Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974

Гл а в а т р и д ц а т ь девятая

РАБОТА СИНХРОННОЙ МАШИНЫ В РЕЖИМЕ ДВИГАТЕЛЯ И КОМПЕНСАТОРА

39-1. Основные сведения о синхронном двигателе

До 1915 г. синхронный двигатель не имел промышленного значе­ ния, так как его пусковые характеристики не отвечали предъявляе­ мым требованиям. Положение дела резко изменилось уже к 1916 г., когда встал вопрос о коэффициенте мощности (cos ср) как отдельных приемников электроэнергии, так и сетей. По обстоятельствам воен­ ного времени заводы были вынуждены устанавливать асинхронные двигатели часто большей мощности, чем это требовалось условиями работы привода. Это привело к значительному снижению коэффи­ циента мощности сетей и электростанций, так как асинхронные дви­ гатели работают с тем более низким cos ф, чем меньше они нагружены. В ответ на это был введен двойной тариф на электроэнергию, а перед электромашиностроением была поставлена задача использовать синх­ ронные двигатели, которые, как будет показано, могут работать не только при cos ф = 1, но и с опережением тока по фазе относительно напряжения или с так называемым опережающим cos ф. Но для этого нужно было улучшить их пусковые характеристики в такой степени, чтобы они не служили препятствием к нормальной эксплуатации двигателя.

Поставленная задача была решена уже к 1916 г. Решение состояло в усовершенствовании ранее известного асинхронного пуска синх­ ронного двигателя. Сущность способа состоит в том, что при пуске двигатель начинает вращаться как асинхронный, а затем самостоя­ тельно синхронизируется с сетью и продолжает работать уже как сипхронный.

В настоящее время синхронные двигатели с асинхронным пуском получили широкое распространение.

39-2. Конструктивные особенности синхронного двигателя

Синхронные двигатели выполняются главным образом как явно­ полюсные; в неявнополюсном исполнении они встречаются относи­ тельно редко.

Явнополюсные синхронные двигатели выполняются в СССР на мощности от 40 до 7500 кет включительно на все стандартные напря­ жения и для скоростей вращения от 1000 до 125 об/мин. Учитывая ценное свойство синхронных двигателей — при перевозбуждении работать с опережающим cos ф — их выполняют для номинальной работы при cos ф = 1 и опережающем cos ф = 0,8. Однако в послед­ нем случае двигатель должен иметь большую намагничивающую силу ротора, и его якорь должен быть рассчитан на больший ток. Поэтому двигатели, выполненные для работы при опережающем cos ф = 0,8,

457

несколько тяжелее и дороже двигателей, работающих при cos ср = 1, а их к. и. д. несколько меньше.

Статор синхронного двигателя имеет практически ту же кон­ струкцию, что и статор генератора, только зазор между статором и ротором делается уменьшенным. При явнополюсном исполнении в полюсные наконечники двигателя закладывают специально рас­ считанную пусковую обмотку. В двигателях неявнополюсного типа роль пусковой обмотки обычно выполняют массивный сердечник ротора, металлические клинья в пазах ротора и бандажи.

Для привода быстроходных механизмов заводом «Уралэлектроаппарат» разработана серия синхронных двигателей мощностью 1300, 2000 и 3000 кет, имеющих массивный ротор со сплошными полюсными наконечниками. Отсутствие специальной пусковой об­ мотки обеспечивает большую эксплуатационную надежность таких двигателей. Пуск двигателей — асинхронный (§ 39-41 — от полного напряжения сети или с понижением напряжения до 70% номиналь­ ного.

При пуске от полного напряжения начальный пусковой ток Іа = = (4 -4- 5,5) / н, начальный пусковой момент М п = (2 -=- 3) Мн.

Двигатели с. массивными полюсами (серия ДСП) выполняются в закрытом исполнении и имеют двустороннюю радиально-осевую вентиляцию. Их весовые показатели и к. и. д. несколько лучше, чем асинхронных двигателей, работающих с той же скоростью вращения.

Возбуждение двигателей осуществляется с помощью непосред­ ственно присоединенных к ним возбудителей — машин серии ПН.

39-3. Принцип обратимости синхронных машин

Синхронные машины, как и другие типы электрических машин, обладают свойством обратимости, т. е. синхронная машина, предназ­ наченная для работы в ре­ жиме генератора, может работать в качестве двига­

теля, и наоборот.

Если в синхронном ге­ нераторе, работающем па­ раллельно с сетью, прекра­ тить подвод механической энергии от приводного двигателя, то машина бу­ дет продолжать вращаться синхронно, так как статор

и ротор будут по-прежнему упруго сцеплены между собой (рис. 39-1). Разница будет лишь в том, что при работе машины двигателем мощ­ ность подводится из сети к его.статору, магнитный поток которого является ведущим звеном системы, а поток ротора и, следовательно, ротор — ведомым звеном ее. Поэтому ось потока статора двигателя всегда опережает ось потока ротора на угол Ѳ, как это показано на модели.

458

При работе двигателя от мощной сети можно считать, что Ua = = const и / = const. Это значит, что полюсы статора на рис. 39-1 вращаются с постоянной скоростью п — 60///?. Если нагружать дви­ гатель, то ротор начнет все сильнее отставать от статора, соответ­ ственно чему будет увеличиваться упругое натяжение магнитных линий в зазоре, т. е. увеличится развиваемый двигателем вращающий момент Мш. Режим работы двигателя станет установившимся при та­ ком угле ѳ, когда врищающий и нагрузочный моменты двигателя взаимно уравновешиваются.

39-4. Асинхронный пуск синхронных двигателей

В настоящее время главное значение имеет так называемый асинхронный способ пуска синхронных двигателей. Для этого, как было сказано в § 39-2, в полюсные наконечники закладывают специ­ альную пусковую обмотку или делают ротор массивным со сплош­ ными полюсными наконечниками без специальной пусковой обмотки.

При асинхронном пуске синхронного двигателя подводимое к нему напряжение понижают при помощи дросселя или автотранс­ форматора (рис. 28-6, а и б) до

зажимах появилось бы напряжение, опасное для изоляции обмотки. Обычно в цепь возбуждения вводят последовательно с обмоткой активное сопротивление гп, превышающее сопротивление обмотки возбуждения в 10—15 раз.

Вращающееся поле якоря наводит э. д. с. и соответственно ток в пусковой обмотке или в пусковом контуре в машинах с массивным ротором (§ 39-2) и в обмотке возбуждения. Пусковая обмотка (или пусковой контур) должна быть рассчитана так, чтобы пусковые ха­ рактеристики двигателя, и прежде всего пусковой момент, отвечали требованиям, которые предъявляются к двигателю приводом.

На рис. 39-2 показаны характеристики асинхронных моментов: 1 — для тяжелых условий пуска и 2 — для облегченных. Но при этом нужно в обоих случаях обеспечить не только требуемую вели­ чину пускового момента Ма, но и необходимую величину так назы­

459

ваемого входного момента Мвх, способствующего синхронизации двигателя с сетью. Под последним понимают момент, развиваемый

ные двигатели, развивающие при пуске большой пусковой момент Ма, имеют меньший входной момент Мвх, т. е. труднее синхронизи­ руются с сетью, и наоборот.

Наряду с моментами Ма и Мвх большое значение имеет наиболь­ ший момент Мт, определяющий перегрузочную способность двига­

Ток, возникающий в обмотке возбуждения при пуске, создает на валу двигателя одноосный момент, поскольку обмотка возбуждения

Рис. 39-3. Добавочный электромагнитный момент: а — при опережении ротора, б — при совпадении магнит­ ных осей статора и ротора, в — при отставании ро­ тора

является однофазной (§ 28-2, рис. 28-4). Как правило, одноосный мо­ мент невелик и имеет только второстепенное значение.

В явнополюсных машинах при скоростях примерно 90—95% синхронной начинает действовать добавочный электромагнитный мо­ мент (обычно называемый реактивным) Мшл = Рэмл/а (§ 37-9, рис. 37-19), возникающий в результате упругости магнитных линий, проходящих через зазор из статора в ротор.

Пусть в некоторый момент времени северный полюс статора, дви­ гаясь относительно ротора в каком-нибудь направлении, например слева направо, левее полюса ротора (рис. 39-3, а). Полюс ротора, в который входят линии потока, становится южным, причем в резуль­ тате магнитного притяжения возникает сила F, стремящаяся затор­ мозить ротор. Так как поток статора вращается быстрее, чем ротор, то в один из следующих моментов времени ось поля статора прихо­ дит в совпадение с осью полюса ротора (рис. 39-3, б), а затем начинает опережать ротор (рис. 39-3, в). В первом случае F = 0, а во втором эта сила стремится ускорить ротор.

Таким образом, при асинхронном пуске реактивный момент имеет разные знаки в зависимости от взаимного расположения полюсов статора и ротора. Если нагрузка невелика, а скорость ротора близка к синхронной, то положительный реактивный момент может придать такое ускорение ротору, при котором последний перестанет отставать от поля статора и втянется в синхронизм.

460

Однако реактивный момент обычно невелик. Поэтому в обмотку возбуждения двигателя, после того как он достигнет скорости, со­ ставляющей примерно 95% синхронной, подается постоянный ток. Но в этом случае нужно добиваться таких условий, при которых поле, создаваемое током возбуждения, усиливало бы поле, создаваемое статором, т. е. в случае, показанном на рис. 39-3, в, усиливало бы южную полярность полюса ротора. В противном случае полюсы ста­ тора и ротора начнут взаимно отталкиваться, и это может дать силь ный механический толчок на валу.

Так как все эти операции должны быть выполнены с достаточной тщательностью, с трудом достижимой при ручном манипулировании, то в настоящее время асинхронный пуск синхронного двигателя про­ изводится автоматически.

39-5. Диаграмма э.д.с. синхронного двигателя

Если двигатель включен в сеть с напряжением Uc, то по закону равновесия э. д. с. оно уравновешивается в любой момент времени совокупностью э. д. с. двигателя.

Упрощенная диаграмма э. д. с. строится в предположении, что заданы: подводимое к двигателю напряжение £/с, ток Ix cos ф (ф > 0)

откладывается вектор ОА = Uc. Нап­ ряжение Uc уравновешивается суммой э. д. с. Ея — ОС, которая должна быть равна Uc по величине, но обратно нап­ равлена. Так как, согласно условию, сопротивление хСх известного можно

ОВС.

Вместо того чтобы строить векторы э. д. с., обычно строят состав­ ляющие напряжения, каждая из которых уравновешивает соответ­ ствующую э. д. с., т. е. равна последней по величине, но обратно

направлена. На рис. 39-4 вектор OD = —Èn представляет собой со­ ставляющую напряжения, уравновешивающую э. д. с. Еп, а вектор

построением составляющих напряжения — Еп т ]Дхсх. Соответственно модели на рис. 39-1 вектор подводимого к двигателю напряжения

Uc всегда опережает составляющую напряжения — Ёа на угол 0.

461

39-6. Электромагнитная мощность синхронного двигателя

Так как основная диаграмма э. д. с. синхронного двигателя прин­ ципиально ничем не отличается от такой же диаграммы для генера­ тора, то, по-прежнему пренебрегая активным сопротивлением статора гх, можно получить для электромагнитной мощности Рэмсинхронного двигателя то же выражение, что и для синхронного генератора [фор­ мула (37-4)], с той разницей, что в синхронном двигателе угол ѳ следует считать отрицательным (сопоставить рис. 37-12, б и 39-1). Физически это означает, что электромагнитный момент двигателя Мэм, соответствующий мощности Рэм, является вращающим, уравно­ вешивающим нагрузочный момент на валу, а в синхронном генераторе этот момент является нагрузочным, уравновешивающим вращающий момент приводного двигателя.

Выводы относительно синхронизирующей мощности Рсх и пере­ грузочной способности А'м [формулы (37-6) и (37-7)1, которые были сделаны выше для синхронных генераторов, целиком распростра­ няются на синхронные двигатели. Но в синхронных двигателях угол

генераторах. Это объясняется тем, что работа двигателей носит обыч­ но менее ответственный характер, чем работа генераторов.

39-7. Работа двигателя при Мэш= const и /„ = ѵаг.

\]-образные характеристики

Явления, происходящие в синхронных двигателях при изменении тока возбуждения / в, те же, что и в синхронных генераторах. Но разница та, что в,генераторе активная составляющая тока совпадает

вектор подведенного к двигателю напряжения сети £/с; OB = Ер =

= Èn — jlxcx', по закону равновесия э. д. с. векторы ОА и OB должны быть равны по величине, но направлены в противоположные стороны;

в § 37-10 Б, позволяют установить, что при увеличении возбужде­ ния и, следовательно, потока Фп до значения CD2, т. е. при перевоз­ буждении двигателя, его ток изменится до значения OD2. Следова­ тельно, в двигателе появится реактивная составляющая тока DXD2,

462

размагничивающая двигатель так, чтобы Фр = const, и являющаяся по отношению к напряжению сети U с емкостной.

При недовозбуждении двигателя в нем появляется реактивная составляющая DXD3, соответственно намагничивающая двигатель и являющаяся по отношению к Uc индуктивной.

Таким образом, перевозбуждая или недовозбуждая синхронный двигатель, можно заставить его работать либо как емкость (конден­ сатор), либо как индуктивную катушку. Особенное значение имеет первая возможность, таким путем мож-

На рис. 39-6 показан ряд U-образных характеристик при различ­ ных значениях мощности Р2. Минимум тока соответствует cos <р = 1; налево от минимума двигатель недовозбужден и работает частью как реактивная катушка; направо от минимума двигатель перевозбужден и компенсирует реактивную мощность как конденсатор. То обстоя­ тельство, что по мере увеличения нагрузки минимум тока несколько смещается вправо, объясняется так же, как и в случае генератора

(см. § 37-10Б).

39-8. Рабочие характеристики синхронного двигателя при

Мэм —ѵаг и /в = const

Физическая картина работы двигателя при переменном моменте на валу Мэм и постоянном токе возбуждения Ів та же, что и при ра­

моментов, которое имеет в основном тот же вид, что и для двигателей постоянного тока (§ 8-2).

Для суждения о работе синхронного двигателя служат его рабочие

463

Скорость вращения синхронного двигателя п = 60ftp и, следова­ тельно, остается строго постоянной при всех режимах работы ма­ шины. Соответствующая характеристика изображена на рис. 39-7 прямой 1, параллельной оси абсцисс.

Вращающий момент М.2 —Р2/м = Р2/(2шг/60) изменяется про­ порционально полезной мощности Р2 двигателя и изображается пря­ мой 4, проведенной из начала координат.

Характер изменения cos ср = / (Р2) зависит от того, какое уста­ новлено возбуждение машины. Если дать нормальное возбуждение при холостом ходе двигателя, т. е. установить при холостом ходе' cos ф = 1 (линия 1 на рис. 39-8), то при нагрузке для получения

чится режим недовозбуждения, при котором появится реактивный ток, отстающий относительно напряжения сети. Если же установить cos ф = 1 при номинальной нагрузке (линия 2), то при недогрузке двигатель забирает из сети реактивный опережающий ток, а при перегрузке — отстающий. Для возможно меньшего изменения cos ф можно установить возбуждение на некотором промежуточном значе­ нии (линия 3).

Характеристика к. п. д. л\= f (Р2) имеет обычный для всех элек­ трических машин характер. Она быстро растет при увеличении на­ грузки от 0 до PJ2, а затем мало меняется в пределах нагрузки от Рн/2 до Рн (линия 3 на рис. 39-7).

39-9. Реактивные синхронные двигатели

Реактивный синхронный двигатель имеет обычный статор с об­ моткой и ротор с явновыраженными полюсами, но без обмотки воз­ буждения и без постоянных магнитов. В этих условиях машина воз­ буждается не со стороны ротора, как обычно, а со стороны статора за счет реактивной составляющей тока, поступающей из сети в обмотку

464

статора; эта составляющая создает продольный магнитный поток, который и является потоком возбуждения двигателя.

Действие реактивного двигателя, так же как и реактивного гене­ ратора (§ 37-9), основывается на использовании добавочной элект­ ромагнитной мощности [формула (37-4)]:

1]г (xd — Х„)

пряжения сети во второй степени (так же как в асинхронных двига­

расположения магнитного 1 и немагнитного 2 материала.

Пусковой момент создается, так же как в асинхронных двигате­ лях, в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля

стоками в короткозамкнутой пусковой обмотке (рис. 39-9, а) либо

свихревыми токами в массивных частях ротора (рис. 39-9, б).

Синхронные реактивные двигатели в настоящее время являются распространенными синхронными двигателями малой мощности. Про­ стота конструкции, малая стоимость и отсутствие скользящих кон­ тактов позволили применить их для лентопротяжных механизмов (звуковое кино, звукозапись, осциллографы и др.), где требуется постоянная скорость вращения. Однако по сравнению с асинхрон­ ными двигателями они имеют ряд недостатков: большие размеры и массу, низкий к. п. д. и коэффициент мощности.

В двигателях малой мощности активное сопротивление обмотки статора довольно значительно и оказывает влияние на форму харак­

как величина активного сопротивления статора, так и форма междуіюлюсного пространства ротора.

465

Реактивные двигатели могут выполняться как для трехфазной сети, так и для однофазной. В последнем случае обмотка статора вы­ полняется двухфазной, и в одну из фаз включается фазосмещающий элемент, как было указано в § 31-1. Обычно включается конденсатор, так как это обеспечивает большой пусковой момент и повышает коэф­ фициент мощности двигателя. Возможно также применение расщеп­ ленных полюсов для создания вращающегося поля, хотя такие дви­ гатели обладают очень малым пусковым моментом, низким к. п. д.

и cos ср.

Эллиптическое вращающееся поле в реактивных двигателях приводит к увеличению шума и вибраций и часто нарушает равномер­ ное вращение ротора.

При неудачном соотношении между размерами полюсной дуги и междуполюсного пространства и малой емкости конденсатора эллип­

емкостному сопротивлению конденсатора.

В некоторых случаях применяются однофазные синхронные дви­ гатели с пульсирующим магнитным потоком. Схематическое устрой­ ство такого двигателя показано на рис. 39-10. Статор 1 имеет только два явновыраженных полюса и собирается из листовой электротехни­ ческой стали. Ротор 2 выполняется из стали и имеет число полюсов, определяемое необходимой скоростью вращения и частотой сети. Пульсирующий магнитный поток создается переменным током, про­ текающим в катушке 3. Под действием магнитных сил ротор стре­ мится занять такое положение, при котором магнитная проводимость была бы наибольшей.

Если довести ротор до синхронной скорости посторонним уси­ лием, то затем ротор будет поворачиваться магнитными силами в ука­ занное выше положение (чтобы оси полюсов ротора и статора совпа­ дали), но по инерции будет проходить это положение, чему будет спо­ собствовать также ослабление магнитного потока вследствие умень­ шения тока в катушке. В дальнейшем при возрастании тока в ка­ тушке и соответственно магнитного потока будет притягиваться уже следующая пара полюсов и т. д. Таким образом, в этом двигателе вращающий момент пульсирует с двойной частотой сети, и для полу­ чения равномерного вращения ротора необходимо увеличивать его момент инерции. Большим недостатком таких двигателей является ограниченная мощность, не более 1,5 вт.

466