21.3. Синхронные электродвигатели

Синхронные электродвигатели дол­гое время мало применялись в элект­роприводе, в частности в системе соб­ственных нужд электростанций. Однако в последние годы положение существен­но изменилось, так как они обладают рядом преимуществ по сравнению с асинхронными электродвигателями.

Синхронные электродвигатели бла­годаря возбуждению постоянным током могут работать как с отстающим, так и с опережающим коэффициентом мощ­ности, т. е. как потреблять из сети, так и выдавать в сеть реактивную мощность. Обычно они работают с опережающим коэффициентом мощности (с перевоз­буждением), так как при этом , улуч­шается коэффициент мощности сети и уменьшаются потери энергии и потери напряжения в ней, а также повышается коэффициент мощности генераторов энергосистемы.

При переходных процессах в энерго­системах, вызванных КЗ, толчками нагрузки и другими причинами, синхрон-

ные электродвигатели могут быстро увеличивать ток возбуждения. Это спо­собствует повышению устойчивости па­раллельной работы синхронных машин и поддержанию необходимого напря­жения в месте, присоединения нагрузки.

Коэффициент полезного действия синхронных электродвигателей обычно на 1,5 — 3,0% выше, чем асинхронных, так как у них за счет присущего им большого воздушного зазора значитель­но снижены добавочные потери в стали.

Синхронные электродвигатели менее чувствительны к понижению напряже­ния. Если у асинхронного электродви­гателя максимальный момент на валу пропорционален квадрату подведенного напряжения, то у синхронного электро­двигателя — только первой степени на­пряжения. А использование возможнос­ти автоматического регулирования воз­буждения и быстрой форсировки возбуж­дения позволяет обеспечить их устойчи­вость как при небольших, так и при значительных понижениях подводимого напряжения.

Синхронные электродвигатели срав­нительно легко могут быть выполнены на более высокое напряжение, так как размер воздушного зазора позволяет, не ухудшая их характеристик, выбрать бо­лее широкие пазы и таким образом уменьшить число пазов и увеличить рас­стояние между катушками в районе лобовых частей статора.

Синхронные электродвигатели име­ют высокие экономические показатели не только при больших, но и при малых номинальных частотах вращения, тогда как асинхронные электродвигатели в последнем случае дороже синхронных и имеют очень низкий коэффициент мощности.

Частота вращения синхронных элект­родвигателей не зависит от нагрузки и на несколько процентов выше частоты вращения соответствующих асинхрон­ных электродвигателей. Иногда это важно с точки зрения производитель­ности рабочей машины.

Синхронные электродвигатели не ли­шены и недостатков. В частности, такие электродвигатели несколько сложнее в

конструктивном _ отношении, чем асин­хронные электродвигатели, и имеют дополнительный элемент — систему воз­буждения. Это увеличивает их стоимость и усложняет эксплуатацию. Соотноше­ние стоимостей синхронных и асинхрон­ных электродвигателей в основном зави­сит от их мощности и номинальной частоты вращения, причем если при малых габаритах синхронные электро­двигатели дороже асинхронных, то с увеличением их мощности и уменьше­нием номинальной частоты вращения соотношение стоимостей изменяется в пользу синхронных электродвигателей. В нормальном режиме синхронные электродвигатели обладают относитель­но небольшой перегрузочной способ­ностью, так как с целью уменьшения стоимости и габаритов их выполняют с облегченной обмоткой возбуждения. На­конец, синхронные электродвигатели имеют сравнительно небольшой пуско­вой момент и более сложную систему управления.

Таким образом, использование син­хронных электродвигателей наиболее це­лесообразно при больших мощностях и малых частотах вращения рабочих ма­шин, а также в тех случаях, когда необходимо иметь высокий коэффициент мощности установки. В некоторых слу­чаях синхронные электродвигатели при­меняют и для привода рабочих машин, требующих регулирования частоты вра­щения; при этом валы электродвигателя и машины соединяют не непосредствен­но, а с помощью вариаторов частоты вращения (см. гл. 26).

Пусковые и рабочие характеристики синхронных электродвигателей во мно­гом зависят от конструкции ротора. Последняя в свою очередь зависит от номинальной частоты вращения маши­ны. Электродвигатели, имеющие частоту вращения 3000 об/мин, конструктивно не отличаются от турбогенераторов: их ротор представляет собой массивный цилиндр, в пазы которого уложена обмотка возбуждения. Электродвигатели с меньшей частотой вращения выпол­няют с явно выраженными полюсами, набранными из листов электротехниче-

ской стали. В полюсные наконечники полюсов закладывают круглые медные или латунные стержни пусковой об­мотки. По торцам ротора концы стерж­ней одного полюса соединяют между собой с помощью медных сегментов, а сегменты различных полюсов затем сое­диняют в одну общую систему (либо непосредственно, либо с помощью сталь­ного кольца).

Для возбуждения синхронных элект­родвигателей в основном применяют следующие системы возбуждения:

электромашинную систему с маши­ной постоянного тока (с индивидуаль­ным возбудителем для каждого электро­двигателя или одним возбудителем на группу электродвигателей);

статическую систему с силовыми полупроводниковыми выпрямителями;

бесщеточную систему с синхронными или асинхронными возбудителями и по­лупроводниковыми выпрямителями.

Важное значение как для самих син­хронных электродвигателей, так и для энергосистемы в целом имеет автома­тическое регулирование их возбуждения. Оно позволяет повысить статическую и динамическую перегружаемость элект­родвигателей, выбрать мощность элект­родвигателей не из условия динамиче­ской устойчивости, а из условия нагрева, повысить устойчивость их работы и ра­боты генераторов, поддержать номи­нальное напряжение в узлах нагрузки и т. д. Выбор системы автоматического регулирования возбуждения определя­ется мощностью электродвигателя, ти­пом рабочей машины, режимом ее ра­боты и другими факторами.

Многие рабочие характеристики син­хронных электродвигателей, так же как и синхронных генераторов, могут быть получены с помощью векторной диа­граммы. При переходе синхронной ма­шины из генераторного к двигательному режиму фаза активной составляющей тока статора по отношению к напря­жению на зажимах машины изменя­ется на 180°, так как электродвигатели потребляют из сети активную мощность. Однако на векторной диаграмме син­хронного электродвигателя обычно

откладывают не вектор напряжения машины U, а находящийся с ним в противофазе вектор напряжения сети t/_b по отношению к которому активная составляющая тока электродвигателя находится в фазе (рис. 21.10). Сравнение векторных диаграмм синхронного гене­ратора и синхронного электродвигателя показывает, что эти диаграммы отли­чаются только знаком угла δ между векторами напряжения и ЭДС: у нагру­женного генератора этот угол положи­телен, т. е. поперечная ось ротора и соответственно вектор ЭДС E_q опере­жают вектор напряжения, а у нагружен­ного электродвигателя ось q и соответ­ственно вектор ЭДС Е_q отстают от вектора напряжения. Поэтому все анали­тические выражения, определяющие ха­рактеристики синхронного генератора (см. гл. 20), справедливы и для син­хронного электродвигателя (при соот­ветствующем учете знаков). В част­ности, справедливы и выражения для угловых характеристик активной и реак­тивной мощностей, т. е. (20.12) и (20.13). Выражение (20.12) и соответствующая кривая (см. рис. 20.20, в) показывают, что синхронные электродвигатели с явно выраженными полюсами обладают бо­лее жесткими угловыми характеристи­ками активной мощности, чем электро-

двигатели с цилиндрическим ротором, так как при одном и том же изме­нении их нагрузки угол δ у первых изменяется меньше, чем у вторых.

Характерной величиной для синхрон­ных электродвигателей является стати­ческая перегружаемость, под которой понимают отношение максимальной электромагнитной мощности при номи­нальном токе возбуждения к номиналь- ной электромагнитной мощности. Для электродвигателей с неявно выражен­ными полюсами в соответствии с (20.14) статическая перегружаемость

Но уголкак видно из выраже-

ний (20.14) и (20.15), записанных для номинальных условий работы электро­двигателя (при этом=1), опреде­ляется соотношением

поэтому

Таким образом, статическая перегру­жаемость синхронных электродвигате­лей тем больше, чем меньше их коэф­фициент мощности и синхронная реак­тивность. У крупных синхронных элект­родвигателей = 0,8 — 0,9 и X_d = 0,8 — 1,5, поэтому их статическая пере­гружаемость близка к двум. ,

Режимы работы синхронных элект­родвигателей имеют свои особенности. Если их активная мощность целиком потребляется из сети и практически определяется только нагрузкой на валу, то реактивная мощность может изме­няться в широких пределах и даже менять знак (см. кривую реактивной мощности на рис. 20.21, б); это достига­ется путем изменения тока возбуждения электродвигателя. При работе электро­двигателя с перевозбуждением (рис. 21.10, а) реактивная составляющая тока электродвигателя по отношению к на-

пряжению сети является емкостной,, а при работе с недовозбуждением (рис. 21.10,6) - индуктивной, причем угол δ, при котором происходит перемена знака реактивной мощности, как показывает выражение (20.13), зависит от соотноше­ния между ЭДС электродвигателя E_q и подводимым к нему напряжением. Свойство синхронных электродвигателей работать с перевозбуждением широко используют в условиях эксплуатации, так как это дает возможность улучшить коэффициент мощности установки и по­высить перегрузочную способность электродвигателей.