеристика).

Рис 4

Номинальный ток возбуждения Iв. ном обеспечивает создание результирующего магнитного потока машины, соответствующего приложенному напряжению U1, без участия МДС статора. При этом ток статора активный (φ = 0) и коэффициент мощности двигателя cosφ = 1. При недовозбуждении ( Iв< Iв. ном ) в токе статора появляется отстающая (индуктивная, φ> 0) составляющая, подмагничивающая машину. При перевозбуждении ( Iв> Iв. ном ) в токе статора появляется опережающая (емкостная, φ< 0 ) составляющая, размагничивающая машину. Это делает целесообразным использовать синхронные двигатели в режиме перевозбуждения для повышения соs φ систем энергопитания путем компенсации опережающими реактивными токами синхронных двигателей отстающих реактивных токов асинхронных двигателей или трансформаторов, включенных в ту же систему. Следует отметить, что конкретное значение Iв, при котором φ=0, тем больше, чем больше момент двигателя. На Рис 5 показаны основные рабочие характеристики синхронного двигателя в режиме перевозбуждения. Если Iв выбран таким, чтобы при Р2 = Рном коэффициент мощности cos φ был близок к максимальному (с φ< 0 ), то при уменьшении нагрузки в статоре растет реактивная опережающая составляющая и cos φ уменьшается. Кривая КПД η имеет вид, характерный для всех электрических машин.

Рабочие характеристики синхронного двигателя мощностью Pн = 560 кет при U = U_n f = f_n и i_f = i_fn, = const изображены в относительных единицах на рис.5

Рис 5

Двигатель работает с пере­возбуждением, его cos с уменьшением полезной мощности Р₂ также уменьшается, а отдаваемая в сеть реактивная мощность Q увеличивается. Отсюда следует, что перевозбуждеииые недогружен­ные синхронные двигатели в отличие от асинхронных способствуют улучшению коэффициента мощности сети. Потребляемая мощность Р₁ растет практически пропорционально Р₂. Ток I₁ растет нелинейно за счет большой реактивной составляющей, особенно при холостом ходе.

Область применения синхронных электродвигателей

Синхронные двигатели получили широкое распространение в промышленности для электроприводов, работающих с постоянной скоростью.В качестве примера использования синхронных двигателей можно назвать очень распространенные на наших предприятиях высоковольтные (6-10 кВ) компрессоры  с высоковольтными синхронным электродвигателями мощностью по 500 кВт. Можно встретить синхронные электродвигатели также в качестве привода насосов большой мощности длительного режима работы. 

Достоинства.

1.Основным достоинством синхронного электродвигателя является возможность получения оптимального режима по реактивной энергии, который осуществляется путем автоматического регулирования тока возбуждения двигателя. Синхронный двигатель может работать, не потребляя и не отдавая реактивной энергии в сеть, при коэффициенте мощности (cos фи) равным единице. В этих условиях работающий синхронный двигатель нагружает сеть только активным током. По этой причине обмотка статора синхронного двигателя рассчитывается на один активный ток (у асинхронного двигателя эта обмотка рассчитывается на активный и реактивный токи). По этой причине при одинаковой номинальной мощности габариты синхронного двигателя меньше, а его к.п.д. выше, чем асинхронного.

2.Достоинством синхронных двигателей является также меньшая, чем у асинхронных, чувствительность к изменению напряжения питающей сети. У синхронных двигателей вращающий момент про­порционален напряжению сети в первой степени, тогда как у асин­хронных— квадрату напряжения

3. Синхронные электродвигатели менее чувствительны к колебаниям напряжения сети, чем асинхронные электродвигатели. Их максимальный момент пропорционален напряжению сети, в то время как критический момент асинхронного электродвигателя пропорционален квадрату напряжения.

4. Синхронные электродвигатели имеют высокую перегрузочную способность. Кроме того, перегрузочная способность синхронного двигателя может быть автоматически увеличена за счет повышения тока возбуждения, например, при резком кратковременном повышении нагрузки на валу двигателя.

5. Скорость вращения синхронного двигателя остается неизменной при любой нагрузке на валу в пределах его перегрузочной способности.