Синхронные машины. Машины постоянного тока (стр. 14 из 42)
Ток двигателя при холостом ходе является практически реактивным По мере роста нагрузки растет активная составляющая тока, в связи с чем зависимость тока Iaот мощности Р2является нелинейной Кривая η = f(P2)имеет характер, общий для всех электрических машин. Синхронные двигатели могут работать с соsφ = 1, но обычно их рассчитывают на работу при номинальной нагрузке с опережающим током, при этом cosφном = 0,9 ÷ 0,8 В этом случае улучшается суммарный cosφ сети, от которой питаются синхронные двигатели, так как создаваемая ими опережающая реактивная составляющая тока Iакомпенсирует отстающую реактивную составляющую тока асинхронных двигателей. Зависимость cosφ = f(P2) при работе машин с перевозбуждением имеет максимум в области Р2 > Рном. При снижении Р2величина cosφ уменьшается, а отдаваемая в сеть реактивная мощность возрастает.
Рис. 1.47–Рабочие характеристики синхронного двигателя
Достоинства и недостатки синхронного двигателя в сравнении с асинхронным. Синхронные двигатели имеют следующие достоинства:
а) возможность работы при cosφ = l; это приводит к улучшению cosφ сети, а также к сокращению размеров самого двигателя, так как его ток меньше тока асинхронного двигателя той же мощности. При работе с опережающим током синхронные двигатели служат генераторами реактивной мощности, поступающей в асинхронные двигатели, что снижает потребление этой мощности от генераторов электростанций;
б) меньшую чувствительность к колебаниям напряжения, так как его максимальный момент пропорционален напряжению в первой степени (а не квадрату напряжения);
в) строгое постоянство частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.
Недостатками синхронных двигателей являются:
а) сложность конструкции;
б) сравнительная сложность пуска в ход;
в) трудности с регулированием частоты вращения, которое возможно только путем изменения частоты питающего напряжения.
Указанные недостатки синхронных двигателей делают их менее выгодными, чем асинхронные двигатели, при ограниченных мощностях до 100 кВт. Однако при более высоких мощностях, когда особенно важно иметь высокий cosφ и уменьшенные габаритные размеры машины, синхронные двигатели предпочтительнее асинхронных.
1.14 Пуск в ход синхронного двигателя
Метод асинхронного пуска. Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока электромагнитный момент будет дважды менять свое направление, т.е. средний момент за период будет равен нулю. При этих условиях двигатель не сможет прийти во вращение, так как ротор его, обладающий определенной инерцией, не может быть в течение одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска в ход синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.
В настоящее время для этой цели применяют метод асинхронного пуска. При этом методе синхронный двигатель пускают в ход как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой, выполненной по типу беличьей клетки. Обычно эту клетку изготовляют из латуни с целью увеличения сопротивления стержней При включении трехфазной обмотки якоря в сеть образуется вращающееся магнишое поле, которое, взаимодействуя с током Iп в пусковой обмотке (рис. 1.48, а), создает электромагнитные силы Fи увлекает за собой ротор. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм.
Рис. 1.48–Устройство пусковой обмотки синхронного двигателя (а) исхемы его асинхронного пуска (б, в):1-обмотка возбуждения, 2 – пусковая обмотка, 3 – ротор, 4 – обмотка якоря,5-гасящий резистор, 6 – якорь возбудителя, 7 – кольца и щетки
В настоящее время применяют две основные схемы пуска синхронного двигателя. При схеме, изображенной на рис. 1.48, б, обмотку возбуждения вначале замыкают на гасящий резистор, сопротивление которого rдоб в 8–12 раз превышает активное сопротивление rв обмотки возбуждения. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной (при s = 0,05), обмотку возбуждения отключают от гасящего сопротивления и подключают к источнику постоянного тока (возбудителю), вследствие чего ротор втягивается в синхронизм. Осуществить пуск двигателя с разомкнутой обмоткой возбуждения нельзя, так как во время разгона ротора при s> 0 в ней индуктируется вращающимся магнитным полем э. д. с.
,где Фm–амплитуда магнитного потока вращающегося поля; ωв– число витков обмотки возбуждения; f2 = f1s-частота изменения тока в обмотке возбуждения.
В начальный момент пуска при s ≈ 1 из-за большого числа витков ωвобмотки возбуждения э.д.с. Евможет достигать весьма большой величины и вызвать пробой изоляции.
При схеме, изображенной на рис. 1.48, в, обмотка возбуждения постоянно подключена к возбудителю, сопротивление которого по сравнению с сопротивлением rввесьма мало, поэтому эту обмотку в режиме асинхронного пуска можно считать замкнутой накоротко. С уменьшением скольжения до s = 0,3 4–0,4 возбудитель возбуждается и в обмотку возбуждения подается постоянный ток, обеспечивающий при s ≈ 0,05 втягивание ротора в синхронизм.
Различие пусковых схем обусловлено тем, что не во всех случаях может быть применена более простая схема с постоянно подключенной к возбудителю обмоткой возбуждения (рис. 1.48, в), так как она имеет худшие пусковые характеристики, чем более сложная схема, приведенная на рис. 1.48, б. Главной причиной ухудшения пусковых характеристик является возникновение одноосного эффекта – влияния тока, индуктируемого в обмотке возбуждения при пуске, на характеристику пускового момента.
Для анализа этого явления предположим вначале, что в двигателе отсутствует пусковая обмотка, а обмотка возбуждения замкнута накоротко. В результате при асинхронном пуске двигателя в обмотке возбуждения индуктируется э.д.с. с частотой f2 = f1s и по обмотке проходит переменный ток, создающий пульсирующее магнитное поле (обмотка возбуждения в этом случае является однофазной обмоткой переменного тока). Пульсирующее магнитное поле можно разложить на две составляющие: прямое и обратное вращающиеся магнитные поля ротора, которые характеризуются потоками Фпр и Фобр. Частота вращения каждого из этих полей относительно ротора
.Относительно статора прямое поле вращается с частотой
, (1.44)где n2 = n1(1-s) – частота вращения ротора.
Следовательно, оно вращается синхронно с полем статора; образуемый этим полем с током статора электромагнитный момент Мпр изменяется в зависимости от скольжения так же, как и в трехфазном асинхронном двигателе (рис. 1.49, кривая 2).Обратное поле ротора вращается относительно статора с частотой
, (1.45)При частотах вращения ротора n2< 0,5n1, т.е. при s> 0,5, обратное поле, как видно из формулы (1.45), перемещается относительно статора в сторону, противоположную направлению вращения ротора; при n2 = 0,5n1 это поле неподвижно относительно статора; при n2> 0,5 (т.е. при s < 0,5) оно перемещается в ту же сторону, что и ротор.
В обмотке статора обратным полем индуктируется э.д.с. с частотой f1(1–2s), для которой обмотка статора является коротко-замкнутой. При этом по обмотке статора протекает соответствующий ток. Взаимодействуя с обратным полем ротора, этот ток создает электромагнитный момент Mобр. Так как направление момента зависит от направления вращения поля nр.обр относительно статора, то из формулы (1.45) следует, что он является знакопеременным и изменение его направления происходит при s = 0,5 (рис. 1.49, кривая 3).
Таким образом, ток, индуктируемый в обмотке возбуждения при пуске двигателя, создает электромагнитный момент, который при частоте вращения, меньшей 0,5n1, является ускоряющим, а при большей частоте вращения–тормозящим.
Рис. 1.49 – Зависимость электромагнитного момента от скольжения при асинхронном пуске синхронного двигателя
Особенно резко проявляется действие обратного поля при n ≈ 0,5n1.
Наличие пусковой обмотки на роторе существенно уменьшает обратное магнитное поле и величину создаваемого им момента. Однако этот момент, складываясь с асинхронным моментом пусковой обмотки (кривая 1), создает в кривой результирующего пускового момента провал при частоте вращения, равной половине синхронной (кривая 4). Этот провал будет тем больше, чем больше ток в обмотке возбуждения. Очевидно, что включение сопротивления в цепь обмотки возбуждения (см. рис. 1.48, б) на период пуска уменьшает ток в этой обмотке и улучшает форму кривой пускового момента.