9.3. Общая характеристика синхронных электродвигателей

Схема подключения СД приведена на рис. 9.4,а. Основными параметрами режима являются: активная Р и реактивная Q мощности, потребляемые СД из сети; ток статорной обмотки I; электромагнитный момент на валу СД М_э, равный в установившемся режиме моменту сопротивления механизма М_мех; частота вращения ротора СД  или скольжение ротора; синхронная частота вращения ротора СД _c; угол , характеризующий положение ротора СД относительно синхронии вращающейся оси, которую можно совместить с вектором ЭДС электрической системы Е_с.

Из-за несимметрии ротора СД (обмотка возбуждения имеется только по продольной оси) схемы замещения СД по продольной и поперечной осям ротора различаются. Параметрами схемы замещения являются: R_ct, R_f, R_ld, R_1q - соответственно активные сопротивления статорной обмотки, обмотки возбуждения и демпферных обмоток по продольной и поперечной осям ротора; X_ad, X_aq — сопротивление взаимоиндукции между статорными и роторными обмотками СД по осям d и q; X_, X_f, X_1d, X_1q — соответственно индуктивные сопротивления рассеяния статорной обмотки, обмотки возбуждения и демпферных обмоток по осям d и q; R_fп, — активное сопротивление обмотки возбуждения в период пуска СД, когда обмотка возбуждения замкнута на дополнительное пусковое сопротивление R_п (R_fп = Rf + R_п ).

На основе параметров схемы замещения могут быть определены обобщенные параметры и параметры режима СД. Обобщенными параметрами СД являются:

синхронные индуктивные сопротивления по продольной и поперечной осям ротора

(9.33)

сверхпереходные индуктивные сопротивления по осям d и q

(9.43)

переходное индуктивное сопротивление по продольной оси (без учета демпферной обмотки)

(3.95)

индуктивные сопротивления обмотки возбуждения и демпферныхобмоток по осям d и q при разомкнутой статорной обмотке

(9.36)

индуктивные сопротивления этих же обмоток, но при короткозамкнутой статорной обмотке

(9.73)

где X'_ad и X'_aq — эквивалентные сопротивления взаимоиндукции между статорными и роторными обмотками при короткозамкнутой статор-

23

ной обмотке, равны

(9.38)

постоянные времени обмотки возбуждения при разомкнутой и короткозамкнутой статорных обмотках

(9.39)

постоянные времени демпферных обмоток по продольной и поперечной осям при разомкнутой и короткозамкнутой статорных обмотках

(9.40)

постоянные времени переходного (Т^’_d0) и сверхпереходного (T^”_d0) процессов по продольной оси ротора при разомкнутой статорной обмотке, определяемые системой уравнений

(9.41)

где ₀— общий коэффициент рассеяния обмотки возбуждения и про­дольной демпферной обмотки при короткозамкнутой статорной обмотке:

(9.42)

постоянные времени переходного (Т^’_d) и сверхпереходного (T^”_d) процессов по продольной оси ротора при короткозамкнутой статорной

244

обмотке, определяемые системой уравнений

(9.43)

где ^’ – общий коэффициент рассеяния обмотки возбуждения и продольной демпферной обмотки при короткозамкнутой статорной обмотке:

(9.44)

Для переходного сопротивления СД с учетом демпферной обмотки X'_d и сверхпереходных сопротивлений справедливы следующие соотношения:

Параметры схемы замещения и режима СД удобно выражать в относительных единицах, когда за независимые базисные единицы приняты: S_б = S_ном - полная номинальная мощность СД; U_б = U_ном - номинальное междуфазное напряжение. Исключение составляет электромагнитный момент, который целесообразно выразить в долях номинального момента двигателя.

Параметры режима возбужденного СД содержат синхронные и асинхронные составляющие. Например, активную и реактивную мощности СД в соответствии с принципом наложения можно представить в виде

(6.46)

Асинхронные составляющие мощности обусловлены асинхронными свойствами обмоток на роторе СД и в соответствии со схемами замеще-

245

ния (см. рис. 9.3) равны

(9.47)

где — эквивалентные комплексные (сопряженные) сопротивления по продольной и поперечной осям в асинхронном режиме при скольжении s.

Эквивалентное активное сопротивление обмотки возбуждения опре­деляется режимом обмотки возбуждения: у невозбужденного СД, когда обмотка возбуждения замкнута на пусковое сопротивление,

(9.48)

у возбужденного СД, когда обмотка возбуждения замкнута на возбудитель,

(9.49)

Зависимости от скольжения Р_a (s), Q_a (s), I_а (s), M_a (s) при номинальном напряжении на выводах двигателя называются пусковыми характеристиками СД.

Синхронные составляющие режима обусловлены вынужденным током в обмотке возбуждения СД, т. е. током от возбудительного устройства. Без учета активного сопротивления статорной обмотки синхронные составляющие активной и реактивной мощностей равны соответственно

(9.50)

246

Подача возбуждения СД может осуществляться по току статора или по частоте вращения ротора. Установка подачи возбуждения по току статорной обмотки составляет I_уст = (2  3) I_ном, по частоте  _уст = 0,94  0,96. Если параметром подачи возбуждения является ток статорной обмотки, то при выполнении условия

I < I_уст (9.52)

обмотка возбуждения подключается к возбудительному устройству, т. е. на СД подается возбуждение (R_fэ = R_f, E_q > 0). Аналогично если параметром подачи возбуждения является частота вращения ротора, то при выполнении условия

_уст (9.35)

на СД подается возбуждение.

После подачи возбуждения синхронная ЭДС Е_q изменяется по закону

(9.54)

Уравнения (9.46)-(9.54) определяют основные параметры режима СД.

В каталогах СД задаются: номинальные Р_ном, U_ном, _ном, cos_ном, а также М_п - пусковой (при s = 1) и М_в - входной (при s =0,05) асинхронные электромагнитные моменты; М_{с м} - максимальный синхронный момент; I_п - пусковой ток СД; U_fном, I_fном - номинальные напряжение и ток обмотки возбуждения.

247

Синхронные двигатели с шихтованными полюсами являются наиболее распространенным типом явнополюсных СД с частотой вращения ротора п_ном < 1000 об/мин. К ним относятся синхронные двигатели серий СД, СДН, СДВ, СДК и ряд других, используемых в качестве приводов разнообразных промышленных механизмов (насосы, компрессоры, вентиляторы, мельницы, мешалки и т. п.). Пуск СДШП, как правило, осуществляется от полного напряжения сети при обмотке возбуждения, замкнутой на дополнительное пусковое сопротивление.

Асинхронная моментная характеристика СД с шихтованным ротором в случае, когда обмотка возбуждения двигателя замкнута накоротко, может иметь провалы при частоте вращения, близкой к синхронной. Происходит "застревание" двигателя на подсинхронной частоте. Устранение провалов осуществляется включением возбуждения на дополнительное R_п.

Пусковое сопротивление обмотки возбуждения выполняет следующие функции: улучшает асинхронную моментную характеристику; позволяет увеличить скорость гашения поля; предотвращает перенапряжения в обмотке возбуждения, возникающие из-за большой скорости изменения тока возбуждения при отключении возбудителя.

К синхронным двигателям с массивным ротором относятся двигатели серий СТМ, СТД с номинальной частотой вращения 3000 с^-1. СДМП получили широкое распространение, в частности, в качестве приводов магистральных насосов и газовых компрессоров. В отличие от двигателей с шихтованным ротором, имеющих сосредоточенную демпферную обмотку, у СДМР ротор представляет собой единую стальную поковку с выфрезерованными пазами для обмотки возбуждения и система демпферных контуров распределена по всей бочке ротора. Наличие мошной демпферной системы, распределенной в массивном роторе, значительно улучшает пусковые характеристики турбодвигателей, однако приводит к существенному усложнению расчетов параметров и пусковых характеристик двигателей. Пуск СДМР осуществляется в основном от полного (иногда сниженного) напряжения при короткозамкнутой обмотке возбуждения.