Чернышев А.Ю., Дементьев Ю.Н., Чернышев И.А. Электропривод переменного тока

Подождите немного. Документ загружается.

181

ной является номинальный угол сдвига

3025θ ÷= , которому соответ-

ствует номинальный момент

M .

max

Рис. 6.5. Угловая характеристика неявнополюсного синхронного двигателя

Синхронный двигатель является обратимой машиной, то есть он

может работать во всех основных энергетических режимах: двигатель-

ном, генераторном параллельно с сетью и независимо от сети, так как

его возбуждение обеспечивается независимой обмоткой.

Пример 6.1. Рассчитать и построить угловую и механическую ха-

рактеристики неявнополюсного синхронного двигателя серии СТДП-

6300-2УХЛ4.

Технические данные двигателя:

•

номинальная мощность

P = 6300 кВт;

•

номинальное фазное напряжение

6000

н1

В;

•

номинальная частота вращения

0н

= 3000

миноб

;

•

перегрузочная способность двигателя по моменту 2,2

max

;

•

номинальный КПД % 4,97η

;

•

индуктивное сопротивление обмотки статора 3,7

X Ом.

Решение. Найдем синхронную угловую скорость двигателя

15,314

30001415,3

ωω

н0

⋅

срад .

Определим номинальный момент двигателя

114,20054

15,314

6300000

===

мН

⋅

182

Максимальный момент двигателя при номинальном напряжении

питающей сети

44119114,200542,2

max

⋅

=M мН

⋅

Номинальная ЭДС двигателя

5700600095,095,0

н1н1

⋅

= UE

В.

Уравнение угловой характеристики неявнополюсного синхронного

двигателя

θsin,147394θsin

3,7314,15

570060003

θsin

⋅=⋅

⋅

⋅⋅

⋅

⋅⋅

Угловая характеристика в соответствии с полученным выражением

представлена на рис. 6.6,

а. Статическая механическая характеристика

синхронного двигателя приведена на рис. 6.6,

б.

40000

20000

100

200

300

1000

−

срад

н эл.

мН

⋅

мН ⋅

рад

40000

20000

100

200

300

1000

−

срад

н эл.

мН

⋅

мН ⋅

рад

Рис. 6.6. Угловая (а) и механическая (б) характеристики

неявнополюсного синхронного двигателя

Номинальный угол θ , определенный по угловой характеристике

синхронного двигателя, составляет

,9226θ

эл.н

. Статическая механи-

ческая характеристика синхронного двигателя – прямая линия, парал-

лельная оси абсцисс.

6.3. Электромеханические свойства

явнополюсных синхронных двигателей

Основное большинство серийно выпускаемых синхронных двига-

телей выполняются с явнополюсным ротором, на котором размещена

обмотка возбуждения. Питание обмотки возбуждения осуществляется че-

рез контактные кольца от источника постоянного напряжения, а трехфаз-

ная обмотка статора подключается к сети переменного напряжения.

Двухфазная схема замещения такой машины [20] представлена на рис. 6.7.

183

−

1 a

•

эл

−

1 a

•

эл

Рис. 6.7. Схема включения двухфазного синхронного двигателя

с явнополюсным ротором

Как следует из рис. 6.7, обмотки фаз статора двухфазного синхрон-

ного двигателя питаются от двух источников переменного напряжения,

фазы которых сдвинуты на 90 эл. град.:

11max 0э

sin ω ;

UU t

⋅

11max 0э 1max 0э

sin ω cosω ,

UU t U t

⎛⎞

=⋅−=−⋅⋅

⎜⎟

⎝⎠

(6.7)

где

10э

π2ω f⋅⋅= – угловая частота питающего напряжения.

Обмотка возбуждения синхронного двигателя размещена на явно-

полюсном роторе, симметричном относительно оси

d, и подключена

к источнику постоянного напряжения

u .

Уравнение угловой характеристики явнополюсного синхронного

двигателя определяется уравнением

эл

110

эл11

θ2sin

ω2

θsin3

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⋅

⋅⋅⋅

dqd

, (6.8)

где

– индуктивное сопротивление обмотки статора синхронного

двигателя по продольной оси

– индуктивное сопротивление об-

мотки статора синхронного двигателя по поперечной оси

Анализ уравнения (6.8) показывает, что электромагнитный момент

синхронной явнополюсной машины состоит из двух составляющих,

первая из которых представляет электромагнитный момент

M , возни-

кающий в результате взаимодействия полей статора и ротора, вторая

составляющая – реактивный момент

M , возникающий из-за несиммет-

рии магнитной цепи машины и связанного с ней стремления ротора

184

ориентироваться по оси поля статора. Вследствие явнополюсности ма-

шины энергия магнитного поля максимальна при любом из двух воз-

можных соосных с полем статора положений ротора, что и определяет

зависимость реактивного момента от двойного угла

эл

θ . Угловая харак-

теристика синхронной машины с явнополюсным ротором приведена на

рис. 6.8. Анализ ее показывает, что увеличение угла

эл

θ вызывает на

начальном участке рост электромагнитного момента, близкий к линей-

ному. При номинальном электромагнитном моменте угол

ном эл.

обыч-

но составляет 20–30 градусов. Перегрузочная способность синхронной

машины с явнополюсным ротором

нmaxmax

λ MM 2–3 о. е. Реак-

тивный момент синхронной машины с явнополюсным ротором увели-

чивает крутизну рабочего участка угловой характеристики и повышает

перегрузочную способность двигателя.

max

M−

θ0

−

θsin

max1

θ2sin

max2

⋅M

Рис. 6.8. Угловая характеристика явнополюсного синхронного двигателя

Явнополюсная синхронная машина развивает момент даже при от-

сутствии тока возбуждения – за счет реактивного момента. Это свойство

синхронной машины легло в основу создания синхронных электропри-

водов без возбуждения на базе

синхронных реактивных двигателей.

У этих машин индуктивные сопротивления по продольным и попереч-

ным осям различаются значительно, что и создает достаточный по ве-

личине реактивный момент на валу двигателя [6].

Пример 6.2. Рассчитать и построить угловую и механическую ха-

рактеристики явнополюсного синхронного двигателя серии СДКП2-16-

29-10КУХЛ4.

Технические данные двигателя:

•

номинальная мощность

P = 500 кВт;

•

номинальное линейное напряжение 6000

н1

U В;

•

номинальная частота вращения

0н

= 600 миноб ;

•

номинальный ток статора 57

н1

I А;

185

• номинальный КПД % 94η

;

•

номинальный коэффициент мощности

cos

= 0,9

•

кратность пускового момента 8,0

== k

;

•

перегрузочная способность двигателя по моменту

0,2

max

== k

;

•

кратность момента, развиваемого двигателем в режиме асинхрон-

ного пуска при

05,0=

, ;5,1

05,0

•

кратность пускового тока 0,5

1н

;

•

момент инерции ротора

10,530 ⋅=J

мкг

⋅

;

•

индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси d

2,31

x Ом;

•

индуктивное сопротивление обмотки статора по поперечной оси q

4,19

x Ом.

Решение. Найдем синхронную угловую скорость двигателя

83,62

6001415,3

ωω

н0

⋅

миноб .

Определим номинальный момент двигателя

98,7957

83,62

500000

===

мН

⋅

Максимальный момент двигателя при номинальном напряжении

питающей сети

96,1591598,79570,2

max

⋅

=M мН

⋅

Номинальное фазное напряжение двигателя

1,3464

6000

н1

===

В.

Номинальная фазная ЭДС двигателя

89,3290

600095,0

95,0

н1

⋅

В.

186

Уравнение угловой характеристики явнополюсного синхронного

двигателя (5.74)

.θ2sin5601θsin17446

θ2sin

2,31

4,19

83,622

1,34643

θsin

2,3183,62

89,32901,34643

θ2sin

ω2

θsin3

элэл

эл

110

эл11

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⋅

⋅⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⋅

⋅⋅

dqd

Угловая характеристика явнополюсного синхронного двигателя

в соответствии с полученным выражением представлена на рис. 6.9.

−

π-

рад

10мН ×⋅

2−

Рис. 6.9. Угловая характеристика

явнополюсного синхронного двигателя СДКП2-16-29-10КУХЛ4

1000

−

срад

мН⋅

1000

−

срад

мН⋅

Рис. 6.10. Статическая механическая характеристика

синхронного двигателя

187

Анализ рис. 6.9 показывает, что номинальный момент

98,7957

мН ⋅

синхронный двигатель СДКП2-16-29-10КУХЛ4

развивает при номинальном угле сдвига 4,0θ

рад (22,9 град). Реак-

тивная составляющая момента явнополюсного синхронного двигателя

(кривая 1) соизмерима с активной составляющей (кривая 2) и сущест-

венно влияет на форму результирующей характеристики (кривая 3).

Статическая механическая характеристика синхронного двигателя

приведена на рис. 6.10.

Статическая механическая характеристика явнополюсного син-

хронного двигателя представляет собой прямую линию, параллельную

оси абсцисс. Номинальный момент синхронного двигателя

, момент с

которым синхронный двигатель может работать сколь угодно долго

без перегрева, составляет

98,7957

мН

⋅

. Максимальный момент

двигателя при номинальном напряжении питающей сети

96,15915

max

=M мН ⋅ .

6.4. Пуск и синхронизация синхронных двигателей

Пуск и синхронизация синхронных двигателей различается в зави-

симости от особенностей технологического процесса, в котором участ-

вует электропривод. Различают легкий и тяжелый пуск синхронного

двигателя. Легкий пуск синхронного двигателя происходит при малых

моментах инерции электропривода

J и малых моментах сопротивле-

ния

M на валу электродвигателя. Тяжелый пуск осуществляется при

относительно больших моментах инерции электропривода

J и момен-

тах сопротивления

M . Тяжелый пуск осуществляется за значительное

время, и вхождение двигателя в синхронизм усложняется.

Для мощных двигателей схемы силовых цепей практически сведе-

ны с незначительными вариациями к одной, принципиальная схема ко-

торой приведена на рис. 6.11.

Пуск синхронного двигателя осуществляется в асинхронном режи-

ме. В большинстве случаев синхронный двигатель мощностью до не-

скольких

сотен киловатт пускают прямым включением в сеть. Крат-

ность пускового тока при прямом пуске

1н

=÷.

При пуске синхронных двигателей мощностью несколько мегаватт

возникает необходимость ограничения пусковых токов. Способы огра-

ничения пусковых токов вытекают из уравнения тока короткого замы-

кания асинхронного двигателя

188

σ2σ1

кз2

)()( XXRR

+++

, (6.9)

где

– фазное напряжение обмотки статора синхронного двигателя в

режиме асинхронного пуска;

σ11

, XR – активное сопротивление и ин-

дуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора;

σ2

, XR – актив-

ное сопротивление и индуктивное сопротивление рассеяния обмотки

ротора, приведенные к обмотке статора.

кВ 6

1VS

2VS

2VD1VD

3VD 4VD

5VD

6VD

•

LLL

1KM 1KM 1KM 2KM 2KM 2KM

8...3 VSVS

1TV

В 380

•

••

•

••

кВ 6

1VS

2VS

2VD1VD

3VD 4VD

5VD

6VD

•

LLL

1KM 1KM 1KM 2KM 2KM 2KM

8...3 VSVS

1TV

В 380

•

••

•

••

Рис. 6.11. Схема силовых цепей синхронного двигателя

Из анализа выражения для тока короткого замыкания (6.9) вытека-

ют три возможных способа токоограничения при асинхронном пуске

синхронного двигателя:

•

введение на время пуска добавочного активного сопротивления

доб1

в цепи обмоток статора;

•

введение на время пуска добавочного реактивного сопротивления

доб1

в цепи обмоток статора;

•

кратковременное уменьшение на время пуска фазного напряжения

обмоток статора.

189

Наиболее часто токоограничение при пуске синхронных двигателей

осуществляется использованием реакторов

, включаемых в цепи обмоток

статора. В некоторых случаях вместо реакторов

применяются активные

резисторы. Кратковременное понижение напряжения обмоток статора дос-

тигается включением в схему трансформаторов или автотрансформаторов.

Вариант схемы ограничения тока статора при пуске синхронного двигателя

с применением автотрансформатора приведен на рис. 6.12.

кВ 6

2KM 2KM2KM

1KM 1KM 1KM

•

3KM

1VT

кВ 6

2KM 2KM2KM

1KM 1KM 1KM

•

3KM

1VT

Рис. 6.12. Схема силовых цепей синхронного двигателя

с автотрансформаторным ограничением пускового тока

Статические электромеханические характеристики, поясняющие

процесс пуска синхронного двигателя с токоограничением, приведены

на рис. 6.13.

кз1

пер1

кз.и1

Рис. 6.13. Статические электромеханические характеристики,

поясняющие процесс пуска синхронного двигателя

190

Пуск двигателя начинается по характеристике 1, с добавочной ин-

дуктивностью

в цепи обмотки статора или пониженном напряжении

обмотки статора. По истечении некоторого времени, когда пуско-

вой ток уменьшится до тока переключения

пер1

I , добавочные индуктив-

ности (рис. 6.11) из цепи обмотки статора выводятся, и процесс пуска

продолжается по характеристике 2.

При пуске в асинхронном режиме импульсы управления на тири-

сторы 8...3 V

не подаются и напряжение управляемого выпрямителя

равно нулю. В обмотке возбуждения синхронного двигателя индуциру-

ется переменная ЭДС скольжения, под действием которой через стаби-

литроны 1VD , 2VD и 3VD , 4VD открываются вспомогательные тири-

сторы 1V

и 2V

. В процессе асинхронного пуска обмотка возбужде-

ния синхронного двигателя закорачивается на разрядное сопротивление

. Когда двигатель достигает скорости, близкой к подсинхронной, ЭДС

скольжения уменьшается, уменьшается и напряжение на управляющих

электродах тиристоров 1V

, 2V

и они перестают включаться. Разряд-

ное сопротивление отключается от обмотки возбуждения. После чего в

обмотку возбуждения подается постоянный ток от управляемого вы-

прямителя 3V

…8V

Пусковая беличья клетка синхронного двигателя рассчитана на

кратковременный режим работы, как правило, 20

50 с, длительная ра-

бота в асинхронном режиме недопустима. Кроме обеспечения режима

пуска, беличья клетка играет роль демпфирующей обмотки, стабилизи-

руя переходные процессы при работе двигателя в синхронном режиме.

6.5. Регулирование тока возбуждения синхронных двигателей

Электроприводы с синхронными двигателями можно разделить на

три класса из условий формирования нагрузок: электроприводы с неиз-

менной или медленно меняющейся нагрузкой, электроприводы с пуль-

сирующей нагрузкой, электроприводы с резкопеременной нагрузкой.

Основные технические характеристики синхронных электроприводов

в зависимости от типа возникающей нагрузки приведены в табл. 6.1.

Как следует из табл. 6.1, в электроприводах с

пульсирующей и рез-

копеременной нагрузкой необходимо осуществлять автоматическое ре-

гулирование возбуждения синхронного двигателя. Системы автомати-

ческого регулирования возбуждения обеспечивают устойчивую работу

синхронного двигателя при набросах нагрузки или при снижении на-

пряжения питающей сети. В этих случаях системы автоматического ре-

гулирования возбуждения увеличивают ток возбуждения, благодаря че-