Синхронный двигатель

7.2.1. Основные понятия

Синхронный двигатель отличается от асинхронного конструкцией и источником питания ротора. Статор такого двигателя питается от трехфазной сети переменного тока, а ротор посредством щеток и колец от сети постоянного тока (Рис.7.18.).

Рис.7.18.

Синхронный двигатель имеет постоянную частоту вращения, называемую синхронной частотой и заданную формулой ,

где: f – частота сети; p – число пар полюсов.

Статор синхронного двигателя аналогичен статору асинхронного, следовательно, его функция создание вращающегося с синхронной частотой ns магнитного поля.

Синхронный двигатель не имеет собственного пускового момента и должен быть разогнан до синхронной частоты с помощью внешнего привода, который может быть, например, асинхронный двигатель малой мощности.

7.2.2. Принцип действия

Принцип действия синхронного двигателя основан на эффекте притяжения разнополярных магнитных полюсов статора (N, S) и ротора (No, So).

Итак магнитное поле статора вращается с частотой ns (Рис.7.19.). Предположим, что ротор тоже вращается с частотой ns, против часовой стрелки, т.е. полюса магнитного поля ротора будут вращаться с частотой ns.

Без нагрузки магнитные оси полей статора и ротора совпадают, силы притяжения F₁ и F₂ будут радиальные и не создают никакого вращающего момента. Если возникает какой-либо момент сопротивления М_н (момент нагрузки, Рис.7.20.) на оси двигателя, то ось магнитного поля ротора поворачивается по часовой стрелке на угол Q.

Рис.7.19. Рис.7.20.

В этом случае силы F1 и F2 имею радиальные и тангенциальные составляющие, причем последние Ft1 и Ft2 создают вращающий момент М_дв и двигатель работает устойчиво при М_н = М_дв.

Можно объяснить принцип действия синхронного двигателя с помощью логической диаграммы (Рис.7.21).

1) Под действием трехфазного напряжения в каждой фазе обмотки статора протекает ток , который создает вращающийся с частотой ns магнитный поток Ф_1.

2) В обмотке ротора под действием напряжения возбуждения Uв течет ток Iв, который создает поток Фв также вращающийся с частотой ns.

3) Эти потоки наводят ЭДС и , которые складываются .

4) В тоже время потоки Ф₁ и Фв складываются образуя рабочий поток Фр.

5) Ток взаимодействуя с магнитным потоком Фр создает электромагнитные силы (ЭМС) и вращающий момент М_дв, противодействующий моменту нагрузки.

Рис.7.21.

7.2.3. Основные уравнения двигателя

Определим уравнение статора, используя эквивалентную схему и векторную диаграмму (Рис.7.22.-7.24.).

Согласно II закону Кирхгофа (Рис.7.22.), имеем:

Зная, что и пренебрегая активным сопротивлением статора Rs, получим: .

Рис.7.22. Рис.7.23. Рис.7.24.

В этом случае эквивалентная схема представлена на рис.7.23., где Xs называется синхронным сопротивлением. Векторная диаграмма (Рис.7.24.) показывает, что Q это смещение оси магнитного поля ротора по отношению к оси поля статора, а угол j это сдвиг по фазе между напряжением и током статора . Определим уравнение вращающего момента синхронного двигателя, исходя из классической формулы механики: P_ДВ= М_ДВW_s.

Пренебрегая потерями мощности можно записать, что P_ДВ= Pэл.

В свою очередь электрическая мощность трехфазного синхронного двигателя будет: Pэл= 3 U₁I₁cosj.

Воспользуемся геометрическими построениями на рис.10.24., где из треугольников Оса и abc следует ac = EosinQ = I₁Xscosj.

Отсюда и как результат получим ,

или окончательно .

Если выражение величина постоянная, то формула вращающего момента синусоидальная функция: М_ДВ= МмаксsinQ.

7.2.4. Характеристики двигателя

Угловая характеристика М_ДВ= f(Q) имеет два интервала функционирования (Рис.7.25.): I - интервал стабильной работы, II -интервал нестабильной работы.

Рис.7.25.

Когда угол Q меньше 90°, двигатель работает стабильно (т. A), то есть двигатель находится в режиме авторегулирования. Если момент нагрузки увеличивается М_н +DМ, угол Q1 увеличивается тоже Q1+ DQ. Согласно формуле вращающего момента М_ДВ также увеличится и равновесие установится в точке B. Когда угол Q больше 90°, двигатель работает нестабильно (т. D), то есть двигатель теряет синхронизм. Поэтому угол Q = 90° называется критическим. Практически величина этого угла находится в пределах от 30° до 40°. Механическая характеристика М=f(n) синхронного двигателя – это прямая линия параллельная оси X (Рис.7.26.). В таком случае частота вращения постоянна и не зависит от нагрузки. Семейство U – образных характеристик наиболее важно для промышленного применения синхронных двигателей (Рис.7.27.).

Этот рис.10.27. показывает, что существует минимальный ток возбуждения I_в.мин для каждой кривой, при котором коэффициент мощности cosj=1, и что существуют интервалы недовозбуждения и перевозбуждения. В первом интервале синхронный двигатель работает, имея характер индуктивного сопротивления, а во втором емкостного. Это свойство позволяет использовать синхронный двигатель для коррекции коэффициента мощности в промышленных установках, применяя синхронный компенсатор вместо батареи конденсаторов.

Рис.7.26. Рис.7.27.