§ 6.13. СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Синхронная машина, работающая параллельно с сетью, автоматически переходит в двигательный режим, если к валу ротора приложен тормозной момент. При этом машина начинает потреблять из сети активную мощность и возникает электромагнитный вращающий момент. Частота вращения ротора остается неизменной, жестко связанной с частотой сети по соотношению п2 = п1 = 60f1/p, что является важнейшим эксплуатационным свойством синхронных двигателей.

Векторные диаграммы. По основным комплексным уравнениям синхронной машины (6.15 и 6.21) могут быть построены векторные диаграммы. Однако для синхронного двигателя в приведенные уравнения вместо напряжения машины Ú, надо подставить —Úс , так как термин «напряжение двигателя» обычно не употребляется; при этом для неявнополюсной и явнополюсной машин имеем

Рис. 6.45. Упрощенные векторные диаграммы   синхронного    неявнополюсного (а) и явнополюсного (б) двигателя

Построение векторных диаграмм (рис. 6.45, а и б) по формулам (6.45) рекомендуется начинать с изображения векторов Úc и - Úc . Затем строится вектор тока Íа , активная составляющая которого совпадает с направле нием вектора Úc , и определяется вектор É0 . При построении диаграммы для явнополюсной машины (рис. 6.45,б) нужно также (по аналогии с построением диаграммы для генератора, см. рис. 6.26, в) сначала определить направление вектора É0 , прибавив к - Úc вспомогательный вектор jÍа Xq .

Чтобы выяснить свойства синхронного двигателя, рассмотрим его работу при изменении нагрузочного момента Мвн и постоянном токе возбуждения; при этом для простоты будем пользоваться векторной диаграммой неявнополюсной машины. Допустим, что двигатель работает при cos φ = 1, чему на векторной диаграмме (рис. 6.46, а) соответствуют ток Iа1 и угол θ1. С повышением нагрузки увеличивается угол между векторами É0 и - Úc до какого-то значения θ2 , так как согласно (6.35) вращающий момент М = Мвн пропорционален sin θ. При этом конец вектора É0 перемещается по окружности с радиусом, равным Е0, и при принятых условиях (Iв = const; E0 = const; Uc = const ) вектор тока Ía2 также поворачивается вокруг точки О, располагаясь перпендикулярно вектору - jÍa2Xсн . Из диаграммы видно, что в рассматриваемом случае ток двигателя Ía2 имеет отстающую реактивную составляющую. Если нагрузка двигателя уменьшается по сравнению с исходной, то угол θ уменьшается до значения θ3. При этом ток двигателя Ía3 имеет опережающую реактивную составляющую.

Рис.   6.46.   Упрощенные   векторные   диаграммы   синхронного двигателя при изменении нагрузочного момента на валу и тока возбуждения

Следовательно, изменение активной мощности синхронного двигателя приводит к изменению его cos φ: при уменьшении нагрузки вектор тока поворачивается в сторону опережения и двигатель может работать с cos φ = 1 или с опережающим током; при увеличении нагрузки вектор тока поворачивается в сторону отставания.
Если при неизменной активной мощности изменять ток возбуждения, то будет изменяться только реактивная мощность, т. е. величина cos φ. Векторная диаграмма для этого случая изображена на рис. 6.46, б. Если двигатель работает при cos φ = 1, то этому режиму соответствует ЭДС É01 и некоторый угол θ1. При уменьшении тока возбуждения ЭДС É0 снижается до É02. Поскольку активная мощность остается неизменной, из условия Рэл = Рэм = (mUE0/Xсн )sin θ = const получаем, что Е01 sinθ1 = E02sinθ2, откуда следует, что конец вектора É0 при изменении тока возбуждения перемещается по прямой ВС, параллельной вектору Úc и проходящей через конец вектора É01. Из векторной диаграммы видно, что угол θ2 больше θ1.

Аналогично строят диаграмму при увеличении тока возбуждения. В этом случае ЭДС É0 возрастает до величины É03 и угол θ3 становится меньшим θ1. Вектор - jÍa3Xсн поворачивается вокруг точки А и соответственно ему изменяет направление вектор тока Ía3, перпендикулярный вектору - jÍa3Xсн , при этом из условия равенства активных мощностей Ia1 cos φ1 = Ia2cos φ2 = Ia3 cos φ3 конец вектора тока Ía перемещается по прямой DE, перпендикулярной вектору Uc . По диаграмме, приведенной на рис. 6.46,б, можно построить U-образные характеристики для двигателя Ia =f(Iв ), которые будут иметь такую же форму, как и характеристики для генератора (см. рис. 6,36), с тем лишь отличием, что для двигателя угол сдвига фаз φ принято отсчитывать от вектора напряжения

Рис. 6.47. Рабочие характеристики синхронного двигателя

сети Úc . При недовозбуждении ток Ía отстает от напряжения сети Úc , т. е. двигатель потребляет из сети реактивную мощность, а при перевозбуждении ток опережает напряжение сети Úc , т. е. двигатель отдает в сеть реактивную мощность.

Рабочие характеристики (рис. 6.47). Они представляют собой зависимости тока Ia , электрической мощности Р1 , поступающей в обмотку якоря, КПД η и cos φ от отдаваемой механической мощности Р2 при Uc = const, fc = const и Iв = const. Часто эти характеристики строят в относительных единицах. Поскольку частота вращения двигателя постоянна, зависимость n2 = f(P2) обычно не приводится; не приводится также и зависимость М =f(P2), так как вращающий момент М пропорционален Р2. Зависимость P1 =f(P2 ) имеет характер, близкий к линейному.

Ток двигателя при холостом ходе является практически реактивным. По мере роста нагрузки возрастает активная со­ставляющая тока, в связи с чем зависимость тока Iа от мощности Р2 является нелинейной. Кривая η =f(P2) имеет характер, общий для всех электрических машин. Синхронные двигатели могут работать при cos φ = 1, но обычно их рассчитывают на работу при номинальной нагрузке с опережающим током и cos φном =0,9 ÷ 0,8. В этом случае улучшается суммарный cos φ сети, от которой питаются синхронные двигатели, так как создаваемая ими опережающая реактивная составляющая тока Iа компенсирует отстающую реактивную составляющую тока асинхронных двигателей. Зависимость cos φ = f(P2) при работе машин с перевозбуждением имеет максимум в области Р2 > Рном . При снижении Р2 значение cos φ уменьшается, а отдаваемая в сеть реактивная мощность возрастает.

Достоинства и недостатки синхронного двигателя в сравнении с асинхронным. Синхронные двигатели имеют следующие достоинства:

а) возможность работы при cos φ = 1; это приводит к улучшению cos φ сети, а также к сокращению размеров 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 их 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 (см. § 6.14);

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 cos φ и уменьшенные габаритные размеры машины, синхронные двигатели предпочтительнее асинхронных.