U-образные кривые и рабочие характеристики синхронного двигателя

U-образные кривые. В процессе работы синхронного двига­теля в его обмотке статора наводятся ЭДС, сумма которых ΣĖ [см. (20.29) ] приблизительно равна подведенному к обмотке статора напряжению сети Uc. Эта сумма ЭДС эквивалентна ре­зультирующему магнитному полю, вызванному действием двух магнитодвижущихся сил: возбуждения Fв ≡Iв и статора F1≡I1.

При неизменном напряжении сети Uс ≈— Σ Ё = const резуль­тирующее магнитное поле постоянно. Поэтому при изменении МДС возбуждения Fв (изменении тока возбуждения Iв) МДС статора F1 изменяется таким образом, чтобы их совместное дей­ствие оставалось неизменным, т. е. чтобы оставалось неизменным результирующее магнитное поле синхронного двигателя. Это изменение МДС Fi может происходить только за счет изменения величины и фазы тока статора İ1, т. е. за счет изменения реактив­ной составляющей тока статора Id.

Например, при увеличении тока возбуждения /в начи­ная от наименьшего его значения (Iв≈0) возрастает МДС рото­ра, при этом МДС статора уменьшается. Это уменьшение МДС происходит при уменьшении индуктивной (по отношению к на­пряжению сети (Ус) составляющей тока статора Iа, которая ока­зывает на магнитную систему подмагничивающее влияние.

При этом полный ток статора İ 1 = İ q + İ d уменьшается, а ко­эффициент мощности двигателя cosφ увеличивается. При неко­тором значении тока возбуждения /в индуктивная составляющая тока статора падает до нуля. При этом ток статора достигнет минимального (при данной нагрузке) значения, так как станет чисто активным (I1 =Iq), а коэффициент мощности cos cosφ1= l.

Увеличение тока возбуждения сверх значения Iв, т. е. перевозбуждение двигателя, вызовет увеличение тока U, но теперь этот ток будет опережающим (емкостным) по от­ношению к напряжению Uc. Таким образом, при недовозбуждении (Iв <Iв') синхронный двигатель работает с отстающим током, а при перевозбуждении (Iв > Iв') — с опережающим. Зависимость тока статора от тока возбуждения для синхронного двигателя представлена U-образными кривыми (рис. 22.5). Ток возбужде­ния Iв соответствует работе синхронного двигателя при коэффи­циенте мощности cosφ— 1. При перевозбуждении двигателя в цепи статора появляется опережающий ток.

Иначе говоря, синхронный двигатель является генератором реактивного тока: индуктивного по отношению к напряжению сети при недовозбуждении и емкостного при перевозбуждении. Указанная способность синхронных двигателей является их цен­ным качеством, которое используют для повышения коэффициен­та мощности электрических установок.

Асинхронные двигатели, являющиеся наиболее распростра­ненными потребителями электроэнергии, работают с cosφ1<l, создавая в сетях значительные индуктивные токи. Если же параллельно группе асинхронных двигателей включить один или несколько синхронных двигателей, работающих с перевозбужде­нием, то возникающая в сети емкостная составляющая тока бу­дет частичноили полностью компенсировать индуктивную со­ставляющую тока, обусловленную работой асинхронныхдвига­телей. При этом электрическая система, разгруженная от реак­тивных токов, будет работать с cos φ1≈l, что способствует уменьшению потерь электроэнергии. Необходимо, однако, отме­тить, что при перевозбуждении синхронный двигатель потребляет значительный ток статора. Поэтому синхронные двигатели, пред­назначенные для работы с перевозбуждением, имеют несколько большие габариты, а их КПД меньше, чем у двигателей, пред­назначенных для работы с cosφ1 = 1, когда ток статора и потери; двигателя имеют минимальные значения.

Аналогично синхронному генератору, включенному на парал­лельную работу с сетью (см. § 21.6), синхронный двигатель име­ет предел устойчивости при минимальном токе возбуждения (штриховая линия в левой части рис. 22.5).

Рабочие характеристики. Рабочие характеристики синхронно­го двигателя представляют собой зависимость частоты вращения ротора «2, потребляемой мощности P1, полезного момента М2, коэффициента мощности cosφ1 и тока в обмотке статора I1 от полезной мощности двигателя Р2

(рис. 22.6). Частота вращения ротора пч всегда равна синхронной частоте n1 = f160/p, поэтому график n2 = f(Р2) имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс. Полезный момент на валу синхронного двигателя М2 = Р2/ω1. Так как рабочие характеристики снимают при условии f1 = const, то график М2 = f(P2) имеет вид прямой, выходящей из начала координат. Мощность на входе двигателя Р1= Р2 +ΣP. С рос­том нагрузки на валу двигателя увеличиваются также и потери 2Р, поэтому потребляемая мощность Р1 растет быстрее полезной мощности Рч и график Р1 — f(Р2) имеет несколько криволинейный вид.Вид графика cosφ1= f(Р2) зависит от вида настройки тока возбуждения: если в режиме х. х. ток возбуждения установлен таким, что соsφ1 = 1, то с ростом нагрузки коэффициент мощно­сти снижается, если же установить cosφ1 = 1 при номинальной нагрузке, то при недогрузке двигатель будет забирать из сети реактивный опережающий ток, а при перегрузке — отстающий. Обычно устанавливают ток возбуждения таким, чтобы cosφ1= 1 при средней нагрузке (рис. 22.6). В этом случае коэффициент мощности во всем диапазоне нагрузок остается достаточно вы­соким. Если же установить ток в обмотке возбуждения синхрон­ного двигателя таким, чтобы cosφ1 =1 был при нагрузке не­сколько превышающей номинальную, то при номинальной на­грузке cos φ1≈ 0,8 и двигатель будет потреблять из сети опере­жающий по отношению к напряжению сети ток, что приведет к

Рис. 22.5. U-образные характеристики Рис. 22.6. Рабочие характеристики синхронного двигателя синхронного двигателя

повышению коэффициента мощности этой сети. В этом отноше­нии синхронные двигатели выгодно отличаются от асинхронных, работающих с отстающим по фазе током (особенно при недо­грузке двигателя) и снижающих энергетические показатели пи­тающей сети.

Ток в обмотке статора двигателя I1= P1/(m1U1cosφ1). Из этого выражения видно, что ток I1 с увеличением нагрузки на валу двигателя растет быстрее, чем потребляемая мощность Pi, вследствие уменьшения cosφ1.

Так как ротор синхронного двигателя вращается в ту же сто­рону, что и поле статора, то направление вращения ротора опре­деляется порядком следования фаз линейных проводов, подве­денных к обмотке статора, и порядком расположения фаз обмот­ки статора. Для изменения направления вращения трехфазного синхронного двигателя необходимо переключить два линейных прввода, подведенных из сети к выводам обмотки статора (см. § 9.3).

В заключение необходимо отметить, что синхронные двигате­ли по сравнению с асинхронными имеют преимущество, заклю­чающееся в том, что они могут работать с coφs1 = 1, не создавая в питающей сети индуктивных токов, вызывающих дополнитель­ные потери энергии. Более того, при работе с перевозбуждением синхронные двигатели создают в сети емкостный ток, чем способ­ствуют повышению коэффициента мощности энергосистемы в целом. Другое достоинство синхронных двигателей состоит в том) что, как это следует из (21.11), основная составляющая элек^ тромагнитного момента пропорциональна напряжению сети U1, а у асинхронных двигателей электромагнитный момент пропор­ционален U²₁ [см. (13.14)]. По этой причине при понижении на­пряжения в сети синхронные двигатели сохраняют большую пе­регрузочную способность, чем асинхронные.

К недостаткам синхронных двигателей относятся их более сложная конструкция и повышенная стоимость по сравнению, с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Кроме того, для работы синхронного двигателя требуется устройство для питания постоянным током обмотки возбуждения.

Опыт эксплуатации показал, что применение синхронных дви­гателей общего назначения наиболее целесообразно при мощно­сти 200 кВт и более в установках, не'требующих частых пусков и регулирования частоты вращения (мощные насосы, вентилято­ры, компрессоры и т. п.).