Синхронный компенсатор

Синхронные двигатели предназначены для привода меха­низмов, не требующих регулирования частоты вращения, таких, как насосы, вентиляторы, компрессоры, шаровые мельницы и др. Синхронные двигатели изготовляют с неявнополюсным и с явнополюсным ротором.

Неявнополюсные синхронные двигатели или турбодвига­тели выпускают с частотой вращения 3000 мин^-1 мощностью от 630 до 12500 кВт. Однако более широкое распростране­ние имеют явнополюсные синхронные двигатели с диапазоном частот вращения от 1500 до 100 мин^-1 мощностью от несколь­ких сотен до нескольких десятков тысяч киловатт. Двигатели выпускают с номинальными напряжениями 380, 660, 6000 и 10000 В.

Внешний вид синхронных двигателей серий СД2 и СДН2 представлен на рис. 4.21.

а) б)

Рис. 4.21. Внешний вид двигателя СД2 с тиристорным возбудителем (а) и двигателя СДН2 (б)

Если к валу ротора синхронной машины, работающей па­раллельно с сетью, приложить тормозной момент, то она автоматически переходит в двигательный режим. При этом двига­тель начинает потреблять из сети активную мощность и возни­кает электромагнитный вращающий момент. Частота враще­ния ротора остается неизменной, жестко связанной с частотой сети соотношением п₁ = п₂ = 60 ƒ₁/p, что является важнейшим эксплуатационным свойством синхронных двигателей.

В отличие от генератора, где поле ротора опережает поле статора на угол нагрузки θ, у двигателя ротор отстает от векто­ра результирующего поля якоря на угол θ. Поэтому в двига­тельном режиме угол θ принимают отрицательным (рис. 4.22,а). Угловая характеристика двигателя в отличие от характеристи­ки генератора соответствует отрицательным значениям θ.

(4.35)

Электромагнитный момент синхронной машины:

(4.36)

Рис. 4.22. Картина поля в воздушном зазоре синхронного двигателя (а) и угловая характеристика неявнополюсной машины (б)

На рис. 4.22,6 представлена угловая характеристика неяв­нополюсной машины в двигательном и генераторном режиме. Номинальному значению — θ_Н соответствует номинальное значение электромагнитного момента двигателя М_{эм н}. Макси­мальные моменты машины в двигательном (θ = -90°) и генера­торном (θ= 90°) режимах равны.

Основные уравнения для синхронного двигателя имеют такой же вид, как и для синхронного генератора, однако в них вместо напряжения генератора U₁, надо подставить U_c.

С учетом этого уравнение для неявнополюсного двигате­ля можно записать в виде:

. (4.37)

Поскольку у мощных синхронных двигателей активное сопротивление су­щественно меньше индуктивного, то им можно пренебречь. Тогда уравнение (4.35) упростится и примет вид:

. (4.38)

Упрощенная векторная диаграмма неявнополюсного синхронного двига­теля, построенная в соответствии с урав­нением (4.36), приведена на рис. 4.23. На диаграмме видно, что ЭДС двигателя отстает от напряжения сети на угол θ, т. е. θ < 0.

Для неявнополюсной машины, по­ложив R_a = 0, получим основное урав­нение:

. (4.39)

Рис. 4.23. Упрощенная векторная диаграмма неявнополюсного двигателя

Построение векторной диаграммы неявнополюсного двига­теля выполняется также, как и для генератора (см. радел 4.5), поскольку уравнения 4.18 и 4.39 имеют одинаковую структуру.

Уравнение угловой характеристики явнополюсного синх­ронного двигателя:

. (4.40)

Для получения уравнения электромагнитного момента вы­ражение (4.40) следует разделить на угловую частоту враще­ния ω₁.

Угловая характеристика явнополюсного двигателя отлича­ется от характеристики неявнополюсной тем, что максималь­ное значение электромагнитного момента или мощности со­ответствует углу нагрузки, несколько меньшему —90°.

Рабочие характеристики синхронного двигателя изобра­жены на рис. 4.24. Ток возбуждения при этом выбран таким, чтобы при холостом ходе двигатель имел коэффициент мощ­ности cosφ, равный единице.

С увеличением нагрузки коэффициент мощности падает, а ток становится отстающим. Если ток возбуждения выбрать так, что двигатель имеет номинальный коэффициент мощности при номинальной нагрузке и опережающем токе, то при сниже­нии нагрузки двигатель будет отдавать в сеть большую реак­тивную мощность, чем при номинальной нагрузке (cosφ < cos φ_н).

При увеличении нагрузки коэффициент мощности возрастает в связи с уменьшением опережающей реактивной составля­ющей тока, становится равным единице и затем снова умень­шается в связи с появлением отстающей реактивной составля­ющей тока.

Рис. 4.24. Рабочие характеристики синхронного двигателя

Частота вращения синхронного двигателя п₂ = n₁ = 60f₁/p остается постоянной при всех режимах работы машины. Соот­ветствующая характеристика изображена на рис. 4.24 прямой, параллельной оси абсцисс. Вращающий момент М₂ изменяет­ся пропорционально полезной мощности Р₂ двигателя и изоб­ражается прямой, проведенной из начала координат. Характе­ристика КПД η имеет обычный для электрических машин характер. Она быстро растет при увеличении нагрузки от нуля до примерно Р_2Н/2, а в пределах нагрузки от Р_1Н /2 до Р_НОМ изменяется мало.

Пуск в ход синхронных двигателей. Если синхронный двигатель, имеющий только обмотку якоря и обмотку возбуж­дения на роторе, по которой проходит ток, подключить к сети переменного тока при неподвижном роторе, то за один период электромагнитный момент изменит свое направление, а 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 в течение одно­го полупериода разогнаться до синхронной частоты вращения. Таким образом, синхронный двигатель сам по себе не име­ет начального пускового момента.

Рис. 4.25. Пусковая обмотка синхронного двигателя, расположенная на полюсах ротора

По этой причине применяют асинхронный пуск синхрон­ного двигателя. Для этой цели ротор снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой, выполненной по типу беличьей клетки (рис. 4.25). В полюсных наконечниках изго­товляют пазы, в которые помещают стержни 3, замыкающиеся сегментами 2. Чтобы увеличить сопротивление стержней, клет­ку изготовляют из латуни.

При включении трехфазной обмотки статора в сеть обра­зуется вращающееся магнитное поле Ф_Р, которое, взаимодей­ствуя с пусковым током I_п в пусковой обмотке, создает элект­ромагнитные силы F и 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. Таким образом процесс пуска синхронного двигателя состоит из двух этапов: на первом этапе подают напряжение на обмотку статора и, благодаря пусковой обмотке, машина раз­гоняется до так называемой подсинхронной скорости в режи­ме асинхронного двигателя. На втором этапе в обмотку воз­буждения подают ток, возникает магнитный поток ротора, бла­годаря которому ротор втягивается в синхронизм и вращается с синхронной частотой.

Применяют две основные схемы пуска синхронного двига­теля. В схеме, изображенной на рис. 4.26,а, обмотку возбуж­дения 4 вначале замыкают на гасящий резистор 5, сопротивле­ние которого превышает в 8... 12 раз активное сопротивление обмотки возбуждения. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной (при s ≈0,05), обмотку возбужде­ния отключают от гасящего резистора и подключают к источ­нику постоянного тока — возбудителю 6, 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 ЭДС, которая из-за большого числа витков обмотки возбуждения может достигать весьма большой вели­чины и вызвать пробой изоляции. В качестве возбудителя используется либо генератор постоянного тока, либо, чаще, тиристорный возбудитель, представляющий собой управляемый выпрямитель (рис. 4.26,б).

Рис. 4.26. Схемы пуска и возбуждения синхронных двигателей

В более простых схемах пуска обмотка возбуждения по­стоянно подключена к возбудителю, сопротивление которого по сравнению с сопротивлением R_B весьма мало, поэтому эту обмотку в режиме асинхронного пуска можно считать замкну­той накоротко. С уменьшением скольжения возбудитель всту­пает в действие, и в обмотку возбуждения ротора подается постоянный ток, обеспечивающий при s ≈0,05 втягивание рото­ра в синхронизм.

Синхронные двигатели обладают рядом преимуществ по сравнению с асинхронными. К ним относятся:

— возможность работы при cosφ = 1, что приводит к улучше­нию коэффициента мощности сети, а также к уменьшению размеров двигателя, так как ток его статора меньше тока статора асинхронного двигателя той же мощности;

— постоянство частоты вращения ротора независимо от на­грузки на валу (в пределах допустимых значений);

меньшая, в сравнении с асинхронными двигателями, чувст­вительность к колебаниям напряжения сети: момент асин­хронного двигателя зависит от квадрата напряжения, тогда как синхронного — от первой степени напряжения сети. К недостаткам синхронных двигателей, в сравнении с асин­хронными, относятся сложность конструкции и большая стои­мость; сравнительная сложность пуска в ход, сложность регу­лирования частоты вращения.