Что такое v образные характеристики синхронных двигателей

V — образные характеристики синхронного двигателя.

Синхронный компенсатор представляет собой синхронный двигатель, работающий без нагрузки на валу; при этом по обмотке якоря проходит практически только реактивный ток. Синхронный компенсатор может работать в режиме улучшения cos φ или в режиме стабилизации напряжения.

Рис. 6.55. Векторные диаграммы синхронного компенсатора: а — в режиме улучшения cos φ сети; б, в, г — в режиме стабилизации напряжения.

Пуск синхронного двигателя.

В виду отсутствия пускового момента в синхронном двигателе для пуска его используют следующие способы:

Пуск с помощью вспомогательного двигателя.

Асинхронный пуск двигателя.

Пуск с помощью вспомогательного двигателя.

Пуск в ход синхронного двигателя с помощью вспомогательного двигателя может быть произведен только без механической нагрузки на его валу, т.е. практически вхолостую. В этом случае на период пуска двигатель временно превращается в синхронный генератор, ротор которого приводится во вращение небольшим вспомогательным двигателем. Статор этого генератора включается параллельно в сеть с соблюдением всех необходимых условий этого соединения. После включения статора в сеть вспомогательный приводной двигатель механически отключается. Этот способ пуска сложен и имеет к тому же вспомогательный двигатель.

Асинхронный пуск двигателя.

Наиболее распространенным способом пуска синхронных двигателей является асинхронный пуск, при котором синхронный двигатель на время пуска превращается в асинхронный. Для возможности образования асинхронного пускового момента в пазах полюсных наконечников явнополюсного двигателя помещается пусковая короткозамкнутая обмотка. Эта обмотка состоит из латунных стержней, вставленных в пазы наконечников и соединяемых накоротко с обоих торцов медными кольцами.

При пуске в ход двигателя обмотка статора включается в сеть переменного тока. Обмотка возбуждения (3) на период пуска замыкается на некоторое сопротивление Rг, рис. 45, ключ К находится в положении 2, сопротивление Rг = (8-10)Rв. В начальный момент пуска при S=1, из-за большого числа витков обмотки возбуждения, вращающее магнитное поле статора наведет в обмотке возбуждения ЭДС Ев, которая может достигнуть весьма большого значения и если при пуске не включить обмотку возбуждения на сопротивление Rг произойдет пробой изоляции.

Рис. 45 Рис. 46.

Процесс пуска синхронного двигателя осуществляется в два этапа. При включении обмотки статора (1) в сеть в двигателе образуется вращающее поле, которое наведет в короткозамкнутой обмотке ротора (2) ЭДС. Под действием, которой будет протекать в стержнях ток. В результате взаимодействия вращающего магнитного поля с током в коротко замкнутой обмотке создается вращающий момент, как у асинхронного двигателя. За счет этого момента ротор разгоняется до скольжения близкого к нулю (S=0,05), рис. 46. На этом заканчивается первый этап.

Чтобы ротор двигателя втянулся в синхронизм, необходимо создать в нем магнитное поле включением в обмотку возбуждения (3) постоянного тока (переключив ключ К в положение 1). Так как ротор разогнан до скорости близкой к синхронной, то относительная скорость поля статора и ротора небольшая. Полюса плавно будут находить друг на друга. И после ряда проскальзываний противоположные полюса притянутся, и ротор втянется в синхронизм. После чего ротор будет вращаться с синхронной скоростью, и частота вращения его будет постоянной, рис. 46. На этом заканчивается второй этап пуска.

Конструктивные элементы

Устройство синхронного электропривода основано на использовании свойств трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле. Поэтому его конструктивное исполнение предусматривает включение следующих основных частей:

• индукторное колесо (или индуктор, статор) – стационарный узел мотора;
• ротор (или якорь) – подвижный механизм.

Каждый компонент состоит из ряда более мелких элементов, тесно взаимодействующих между собой. Индуктор имеет структуру аналогичную асинхронному приводу и содержит:

• корпус;
• шарикоподшипники, поддерживающие якорь;
• опоры, фиксирующие положение подшипников и являющиеся завершением корпуса;
• вентилятор, предназначенный для охлаждения электродвигателя;
• кожух, служащий для защиты от вращающегося вентилятора.

Дополнительно имеется коробка для электрических соединений, которая находится сбоку от корпуса статора. В корпусе расположен шихтованный металлический сердечник. Термин «шихтованный» подразумевает под собой набор из тонких (толщиной 0,3-0,5 мм) стальных пластин с изоляцией друг от друга. Наружные полосы имеют выштампованные пазы для фазных обмоток.

Размеры и конструкция индукторного колеса может быть разной: в виде цельного или собранного из отдельных сегментов цилиндра. Конструктивное исполнение корпуса зависит от мощности и габаритов электромотора. Для малых машин выполняется неразъемное изделие с запрессованным статором, для мощного электрооборудования предусматривается сборный вариант. Это упрощает перевозку, установку на рабочее место и эксплуатацию электрического двигателя.

Роторный механизм предназначен для возбуждения синхронного двигателя (СД), поэтому содержит сердечник либо с постоянными магнитами (у маломощных электроприводов), либо с электромагнитами. Аналогично индуктору ротор может быть сборным или цельным. У мотора, рассчитанного на большие скорости (3000, 1500 об/мин.), роторная обмотка равномерно распределена по поверхности цилиндрического якоря. Такой электропривод называется неявнополюсным. У тихоходного СД (до 1000 об/мин) на роторе выполнены полюса с катушками возбуждения, поэтому он носит название явнополюсного.

В синхронном двигателе неявнополюсного типа якорь представляет собой стальной цилиндр, по длине которого выполнены пазы для укладки роторной электроцепи. В зависимости от конструкции он может быть кованым сразу соединенным с валом, или представлять собой отдельное изделие, напрессованное на вал. Для защиты от центробежной силы система возбуждения синхронного привода прикрывается стальными немагнитными кольцами.

Электрический двигатель с явнополюсным ротором отличается иным расположением якорных электроцепей. В этом случае якорь имеет закрепленный на валу машины магнитопровод. На магнитопроводе находятся полюса с полюсными наконечниками, на которых расположена электрическая роторная обмотка. Система возбуждения синхронного электромотора также содержит соединяющие элементы в виде колец, установленных на валу, и прижатые к ним неподвижные электрические щетки.

По мере вращения кольца скользят по щеткам, обеспечивая скользящий электроконтакт. Аналогичный щеточный узел имеет асинхронный эл/двигатель с фазным ротором. Различие состоит только в количестве контактных колец и щеток. Фазная обмотка якоря асинхронной машины требует три контактных кольца, тогда как синхронной всего два.

V — образные характеристики

V- образные характеристики представляют собой зависимость тока якоря I

и коэффициента мощности
cosj
двигателя от тока воз­буждения
i
в при постоянных значениях напряжения обмотки якоря
U
и его частоты
f
и постоянной отдаваемой механической мощности
P2
. Эти характеристики отражают важную особенность синх­ронных двигателей
—возможность регулирования их реактивной мощности и cosj
.

Рассмотрим V — образные характеристики двигателей на при­мере неявнополюсной машины. Необходимые пояснения даны с помощью упрощенных векторных диаграмм синхронного двигателя, представленных на рис. 12.3.

Если принять потери в обмотке и стали якоря, механические и добавочные потери постоянными, то при P

2= const подводимая к обмотке якоря мощность также постоянна,
P
1=
mUIcosj
= const, и, следовательно, активная составляющая тока якоря также неизменна —
I
а=
Icosj
=const. Поэтому на векторной диаграмме (рис.12.3) конец вектора тока якоря
I
при разных значениях тока возбуждения
i
в скользит по прямой АВ. Для каждого значения
I
величина
iв
может быть определена из уравнения токов синхронной машины , отра­жающего уравнение МДC . Так,
iв
d пред­ставляет собой результирую­щую МДС в зазоре
Fd
в масштабе тока возбуждения,
I¢
— МДС реакции якоря
F¢
a в масштабе тока возбуждения или приведенный ток якоря. Ток возбуждения прямо пропорционален МДС
F
в обмотки возбуждения.

Величина iв

d может быть определена по результирующей ЭДС
E
d обмотки якоря , индуктированной резуль­тирующим магнитным полем воздушного зазора. Если пренебречь для простоты сопротивлениями рассеяния
x
sa= 0 и активным
r
a= 0, то и, следова —

Рис. 12.3. Упрощённые векторные диаграммы синхронного двигателя

тельно, i

вd »
const
. Вектор , как и вектор результирующего потока в зазоре , опережает на 90 о . Вектор совпадает по направлению с током якоря, и конец его скользит по прямой A’B’, параллельной линии АВ, так как
I’
прямо пропорционален току якоря.

На рис. 12.3 построены векторные диаграммы токов для четырёх то­чек V

-образной характеристики и получены токи возбуждения для соответствующих им токов якоря. Для точки 1 на рис.12.3 вы­полнено также построение векторной диаграммы напряжений по урав­нению , где
Е
— ЭДС, индуктированная в обмотке якоря полем обмотки возбуждения;
x
c — синхронное индуктивное сопротивление.

Основные виды СД

Классификация синхронных двигателей может производиться относительно разных факторов. В зависимости от рабочего режима электроприводы представляют собой:

• электромеханические приводы – двигательные режимы;
• генераторные устройства – генераторный режим.

В разделе выше было рассмотрено, как работает синхронный двигатель в двигательном режиме, и из каких структурных элементов он состоит. Конструктивное исполнение генератора аналогично, разница заключается в основном в режиме работы. Схема включения с синхронным генератором для работы совместно с сетью представлена на рисунке:

Генератор синхронного типа является симметричным трехфазным источником электроэнергии. Он преобразует механическую энергию приводного механизма в электрическую энергию трехфазного тока. К индуктору генератора подключается потребитель электроэнергии, либо статор подключается к электросети для совместной параллельной работы с другими трехфазными агрегатами. Обмотка возбуждения генератора, подключенная к сетевому питанию (возбудителю) с напряжением 220в (или другими параметрами), создает постоянный магнитный поток, который замыкается в магнитной цепи СД следующим образом:

Принцип работы синхронного двигателя, его мощность, схема подключения ложатся в основу при построении разных электрических агрегатов. В связи с этим различают следующие виды синхронных машин:

• гидрогенератор, вырабатывающий электроэнергию от гидравлических турбин;
• турбогенератор, работающий совместно с паровой или газовой турбиной;
• электрооборудование для повышения коэффициента мощности электротехнических установок или для стабилизации напряжения в сети;
• ударный генератор, служащий для кратковременного использования в режиме короткого замыкания;
• установка двойного питания, обеспечивающая несинхронные рабочие режимы;
• сельсин, представляющий собой маломощное устройство, выполняющее функции датчика угла поворота.

Это далеко не все технические установки, где используются разные типы синхронных устройств.