Дементьев Ю.Н., Чернышев А.Ю., Чернышев И.А. Автоматизированный электропривод (учебное пособие)

Подождите немного. Документ загружается.

141

Определим номинальный момент двигателя

114,20054

15,314

6300000





Максимальный момент двигателя при номинальном напряжении

питающей сети

44119114,200542,2

max









Номинальная ЭДС двигателя

5700600095,095,0











UE В.

Уравнение угловой характеристики неявнополюсного синхронно-

го двигателя

θsin,147394θsin

3,7314,15

570060003

θsin













Угловая характеристика в соответствии с полученным выражением

представлена на рис. 5.51,а. Статическая механическая характеристика

синхронного двигателя приведена на рис. 5.51,б.

Рис. 5.51. Угловая (а) и механическая (б) характеристики

неявнополюсного синхронного двигателя

Номинальный угол

, определенный по угловой характеристике

синхронного двигателя составляет

эл.н

,9226θ  . Статическая механи-

ческая характеристика синхронного двигателя – прямая линия, парал-

лельная оси абсцисс.

5.2.3. 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

40000

MмН 

20000

рад

100

200

300



1000





н эл.

142

через контактные кольца от источника постоянного напряжения, а

трехфазная обмотка статора подключается к сети переменного на-

пряжения. Двухфазная схема замещения такой машины [20] представ-

лена на рис. 5.52.

Рис. 5.52. Схема включения двухфазного синхронного двигателя

с явнополюсным ротором

Как следует из рис. 5.52 обмотки фаз статора двухфазного син-

хронного двигателя питаются от двух источников переменного напря-

жения, фазы которых сдвинуты на 90 электрических градусов:

,ωcos

ωsin

;ωsin

0эmax10эmax11

0эmax11

tUtUU

tUU





















(5.72)

где

π2ω f





– угловая частота питающего напряжения.

Обмотка возбуждения синхронного двигателя размещена на явно-

полюсном роторе симметричном относительно оси

и подключена к

источнику постоянного напряжения

u .

Уравнение угловой характеристики явнополюсного синхронного

двигателя определяется уравнением:

эл

110

эл11

θ2sin

ω2

θsin3

























dqd

M , (5.73)

где

– индуктивное сопротивление обмотки статора синхронного

двигателя по продольной оси

;

– индуктивное сопротивление обмотки статора синхронного двига-

теля по поперечной оси

;

Анализ уравнения (5.73) показывает, что электромагнитный мо-

мент синхронной явнополюсной машины состоит из двух составляю-





1 a



эл



143

щих, первая из которых представляет электромагнитный момент

M ,

возникающий в результате взаимодействия полей статора и ротора, вто-

рая составляющая – реактивный момент

M , возникающий из-за не-

симметрии магнитной цепи машины и связанного с ней стремления ро-

тора ориентироваться по оси поля статора. Вследствие явнополюсности

машины 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. 5.53. 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.

θ обыч-

но составляет 20 – 30 градусов. Перегрузочная способность синхронной

машины с явнополюсным ротором



max

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.

Рис. 5.53. Угловая характеристика явнополюсного

синхронного двигателя

Явнополюсная синхронная машина развивает момент даже при

отсутствии тока возбуждения – за счет реактивного момента. Это свой-

ство синхронной машины легло в основу создания синхронных элек-

троприводов без возбуждения на базе синхронных реактивных двигате-

лей. У этих машин индуктивные сопротивления по продольным и попе-

речным осям различаются значительно, что и создает достаточный по

величине реактивный момент на валу двигателя [6].

Пример 5.7. Рассчитать и построить угловую и механическую ха-

рактеристики явнополюсного синхронного двигателя серии СДКП2-16-

29-10КУХЛ4.

max

M

θ0



θsin

max1

θ2sin

max2

M

144

Технические данные двигателя:

 номинальная мощность

P = 500 кВт;

 номинальное линейное напряжение 6000



U В;

 номинальная частота вращения



= 600

мин

об

;

 номинальный ток статора 57



I А;

 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 асин-

хронного пуска при



, ;5,1

05,0



 кратность пускового тока 0,5

1н



;

 момент инерции ротора

10,530 J

кг



;

 индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной

оси

2,31



x Ом;

 индуктивное сопротивление обмотки статора по поперечной

оси

4,19



x Ом.

Решение.

Найдем синхронную угловую скорость двигателя

рад

83,62

6001415,3

ωω

н0











Определим номинальный момент двигателя

98,7957

83,62

500000





Максимальный момент двигателя при номинальном напряжении

питающей сети

96,1591598,79570,2

max









Номинальное фазное напряжение двигателя

145

1,3464

6000

н1



В.

Номинальная фазная ЭДС двигателя

89,3290

600095,0

95,0

н1











В.

Уравнение угловой характеристики явнополюсного синхронного

двигателя (1.82)

эл

110

эл11

θ2sin5601θsin17446

θ2sin

2,31

4,19

83,622

1,34643

θsin

2,3183,62

89,32901,34643

θ2sin

ω2

θsin3





















































dqd

Угловая характеристика явнополюсного синхронного двигателя в

соответствии с полученным выражением представлена на рис. 5.54.

Рис. 5.54. Угловая характеристика явнополюсного синхронного

двигателя СДКП2-16-29-10КУХЛ4

Анализ рис. 5.54 показывает, что номинальный момент

98,7957





синхронный двигатель СДКП2-16-29-10КУХЛ4 раз-

вивает при номинальном угле сдвига 4,0θ



рад (22,9 град). Реактив-

ная составляющая момента явнополюсного синхронного двигателя

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

венно влияет на форму результирующей характеристики (кривая 3).



π-

рад

10мН 

2

146

Статическая механическая характеристика синхронного двигателя

приведена на рис. 5.55.

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





. Максимальный момент дви-

гателя при номинальном напряжении питающей сети

96,15915

max





Рис. 5.55. Статическая механическая характеристика

синхронного двигателя

5.2.4. Пуск и синхронизация синхронных двигателей

Пуск и синхронизация синхронных двигателей различается в за-

висимости от особенностей технологического процесса, в котором уча-

ствует 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 осложняется.

Для мощных двигателей схемы силовых цепей практически све-

дены с незначительными вариациями к одной, принципиальная схема

которой приведена на рис. 5.56.

Пуск синхронного двигателя осуществляется в асинхронном ре-

жиме. В большинстве случаев синхронный двигатель мощностью до не-

скольких сотен киловатт пускают прямым включением в сеть. Крат-

ность пускового тока при прямом пуске 54

н1



рад

0 2 4

мН 1000246 68

147

При пуске синхронных двигателей мощностью несколько мега-

ватт возникает необходимость ограничения пусковых токов. Способы

ограничения пусковых токов вытекают из уравнения тока короткого за-

мыкания асинхронного двигателя:

σ2σ1

кз2

)()( XXRR





, (5.74)

где

U – фазное напряжение обмотки статора синхронного двигателя в

режиме асинхронного пуска;

, XR – активное сопротивление и ин-

дуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора;

, XR – актив-

ное сопротивление и индуктивное сопротивление рассеяния обмотки

ротора, приведенные к обмотке статора.

Из анализа выражения для тока короткого замыкания (1.83) выте-

кают три возможных способа токоограничения при асинхронном пуске

синхронного двигателя:

 введение на время пуска добавочного активного сопротив-

ления

доб1

R в цепи обмоток статора;

 введение на время пуска добавочного реактивного сопро-

тивления

доб1

L в цепи обмоток статора;

Рис. 5.56. Схема силовых цепей синхронного двигателя

кВ6

1VS

2VS

2VD1VD

3VD 4VD

5VD

6VD



L L L

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

8...3 VSVS

1TV

В380



 





148

 кратковременное уменьшение на время пуска фазного на-

пряжения обмоток статора.

Наиболее часто токоограничение при пуске синхронных двигате-

лей осуществляется использованием реакторов

, включаемых в цепи

обмоток статора. В некоторых случаях вместо реакторов

применяют-

ся активные резисторы. Кратковременное понижение напряжения обмо-

ток статора достигается включением в схему трансформаторов или ав-

тотрансформаторов. Вариант схемы ограничения тока статора при пуске

синхронного двигателя с применением автотрансформатора приведен

на рис. 5.57.

Рис. 5.57. Схема силовых цепей синхронного двигателя с

автотрансформаторным ограничением пускового тока

Статические электромеханические характеристики, поясняющие

процесс пуска синхронного двигателя с токоограничением, приведены

на рис. 5.58.

Рис. 5.58. Статические электро-

механические характеристики,

поясняющие процесс пуска син-

хронного двигателя

кВ6

2KM 2KM2KM

1KM 1KM 1KM



3KM

1VT

кз1

пер1

кз.и1

149

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 (см. рис. 5.56) из цепи обмотки статора выводятся, и процесс пус-

ка продолжается по характеристике 2.

При пуске в асинхронном режиме импульсы управления на тири-

сторы

...

не подаются и напряжение управляемого выпрямителя

равно нулю. В обмотке возбуждения синхронного двигателя индуциру-

ется переменная ЭДС скольжения, под действием которой через стаби-

литроны

открываются вспомогательные тири-

сторы

. 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

и они перестают включаться. Разряд-

ное сопротивление отключается от обмотки возбуждения. После чего в

обмотку возбуждения подается постоянный ток от управляемого вы-

прямителя

…

Пусковая беличья клетка синхронного двигателя рассчитана на

кратковременный режим работы, как правило, 20-50с., длительная рабо-

та в асинхронном режиме недопустима. Кроме обеспечения режима

пуска, беличья клетка играет роль демпфирующей обмотки, стабилизи-

руя переходные процессы при работе двигателя в синхронном режиме.

Для синхронных двигателей мощностью до нескольких сотен ки-

ловатт возможен пуск прямым включением в сеть без промежуточных

пусковых характеристик. Примерный вид переходных процессов мо-

мента

и скорости

при прямом пуске синхронного двигателя с уче-

том электромагнитных переходных процессов приведен на рис. 5.59.

Синхронный двигатель разгоняется в асинхронном режиме до подсин-

хронной скорости

пс

ω , после чего в момент времени

вкл

t на его обмот-

ку возбуждения подается напряжение возбуждения

ов

U , и двигатель

втягивается в синхронизм. Принципиально на процесс вхождения в

синхронизм влияет момент подключения напряжения к обмотке возбу-

ждения. Наиболее благоприятным моментом включения напряжения

возбуждения является такое, при котором мгновенное значение наве-

денной ЭДС в обмотке возбуждения будет равно нулю. Однако, как по-

казали специальные исследования [11], относительное положение рото-

ра относительно магнитного поля, созданного обмотками статора не

имеет большого практического значения как с точки зрения качества

150

переходного процесса, так и его времени окончания. Поэтому в боль-

шинстве практических случаев схема управления не усложняется путем

введения устройств, обеспечивающих включение возбуждения в наибо-

лее благоприятный момент времени.

Рис. 5.59. Кривые переходных процессов момента

и скорости

при пуске синхронного двигателя

Проверку условия вхождения в синхронизм можно производить,

пользуясь выражением:

















0Σ

макс

0пс

0564,01ωω

где

макс

M – максимальный момент синхронной машины;

J – приве-

денный к валу двигателя суммарный момент инерции электропривода.

Процесс втягивания в синхронизм зависит в основном от двух па-

раметров: значения подсинхронной скорости

пс

ω и приведенного к валу

двигателя суммарного момента инерции электропривода

J .

5.2.5. Регулирование скорости синхронных двигателей

После вхождения синхронного двигателя в синхронизм его ско-

рость при изменениях момента нагрузки на валу до некоторого макси-

мального значения

max

M остается постоянной и равной синхронной

скорости

π2



 .

Так как изменение числа пар полюсов

z у серийно выпускаемых

двигателей не применяется, то частотное регулирование является прак-

тически единственным способом регулирования угловой скорости син-

хронных двигателей. Оно характеризуется в основном такими же пока-