Угловая и механическая характеристики синхронного двигателя

Для синхронного двигателя можно написать такие же по виду выражения мощностей, как и для синхронного генератора. Однако применительно к двигателю они будут иметь иные значения.

У двигателя P _φ = 3 UI cos φ представляет собой мощность, потребляемую им из трехфазной сети. Вычитая из этой мощности потери мощности в обмотке якоря, получаем электромагнитную мощность, т. е. мощность, преобразуемую из электрической в механическую, развиваемую вращающимся ротором:

P _эм = P _ψ - Δ Р _я = 3 UI cos φ - 3I ² r = 3 E ₀ I cos ψ.

Электромагнитный момент синхронного двигателя может быть выражен через мощность Р _эм и угловую скорость ω = π n /30 ротора:

М = Р _эм/ω.

Заменив мощность Р _эм ее выражением, получим

(11,13)

Если из точки А векторной диаграммы (рис. 11.9, а) опустить перпендикуляр АГ на линию ОВ, то можно получить следующее равенство:

I cos ψ = U sin θ/ x _c.

Заменив I cos ψ в (11.13) его выражением, получим

(11,14)

Как видно, при постоянных значениях U, Е, ω и х _с момент двигателя прямо пропорционален sin θ. Зависимость М (θ) называется угловой характеристикой синхронного двигателя и приведена на рис. 11.10 в первом квадранте.

В пределах от θ = 0 до θ = 90° расположена устойчивая часть характеристики, называемая так потому, что именно здесь возможна устойчивая работа двигателя с различными моментами сопротивления. Любое изменение момента сопротивления М _с при работе на устойчивой части характеристики приводит к такому изменению момента двигателя М, при котором неизбежно наступает равенство моментов М и М _с . На устойчивой части характеристики расположена точка А, соответствующая номинальному режиму работы. При номинальном режиме θ_ном = 20 ÷ 30°.

Максимальный момент, который в состоянии развивать двигатель, наступает при θ = 90°:

Если момент сопротивления М _с окажется больше момента М_max, то двигатель не в состоянии будет его уравновесить и остановится.

Отношение М_max / М _ном называется перегрузочной способностью двигателя и для различных двигателей лежит в пределах 2 — 3,2.

Перегрузочная способность может быть при необходимости увеличена за счет повышения ЭДС Е ₀. Из выражения максимального момента следует, что последний и, следовательно, перегрузочная способность синхронного двигателя пропорциональны первой степени напряжения в отличие от асинхронного двигателя, у которого она пропорциональна квадрату напряжения. Из этого следует, что синхронные двигатели менее чувствительны к изменению напряжения, чем асинхронные.

Следует обратить внимание на то, что длительная нагрузка двигателей, превышающая номинальную, недопустима, так как двигатель при этом будет перегреваться. Возможная кратковременная перегрузка должна быть учтена при выборе двигателя по мощности.

Рис. 11.10. Угловая характеристика синхронного двигателя

Рис. 11.11. Механическая характеристика синхронного двигателя

Рассмотрим явления, происходящие при изменении нагрузки двигателя. Допустим, что двигатель работает с моментом М = М _с и углом θ (см. рис. 11.10), чему соответствует векторная диаграмма, изображенная на рис. 11.9, а. В результате изменения момента сопротивления, например, от М _с до М _с > М _с происходит кратковременное снижение частоты вращения ротора, что сопровождается соответствующим изменением частоты индуктированной ЭДС Е ₀ и, следовательно, частоты вращения вектора ЭДС Е ₀ на векторной диаграмме. В результате этого возратает угол сдвига фаз θ ЭДС Е ₀ относительно напряжения U и как следствие увеличиваются ток I, падение напряжения Iх _c, момент М и мощности Р _φ и Р _эм.

Перечисленные величины возрастают до тех пор, пока при некотором угле θ₁ (см. рис 11.9, б и 11.10) момент двигателя М ₁ не сравняется с моментом сопротивления М _с1. При М ₁ = М _с1 частота вращения ротора снова станет равной частоте вращения поля якоря:

n = n ₀ = 60 f / р.

При уменьшении момента сопротивления угол θ и, следовательно, значения I, Iх _c, М, P _φ и Р _эм также уменьшаются, а при θ = 0 все они, кроме I и Iх _с, оказываются равными нулю. Векторная диаграмма для случая θ = 0 дана на рис. 11.9, в Как видно, при θ = 0 двигатель потребляет чисто индуктивный ток. Нетрудно установить, что если бы двигатель был возбужден до ЭДС E ₀ = U, то при θ = 0 ток I был бы равен нулю.

Так как при изменении нагрузки двигателя происходит лишь относительно небольшое смещение ротора относительно вращающегося поля (изменение угла θ), то механическая характеристика синхронного двигателя представляется линией, параллельной оси абсцисс (рис. 11.11). Двигатель имеет постоянную частоту вращения при изменении момента вплоть до максимального значения.

Синхронные двигатели могут работать кроме двигательного режима в тормозном генераторном режиме с отдачей энергии в сеть. Генераторный режим возникает в том случае, если к валу двигателя приложить не тормозящий, а вращающий момент. Двигатель в генераторном режиме представляет собой по существу генератор, работающий параллельно с сетью. Угловая и механическая характеристики двигателя в генераторном режиме приведены соответственно на рис. 11.10 и 11.11 в третьем и втором квадрантах.