Рабочие характеристики синхронных двигателей - ВСЕ О ...

Рабочие характеристики синхронных двигателей — ВСЕ О …

Устройство и принцип действия синхронного двигателя

Синхронный электродвигатель – это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Его также можно использовать в качестве генератора. Чаще всего он применяется в компрессорах, прокатных станках, поршневых насосах и другом подобном оборудовании. Рассмотрим принцип действия синхронного электродвигателя, его характеристики и свойства.

Устройство синхронного электродвигателя

Строение агрегата данного вида типично. Двигатель состоит из:

  • Неподвижной части (якорь или статор).
  • Подвижной части (ротор или индуктор).
  • Вентилятора.
  • Контактных колец.
  • Щеток.
  • Возбудителя.

Статор представляет собой сердечник, состоящий из обмоток, который заключен в корпус. Индуктор комплектуется электромагнитами постоянного тока (полюсами). Конструкция индуктора может быть двух видов – явнополюсная и неявнополюсная. В статоре и роторе расположены ферромагнитные сердечники, изготовленные из специальной электротехнической стали. Они необходимы для уменьшения магнитного сопротивления и улучшения прохождения магнитного потока.

Частота вращения ротора в синхронном двигателе равна частоте вращения магнитного поля. Независимо от подключаемой нагрузки частота ротора неизменна, так как число пар полюсов магнитного поля и ротора совпадают. Их взаимодействие обеспечивает постоянную угловую скорость, не зависящую от момента, приложенного к валу.

Принцип работы синхронного электродвигателя

Самые распространенные типы такого рода агрегатов – однофазный и трехфазный. Принцип работы синхронного электродвигателя в обоих случаях примерно одинаков. После подключения обмотки якоря к сети ротор остается неподвижным, в то время как постоянный ток поступает в обмотку возбуждения. Направление электромагнитного момента меняется дважды за время одного изменения напряжения. При значении среднего момента равном нулю, ротор под влиянием внешнего момента (механического воздействия) разгоняется до частоты, близкой по значению частоте вращения магнитного поля в зазоре, после чего двигатель переходит в синхронный режим.

В трехфазном устройстве проводники расположены под определенным углом относительно друг друга. В них возбуждается вращающееся с синхронной скоростью электромагнитное поле.

Разгон двигателя может осуществляться в двух режимах:

  • Асинхронный. Обмотки индуктора замыкаются с помощью реостата. Вращающееся магнитное поле, возникающее при включении напряжения, пересекает короткозамкнутую обмотку, установленную на роторе. В ней индуцируются токи, взаимодействующие с вращающимся полем статора. По достижении синхронной скорости крутящий момент начинает уменьшаться и сводится к нулю после замыкания магнитного поля.
  • С помощью вспомогательного двигателя. Для этого синхронный двигатель механически соединяется со вспомогательным (двигателем постоянного тока либо трехфазным индукционным двигателем). Постоянный ток подается только после того, как вращение двигателя достигает скорости, близкой к синхронной. Магнитное поле замыкается, и связь со вспомогательным двигателем прекращается.

Характеристики синхронного электродвигателя

Хотя асинхронные двигатели считаются более надежными и дешевыми, их синхронные «собратья» имеют некоторые преимущества и широко применяются в различных областях промышленности. К отличительным характеристикам синхронного электродвигателя можно отнести:

  • Работу при высоком значении коэффициента мощности.
  • Высокий КПД по сравнению с асинхронным устройством той же мощности.
  • Сохранение нагрузочной способности даже при снижении напряжения в сети.
  • Неизменность частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.
  • Экономичность.

Синхронным двигателям также присущи некоторые недостатки:

  • Достаточно сложная конструкция, делающая их производство дороже.
  • Необходимость источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя).
  • Сложность пуска.
  • Необходимость корректировать угловую частоту вращения путем изменения частоты питающего напряжения.

Однако в некоторых случаях использование синхронных двигателей предпочтительнее:

  • Для улучшения коэффициента мощности.
  • В длительных технологических процессах, где нет необходимости в частых запусках и остановках.

Таким образом, «плюсы» двигателей такого типа значительно превосходят «минусы», поэтому на данный момент они высоко востребованы.

Изучив синхронный двигатель, устройство и принцип его действия и учтя условия, в которых он будет эксплуатироваться, вы сможете быстро и с легкостью подобрать оптимально подходящий для ваших целей тип агрегата (защищенный, закрытый, открытый) и использовать его с максимальной эффективностью.

Рабочие характеристики синхронного двигателя

Работа синхронного двигателя характеризуется рабочими характеристиками (рис. 42), которые представляют собой зависимость частоты вращения ротора n2 , потребляемой мощности P1 , полезного момента M2 , коэффициента мощности cos φ, КПД η и тока в обмотке статора I1 от полезной мощности двигателя P2 при f = const (рис. 33). Частота вращения ротора n2 всегда равна синхронной частоте n2, поэтому график n2 = f(P2) имеет вид прямой параллельной оси абсцисс. Потребляемая мощность P1 = P2 + ∑P, где ∑P — мощность потерь, поэтому с увеличением потерь она растёт быстрее полезной мощности P2 и график P1 = f(P2) имеет несколько криволинейный вид. Т. к. полезный момент M2 = P2/2πf, а рабочие характеристики снимаются при условии f = const, то график M2 = f(P2) имеет вид прямой, выходящей из начала координат. Вид графика cos φ = f(P2) зависит от вида настройки тока возбуждения. Обычно синхронные двигатели рассчитывают на работу при номинальной нагрузке с опережающим током и cos φ ≈ 0,8, что приводит к повышению номинальной мощности сети. Вид графика η = f(P2) имеет характер, общий для всех электрических машин. График I1 = f(P2) показывает, что с увеличением нагрузки навалу двигателя ток I1 растёт быстрее, чем потребляемая мощность P1.

Рис. 42. Рабочие характеристики синхронного двигателя.

Достоинства синхронных двигателей:

а) возможность работы при cos φ = 1, что приводит к улучшению cos φ энергосистемы;

б) постоянство частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу;

в) малая чувствительность к колебаниям напряжения в сети.

Недостатки синхронных двигателей:

а) сложность конструкции и высокая стоимость;

б) сравнительная сложность пуска;

в) трудности с регулированием частоты вращения.

Опыт показывает, что синхронные двигатели наиболее целесообразно применять при мощности 200 кВт и выше.

3.3.4. Синхронные компенсаторы

Синхронные компенсаторы (СК) – это электрические машины большой мощности (10000÷160000) кВт, предназначенные для генерирования реактивной мощности и работающие без нагрузки (P2 = 0), т. е. в режиме х. х. СК включают в электрические системы с целью повышения коэффициента мощности, обычно до cos φ = (0,92÷0,95) (рис 43). Они вырабатывают реактивную мощность Qск, необходимую для работы потребителей Z, например группы синхронных двигателей. Благодаря этому реактивная мощность в СГ и в ЛЭП доведена до некоторого минимального значения Qmin, что способствует повышению технико-экономических показателей всей системы. СК применяют также для стабилизации напряжения в сети при передаче электроэнергии по линиям большой протяжённости. При больших индуктивностях (при больших нагрузках) напряжение в конце линии (у потребителей) оказывается намного меньше, чем в начале, а при малых нагрузках – наоборот, под влиянием ёмкостных сопротивлений линии напряжение в конце линии может повышаться по сравнению с напряжением в начале. Включенный же в конце линии (у потребителей) СК, работающий при больших нагрузках с перевозбуждением (ток сети опережает напряжение), а при малых нагрузках – с недовозбуждением, позволяет поддерживать напряжение в конце линии практически неизменным.

Рис. 43. Схема включения синхронного компенсатора (СК) в электрическую систему.

Выполняют СК обычно с горизонтальным расположением вала на напряжение (6,6÷16) кВ с числом полюсов 2p = 6 или 2p = 8, что соответствует частоте вращения ротора 1000 об/мин или 750 об/мин.

Характеристики и пусковые свойства синхронных двигателей

Характеристики и пусковые свойства синхронных двигателейМеханическая характеристика синхронного двигателя имеет вид горизонтальной прямой, т. е. частота вращения его не зависит от нагрузки (рис. 1, а). С увеличением нагрузки возрастает угол θ — угол между векторами напряжения сети Uc и ЭДС обмотки статора Е0 (рис. 1,б).

Из векторной диаграммы можно вывести формулу электромагнитного момента

где m1 — число фаз статора; ω1 — угловая скорость поля статора; U 1 — напряжение на статоре; Е0 — ЭДС, наведенная в обмотке статора; х 1 — индуктивное сопротивление обмотки статора; θ — угол между векторами намагничивающих сил статора и ротора. Из этой формулы следует, что момент изменяется в зависимости от нагрузки по синусоидальному закону (рис. 1, в).
При отсутствии нагрузки угол θ = 0, т. е. напряжение и ЭДС совпадают по фазе. Это означает, что поле статора и поле ротора совпадают по направлению, т. е. пространственный угол между ними равен нулю.

Характеристики (а, в) и векторная диаграмма (6) синхронного двигателя

Рис. 1. Характеристики (а, в) и векторная диаграмма (6) синхронного двигателя: I — ток статора; r1 — активное сопротивление обмотки статора; х1 — индуктивное сопротивление, созданное потоком рассеянии и потоком якоря

С увеличением нагрузки момент возрастает и достигает критического максимального значения при θ = 8 0° (кривая 1 ), который двигатель в состоянии создать при заданном сетевом напряжении и токе возбуждения.

Обычно номинальное значение угла θ ном (25 ≈ 30)°, что ниже критического значения в три раза, поэтому перегрузочная способность двигателя Ммакс/Мном = 1,5 + 3. Большее значение относится к двигателям с неявно выраженными полюсами на роторе, а меньшее — с явно выраженными. Во втором случае характеристика (кривая 2) имеет критический момент при θ = 65°, что вызвано влиянием реактивного момента.

Чтобы двигатель не вышел из синхронизма при перегрузках или снижении сетевого напряжения, временно можно увеличить ток возбуждения, т. е. использовать форсированный режим.

При равномерном вращении пусковая обмотка на работу двигателя не влияет. П ри изменении нагрузки происходит изменение угла θ , что сопровождается увеличением или уменьшением скорости. Тогда пусковая обмотка начинает играть роль стабилизирующей. Возникающий в ней асинхронный момент сглаживает колебания скорости ротора.

пуск синхронного двигателя

Синхронный двигатель характеризуется следующими пусковыми свойствами:

  • I *п = I п// I ном — кратностью пускового тока, протекающею по статору в начальный момент пуска;
  • М*п = Мп/Mном — кратностью пускового момента, зависящего от количества стержней пусковой обмотки и от их активного сопротивления;
  • М*вх = Мвх/Mном — кратностью входного момента, развиваемого двигателем в асинхронном режиме перед втягиванием в синхронизм при скольжении s = 0,05;
  • М*макс = Ммакс/Мной — кратностью максимального момента в синхронном режиме двигателя;
  • U *п = U п • 100/ U 1 — наименьшим допустимым напряжением на статоре при пуске, %.

Синхронный электропривод применяют в установках, не требующих частых пусков и регулировки скорости, например для вентиляторов, насосов, компрессоров. Синхронный электродвигатель имеет более высокий КПД, чем асинхронный, может работать с перевозбуждением, т. е. с отрицательным углом φ , тем самым компенсируя индуктивную мощность других потребителей.

Хотя синхронный двигатель более сложен по конструкции, требует источника постоянного тока, имеет контактные кольца, тем не менее он оказывается экономически более эффективным, чем асинхронный, особенно для привода мощных механизмов.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Глава 2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ И ЕГО НАЗНАЧЕНИЕ

Синхронные машины, как и другие электрические машины, обратимы, т.е. они могут работать как в двигательном, так и генераторном режимах. Однако электропромышленность выпускает синхронные машины, предназначенные для работы только в генераторном или только в двигательном режиме, так как особенности работы машины в том или ином режиме предъявляют различные требования к конструкции машины [6, с. 431].

Синхронные двигатели чаще работают в пусковых режимах и должны развивать больший пусковой момент, чем генераторы. Это накладывает определенные условия на конструкцию ротора: демпферную (пусковую) обмотку синхронных двигателей рассчитывают на большие токи и более длительный режим.

Для возбуждения синхронных двигателей используется электромашинная система возбуждения или тиристорная система возбуждения. В электромашинных системах возбуждения якорь возбудителя — генератора постоянного тока — соединяется с валом синхронного двигателя жестко или в тихоходных машинах — через клиноременную передачу, которая обеспечивает увеличение частоты вращения возбудителя и снижение его массы. Системы возбуждения синхронных двигателей принципиально не отличаются от систем возбуждения генераторов.

Уравнения синхронного двигателя отличаются от уравнений синхронного генератора лишь тем, что в них изменяется знак момента сопротивления.

Чтобы из генераторного режима перейти в двигательный, надо изменить знак момента сопротивления, приложенного к валу синхронной машины. Тогда изменится знак угла θ и направление активной мощности; машина начнет потреблять мощность из сети.

На угловой характеристике (рис. 6) область двигательного режима находится в зоне отрицательных углов θ. Устойчивой частью угловой характеристики в двигательном режиме является область от 0 до — 90°. Номинальный момент, соответствующий θ ном, находится в области 20-30°. Двигатель с неявнополюсным ротором имеет максимум момента при θ = — 90°:

3

Максимальный момент зависит от размера воздушного зазора двигателя. Чем больше зазор, тем меньше xd и больше М эм мах . Однако при большом зазоре растут габариты машины. Предел статической устойчивости

4

Рис. 6 Угловая характеристика синхронной машины

Удельный синхронизирующий момент, как и в генераторном режиме, максимален при θ = 0 и равен нулю при θ = 90° .

Для явно полюсного двигателя зависимость Мс , Мэм = f (0) имеет такой же вид, как и для генератора, но располагается в зоне отрицательных углов θ. [6, с. 432]

U-образные характеристики синхронных двигателей имеют тот же вид, что и для генераторов. При перевозбуждении синхронный двигатель по отношению к сети является емкостью, недовозбужденный двигатель потребляет из сети реактивную мощность, являясь по отношению к сети индуктивностью. При недовозбуждении реакция якоря в синхронном двигателе — подмагничивающая, при перевозбуждении — размагничивающая. Важное значение для исследования процессов преобразования энергии в синхронных двигателях имеют рабочие характеристики (рис. 7).

Рис. 7. Рабочие характеристики синхронного двигателя

С ростом нагрузки на валу двигателя увеличивается момент и ток в якоре, сначала по линейному закону, а затем из-за изменения параметров — по нелинейному закону. Если не изменяется If , cos φ может падать, расти или иметь максимум. Это зависит от значения If и может быть прослежено по U-образным характеристикам: при увеличении Р2 — переходе с одной U-образной характеристики на другую cos φ изменяется, так как из-за внутреннего падения напряжения кривая cos φ = 1 смещается в область больших нагрузок. При изменении If можно получить постоянное значение cos φ при разных Р2 (рис. 8). Кривая 1 на рис. 8 соответствует работе синхронного двигателя с постоянным током возбуждения в зоне недовозбуждения на U-образных характеристиках, кривая 2 – работе синхронного двигателя с перевозбуждением; кривая 3 возможна при регулировании тока возбуждения.

Рис. 8. Зависимости cos φ синхронного двигателя от нагрузки

Зависимость КПД от нагрузки такая же, как и для всех электрических машин.

Характерным отличием синхронных двигателей является постоянство частоты вращения при изменении нагрузки. Синхронные двигатели имеют предельно жесткие механические характеристики [6, с. 432].

Одним из основных недостатков синхронных двигателей являются плохие пусковые свойства, которые ограничивают их применение. Пуск синхронных двигателей может быть частотным, при помощи разгонного двигателя или синхронные двигатели могут включаться на полное напряжение сети (асинхронный пуск). Наиболее распространенным является асинхронный пуск. Вследствие наличия короткозамкнутых контуров на роторе (демпферной обмотки, массивных полюсных наконечников) ротор разгоняется до частоты вращения, близкой к синхронной. Обмотка возбуждения при асинхронном пуске закорачивается на активное сопротивление. После подхода ротора к частоте вращения, близкой к синхронной ( s ≈ 0,05), обмотка возбуждения подключается к возбудителю и осуществляется грубая синхронизация машины.

Применяется также пуск с наглухо присоединенным возбудителем. В этом случае при частоте вращения, равной (0,5 ÷ 0,7) n ном , в обмотке возбуждения синхронного двигателя начинает протекать постоянный ток и машина втягивается в синхронизм. Пуск двигателя с наглухо присоединенным возбудителем сопровождается большими бросками токов и может осуществляться, если нагрузка не превышает (0,4-0,5) М ном . Однако схема пуска с наглухо присоединенным возбудителем более простая и находит все большее применение.

При тяжелых условиях пуска мощных синхронных двигателей применяется реакторный или автотрансформаторный пуск по схемам, рассмотренным для асинхронных двигателей.

При пуске синхронного двигателя с помощью разгонного двигателя синхронный двигатель доводится до почти синхронной частоты вращения. В качестве разгонного двигателя может использоваться асинхронный двигатель, имеющий большую, чем синхронный, синхронную частоту вращения или двигатель постоянного тока, если есть сеть постоянного тока. Пуск с помощью разгонного двигателя применяется редко, так как разгонный двигатель используется только при пуске [6, с. 432].

При частотном пуске обмотка статора синхронного двигателя подключается к преобразователю частоты, который изменяет частоту от нескольких герц до номинальной частоты. При частотном пуске синхронный двигатель входит в синхронизм при малых частотах. Частотный пуск удобно использовать, если преобразователь частоты можно применять для пуска нескольких двигателей.

Сравнивая синхронные двигатели с асинхронными, следует отметить основное преимущество синхронных двигателей — возможность работать с cos φ = 1, а при перевозбуждении — и с опережающим cos φ.

Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален U, а асинхронного – U2 . Поэтому синхронные двигатели менее чувствительны к изменению напряжения сети и имеют большую перегрузочную способность. Регулирование потока возбуждения путем изменения тока возбуждения обеспечивает регулирование реактивной мощности при падении напряжения и уменьшении частоты сети.

Недостатком синхронных двигателей является их более сложная конструкция, необходимость в источнике постоянного тока и худшие по сравнению с асинхронными пусковые свойства.

При мощности двигателей от нескольких киловатт до 100 кВт проявляется еще один недостаток синхронных двигателей — склонность к качаниям. При определенном соотношении параметров синхронных двигателей ротор покачивается около синхронной частоты вращения.

Синхронные двигатели при условии легких пусков целесообразно применять при мощности свыше 200 кВт. Области применения синхронных двигателей непрерывно расширяются, и их мощности возрастают до 50 МВт.

Синхронные двигатели мощностью до 1-2 кВт выполняются с явнополюсным ротором без обмотки возбуждения. За счет различия проводимости по продольной и поперечной осям машины в таких машинах возникает реактивный момент, а асинхронный пуск обеспечивается демпферной обмоткой [6, с. 433].

На рис. 9 показаны две наиболее распространенные конструкции роторов синхронных реактивных двигателей. Четырехполюсная конструкция ротора (рис. 9, а) имеет стальной шихтованный явнополюсный магнитопровод 1 и демпферную обмотку 2. Двухполюсный шихтованный ротор, залитый алюминием, дан на рис. 9, б. Сердечник ротора 3 заливается алюминием 4, который скрепляет сердечник и образует демпферную обмотку.

Рис. 9. Конструкции роторов синхронных реактивных двигателей

Реактивные двигатели имеют низкие cos φ и КПД (η = 0,3÷0,4), их масса больше, чем у обычных трехфазных асинхронных двигателей.

Вместо электромагнитного возбуждения можно применять постоянные магниты. Серии двигателей с постоянными магнитами выпускаются на мощности от десятков ватт до нескольких киловатт. Они имеют лучшие энергетические показатели по сравнению с реактивными.

Для обеспечения пускового момента двигатели с постоянными магнитами имеют пусковую обмотку в виде беличьей клетки, залитой алюминием. Ротор из магнитотвердого материала изготовляется путем литья из специальных сплавов. Этот процесс трудоемкий, поэтому ротор имеет.

Читайте также  Стук клапанов на холодном двигателе ланос
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector