Угловые и U-образные характеристики синхронного двигателя

Синхронный двигатель потребляет электрическую мощность Р₁из сети. Часть этой мощности расходуется на электрические потери в обмотке якоря Р_эа и магнитные потери Р_м в статоре, а остальная её часть передается вращающимся магнитным полем от статора к ротору. Эта мощность называется электромагнитной. Электромагнитная мощность Р_эм преобразуется в механическую, развиваемую ротором. Частично мощность Р_эм расходуется на покрытие механических Р_мх и добавочных Р_д потерь. Оставшаяся ее часть Р₂ является полезной механической мощностью на валу двигателя. Указанное преобразование мощности в синхронном двигателе показано на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Энергетическая диаграмма синхронного двигателя

Уравнения для электромагнитной мощности синхронного двигателя можно получить из векторных диаграмм. Если пренебречь активным сопротивлением обмотки статора, то для двигателя будут справедливы те же выражения, что и для генератора (см. гл.3). Например, для явнополюсного двигателя электромагнитная мощность равна:

(4.1)

В неявнополюсном двигателе х_d=х_q , и поэтому вторая составляющая Р" будет отсутствовать. Электромагнитный момент получим, если (4.1) разделим на угловую скорость поля и ротора ω₁=ω:

(4.2)

В двигателе электромагнитный вращающий момент направлен в сторону вращения, тогда как в генераторе — против вращения. В явнополюсном двигателе за счет второй составляющей М" (реактивного момента) вращающий момент может создаваться и при отсутствии возбуждения I_в = 0(Е₀=0). Напомним, что в (4.1) и (4.2) угол θ следует принимать отрицательным.

Рис. 4.3. Угловая характеристика электромагнитного момента явнополюсного синхронного двигателя

На рис. 4.3 показана угловая характеристика М= f(θ) для двигательного режима (нижняя часть). Для сопоставления там же приведена аналогичная характеристика для генератора. Утолщенная часть кривой соответствует устойчивой части характеристики. Величина M_max характеризует перегрузочную способность машины. Отношение M_max/М_номназывается кратностью максимального момента. Согласно ГОСТ 183-74 эта кратность должна быть не менее 1,65. Из (4.2) видно, что M_max в синхронных двигателях прямо пропорционален подводимому напряжению Uи ЭДС Е₀.Это относится как к неявнополюсному двигателю, так и с некоторым приближением к возбужденному явнополюсному двигателю, так как у последнего M_max определяется главным образом первой составляющей. Зависимость М= f(θ), представляющая собой угловую характеристику синхронного двигателя, является его механической характеристикой. При номинальной нагрузке θ_ном =20-30°.

U-образныехарактеристики двигателя могут быть построены так же, как и для генератора (см. гл. 3). U -образные характеристики для различных значений Р (или М) представлены на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Зависимости I= f(I_в) и cos φ = f(I_в) для синхронного двигателя при различных значениях Р(М):

I – при Р_I(М_I); II – при Р_II> Р_I (М_II> М_I); III – Р_III> Р_II (М_III> М_II)

При перевозбуждении двигатель генерирует реактивную мощность непосредственно у потребителя, что способствует повышению cos φ сети. Это позволяет снизить реактивную мощность, вырабатываемую синхронными генераторами на электрических станциях, и уменьшить потери в линиях электропередачи. Возможность генерировать реактивную мощность выгодно отличает синхронные двигатели от асинхронных, которые потребляют реактивную мощность для возбуждения. Поэтому синхронные двигатели проектируются для работы при номинальной мощности с перевозбуждением (с опережающим током) и cos φ _ном=0,9. Работа с перевозбуждением предпочтительна также и для повышения максимального момента двигателя.

В соответствии с приведенными U-образными характеристиками на рис. 4.4 построены зависимости cos φ = f(I_в)при различных значениях М. Отсюда следует, что при любых нагрузках па валу синхронные двигатели могут работать с различными значениями cos φ, в том числе и с cos φ = 1. Достигается это изменением тока в обмотке возбуждения.