Файл: Рекус, Г. Г. Элементы автоматизированного электропривода учебное пособие.pdf

§ 8. Механическая и угловая характеристики синхронного двигателя

Синхронные электродвигатели достаточно широко использу­ ются в электроприводах большой и средней мощности, для приво­ да исполнительных механизмов, которые требуют постоянной скорости вращения. К числу подобных механизмов относятся насосы, вентиляторы, экскаустеры, холодильные машины и т. д.

Синхронные электродвигатели имеют абсолютно жесткую механическую характеристику, обеспечивающую неизменное чис­ ло оборотов, независимо от величины нагрузки на валу.

Скорость вращения ротора синхронного двигателя строго рав­ на синхронной скорости вращающегося магнитного поля:

Отличительной особенностью синхронных электродвигателей является относительно небольшая чувствительность к изменению

Рис. 2-26. Схема асинхронного пуска синхронного электродвигателя

58

питающего напряжения. При этом момент, развиваемый синхрон­ ным двигателем пропорционален напряжению в первой степени, в то время, как момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения. Синхронный электродвигатель может ра­ ботать с высоким коэффициентом мощности и даже при опере­ жающем токе, что позволяет улучшать коэффициент мощности системы. На рис. 2,26 показана принципиальная схема включения синхронного двигателя от полного напряжения сети. Пуск син­ хронных двигателей затруднителен вследствие того, что эти дви­ гатели не имеют пускового момента. Для обеспечения возмож­ ности пуска в настоящее время при изготовлении двигателей кроме нормальной рабочей обмотки создается пусковая обмотка. Для этого в пазы полюсных наконечников ротора закладываются стержни, соединенные между собой по торцам кольцами. Наличие указанной клетки позволяет осуществлять непосредственный пуск синхронного двигателя от напряжения питающей сети, по­ добно пуску асинхронного двигателя.

Асинхронный пуск синхронного двигателя осуществляется в две стадии. Вначале обмотка статора двигателя включается в трехфазную сеть при замкнутой на сопротивление его обмотке возбуждения (I положение) во избежание появления значитель­ ной э. д. с., опасной для изоляции обмотки возбуждения. При достижении скорости вращения близкой к синхронной (и= 0,95 пх), т. н. подсинхронной скорости, обмотка возбуждения синхронного двигателя включается в цепь возбуждения, при этом обмотка возбуждения питается постоянным током и двигатель втягивает­ ся в синхронизм (2 положение). При асинхронном пуске в пуско­ вом периоде синхронный электродвигатель обладает характерис­ тиками асинхронного двигателя. В зависимости от величины активного сопротивления короткозамкнутой клетки пусковые характеристики двигателя в области подсинхронной скорости могут быть жесткими и мягкими.

С увеличением активного сопротивления пусковой клетки пусковой момент двигателя увеличивается, а момент, развивае­ мый двигателем при подсинхронной скорости, уменьшается и наоборот.

Пусковой момент двигателя должен быть по величине таким, чтобы он обеспечивал трогание механизма с места, а входной момент — вхождение двигателя в синхронизм, для этого необхо­ димо, чтобы М%х > Мс. Указанными условиями руководствуются при выборе величины активного сопротивления короткозамкнутой пусковой клетки.

59

Рис. 2-27. Пусковые характерис­ тики синхронного электродвига­ теля при асинхронном пуске

На рис. 2,27 показана пусковая характеристика синхронного двигателя при асинхронном пуске. На этой характеристике пока­ заны начальный пусковой Мп и входной М„ моменты синхрон­ ного двигателя.

Одной из важных характеристик синхронного двигателя яв­ ляется механическая характеристика (рис. 2,28). Скорость враще­ ния ротора синхронного двигателя зависит только от частоты питающего напряжения и числа пар полюсов и не зависит от нагрузки. Механическая характеристика синхронного двигателя является абсолютной жесткой и представляется в виде прямой, параллельной оси абсцисс в системе координат л, М. Однако при некотором (максимальном) значении момента нагрузки на валу синхронный двигатель не способен развить необходимый момент и выпадает из синхронизма. Области устойчивой работы синхронного двигателя видны из его угловой характеристики, под которой понимается зависимость электромагнитного момента

60

синхронной машины М от угла в (рис. 2,29) между напряжением и э. д. с.

Рис. 2-30. Векторная диаграмма напряжений син­ хронного электродвигателя

Рис. 2-29. Угловая характеристика синхронного электродвигателя

Установим связь между углом нагрузки и моментом двигателя, что обеспечивает уравнение угловой характеристики, которое мо­ жет быть получено из векторной диаграммы синхронного двига­ теля, представленной для неявнополюсной машины на рис. 2,30.

Пренебрегая электрическими потерями в обмотке статора, считая г = 0, подводимая к синхронному двигателю мощность может быть принята равной электромагнитной мощности:

где I и U — фазный ток и напряжение статора. т — число фаз обмотки статора.

При этом векторная диаграмма синхронного двигателя упрос­ тится и может быть приведена к виду рис. 2,31.

Из прямоугольного треугольника ОБД имеем: ОД = U cos q>, а из прямоугольного треугольника ОСД следует, что ОД =

— Е cos (<р— 0). Приравнивая правые части выражений для ОД, получим:

61

В результате выражение для электромагнитной мощности при­ водится к виду:

Отсюда электромагнитный момент синхронного электродвига­ теля:

Следует заметить, что в случае явнополюсной машины появ­ ляется еще дополнительный реактивный момент.

Таким образом электромагнитная мощность и электромагнит­ ный момент синхронного двигателя являются функцией угла в и изменяются по синусоидальному закону. Максимальное значе­ ние мощности и момента будут иметь место при sin в = 1, т. е. когда в = 90 :

В результате угловая характеристика синхронного двигателя представляется зависимостью:

Из зависимости (2,58) следует, что при возрастании нагрузки на валу электродвигателя будет происходить увеличение угла сдвига фаз между напряжением и э. д. с. При этом будет возрас­ тать момент, развиваемый двигателем. Устойчивый режим рабо­ ты находится в пределах 0 < в < 90 . Если статический момент нагрузки на валу станет равным или большим Мм (угол в ^ 90), двигатель выпадает из синхронизма и останавливается.

Номинальному моменту нагрузки двигателя# соответствует угол, примерно равный вя = 20 -т- 30 ; ( sin0Н= 0,35 ч- 0,5).

Поэтому перегрузочная способность синхронного двигателя нахо­ дится в пределах:

62

Тормозные режимы синхронных электродвигателей могут быть получены в режимах противовключения и динамического тормо­ жения.

Рис. 2-31. Упрощенная векторная диаграмма напряжений синхрон­ ного электродвигателя (при Г = 0)

Режим противовключения практически не применяется, так как в этом случае усложняется схема и увеличивается количество необходимой электрической аппаратуры из-за необходимости отключения двигателя при достижении скорости, равной нулю. Вместе с тем режим противовключения сопровождается значи­ тельными толчками тока, в системе питания превосходящими пусковой ток двигателя. Поэтому основным способом торможе­ ния синхронных двигателей является динамическое торможение.

При этом способе торможения обмотка статора двигателя от­ ключается от сети и замыкается на сопротивление, а обмотка ротора питается постоянным током, как и при работе в двигатель­ ном режиме. Взаимодействие магнитного потока ротора с током в обмотках статора и создает тормозной момент двигателя.

Механические характеристики синхронного двигателя в ре­ жиме динамического торможения аналогичны характеристикам асинхронного двигателя в этом режиме.

Питание обмотки ротора постоянным током может осущест­ вляться как от возбудителя, связанного с валом двигателя, так и от самостоятельного источника постоянного тока. Поэтому интенсивность торможения будет больше при питании от отдель­ ного источника постоянного тока, так как в этом случае ток воз­ буждения не зависит от скорости вращения двигателя и остается неизменным. Интенсивность торможения так же зависит от вели­ чины сопротивления статорной цепи двигателя.

63

Глава 111

РЕГУ ЛИ РО ВА Н И Е С КО РО СТИ ВРАЩ ЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

§ 1. Общие вопросы регулирования

Имеется большое число исполнительных механизмов, для которых по условию технологического процесса требуется регу­ лирование скорости их вращения.

Регулирование скорости вращения рабочей машины в боль­ шинстве практических случаев осуществляется регулированием скорости вращения соответствующего приводного электродвига­ теля, может быть периодическим и непрерывным, плавным и ступенчатым.

Применение регулируемого электропривода наряду с обеспе­ чением требований технологического производственного процесса в ряде случаев позволяет упростить кинематическую схему сис­ темы привод — исполнительный механизм, например, устранить коробку передач и т. д.

Изменение скорости вращения исполнительного механизма может быть обеспечено изменением скорости вращения привод­ ного электродвигателя и изменением передаточного числа систе­ мы передачи при сохранении скорости вращения приводного электродвигателя неизменной.

В первом случае изменение скорости вращения достигается путем ручного или автоматического воздействия на электродвига­ тель с помощью релейно-контакторной и другой аппаратуры. Этот способ вследствие ряда преимуществ (высокая экономич­ ность, плавность регулирования,, легкость осуществления авто­ матизации) в настоящее время нашел широкое применение при регулировании скорости многих производственных механизмов.

Второй способ получил сравнительно небольшое применение. Этот способ регулирования кроме изменения передаточного числа с помощью коробок скоростей в настоящее время осуществляется также с помощью электромагнитных муфт скольжения.

В ряде случаев, например, в приводах станков, оказывается целесообразным применять комбинированное регулирование с ис­ пользованием указанных двух способов.

Регулирование скорости в общем случае характеризуется ря­ дом показателей. Важным показателем является диапазон изме­ нения скорости, который определяется как отношение наиболь-

64