3.3 Лабораторна робота №3

Дослідження синхронного двигуна.

Основні теоретичні положення.

Принцип дії синхронного двигуна (СД). Синхронним називається двигун, частота обертання ротора якого дорівнює частоті обертання поля, .

Індуктор (джерело первинного магнітного поля) звичайно розташовується на роторі і являє собою систему електромагнітів, що чергуються, у вигляді котушок обмотки збудження, розташованих на полюсах з явно вираженими полюсними наконечниками (рис. 3.1). Потужні швидкохідні двигуни мають неявнополюсний ротор. В обмотку збудження подається постійний струм збудження від зовнішнього джерела через два контактні кільця й щітковий апарат. Магнітне поле збудження “прив’язане” до полюсів і обертається разом з ними.

Обмотка якоря звичайно трифазна, розподілена по пазах осердя статора й принципово нічим не відрізняється від обмотки статора асинхронного двигуна. Конструкція синхронного двигуна є оберненою у порівнянні із двигуном постійного струму.

При протіканні трифазної системи струмів по трифазній обмотці якоря (статора) у двигуні створюється магнітне поле якоря з індукцією , розподіленої уздовж повітряного проміжку за законом, близьким до гармонійного (pиc. 1). Це поле обертається у напрямку чергування фаз із частотою , де - частота струму; - число пар полюсів поля статора.

Рис.3.1. Принцип дії синхронного двигуна (вісь х - вісь уздовж повітряного проміжку між статором і ротором, умовно спрямлена)

Якщо подати струм в обмотку збудження, то створюється поле збудження з індукцією (рис.1). У результаті взаємодії полів збудження і якоря виникають електромагнітні сили й момент, що діє на ротор. Цей момент спрямований убік обертання поля, є рушійним (режим двигуна) і змушує ротор обертатися. Поле якоря випереджає поле збудження і як би “тягне” за собою ротор.

Електромагнітний момент можна розглядати також як силову взаємодію поля якоря на провідники зі струмом збудження (рис.1). При обертанні ротора двигун розвиває механічну потужність за рахунок активної потужності, споживаною обмоткою якоря з мережі.

При несинхронному обертанні ротора й поля якоря змінюється взаємне положення полів збудження і якоря, тому електромагнітні сили й моменти також змінюються за значенням і напрямком із частотою . Середнє за період зміни значення результуючого електромагнітного моменту , що діє на ротор, виходить рівним нулю. Тільки при середнє значення результуючого моменту , двигун розвиває механічну потужність і його можна навантажувати на робочу машину. Таким чином, споживаючи з мережі активну потужність, машина виробляє механічну потужність при обов’язковій умові, що ротор обертається синхронно з полем якоря. Така машина є синхронним двигуном. При цьому найкращі умови роботи забезпечуються при однаковому числі полюсів поля якоря й індуктора.

Поле якоря є безінерційним й після включення обмотки якоря в мережу трифазного струму відразу встановлюється швидкість . Ротори двигуна й робочої машини мають моменти інерції, тому відразу після включення двигуна . При номінальній частоті струму електромагнітний момент змінюється з великою частотою, ротор не поспіває йти за полем якоря, і тому пусковий електромагнітний момент у середньому дорівнює нулю. Це істотний недолік синхронного двигуна. Щоб запустити синхронний двигун, необхідно плавно підвищувати частоту живильної напруги або попередньо розганяти ротор двигуна до швидкості, близької до швидкості поля за допомогою додаткових засобів.

Ротор синхронного двигуна обертається під дією електромагнітного моменту М. Останній діє в напрямку обертання магнітного поля якоря. Тому для реверсу двигуна необхідно змінити чергування фаз мережі, підключеної до обмотки якоря.

Відповідно до принципу дії частота обертання ротора двигуна залишається постійною , якщо й момент навантаження не перевищує максимального значення електромагнітного моменту, що розвивається двигуном при незмінних значеннях напруги на обмотці статора й струму збудження. Отже, механічна характеристика синхронного двигуна є абсолютно твердою.

Способи пуску синхронного двигуна

Застосовуються наступні способи пуску синхронних двигунів:

1) частотний;

2) за допомогою допоміжного двигуна методами точної й грубої синхронізації;

3) асинхронний пуск (метод грубої синхронізації).

Частотний спосіб пуску. Збуджують двигун і подають на обмотку статора напругу зниженої частоти, щоб поле статора оберталося з такою малою швидкістю, при якій ротор встигає йти за полем якоря. Плавно підвищуючи частоту струму в обмотці статора, збільшують швидкість обертання його поля. Темп збільшення частоти струму вибирають таким, щоб ротор встигав розганятися синхронно з полем якоря. При номінальній частоті ротор досягне номінальної швидкості.

Для поліпшення умов запуску одночасно із частотою струму регулюють рівень напруги на обмотці статора й струму збудження синхронного двигуна.

Для частотного пуску необхідний регульований перетворювач частоти й напруги.

Пуск за допомогою допоміжного двигуна методом точної синхронізації. Регульованим допоміжним двигуном розганяють збуджений ротор синхронної машини до швидкості, близької до синхронної ; в обмотці якоря наводиться ЕРС , що має частоту ; і - число витків фази й обмотковий коефіцієнт обмотки якоря; - потік взаємної індукції, створений обмоткою збудження.

Обмотка якоря відключена від мережі й знеструмлена, тому напруга цієї обмотки . У мережі діє напруга із частотою . Регулюють синхронну машину так, щоб збіглися параметри напруг машини й мережі. У момент збігу включають обмотку статора в мережу, і машина втягується в синхронізм без сплеску струму.

Заходи, що призводять до вирівнювання параметрів і , називаються синхронізацією, а умови, при яких це досягається - умовами синхронізації. Якщо умови виконуються повністю, синхронізацію називають точною. А якщо ні, то виходить груба синхронізація. Умови точної синхронізації:

а) збіг чергування фаз напруги машини й напруги мережі;

б) збіг частот напруги машини й напруги мережі ;

в) рівність напруги машини й напруги мережі за значенням і фазою.

Для контролю виконання умов синхронізації застосовуються спеціальні прилади - синхроноскопи (лампові й електромагнітні). Збіг чергування фаз перевіряється за допомогою синхроноскопа або фазопокажчика. У випадку розбіжності змінюють чергування фаз звичайно в машини. Рівність частот контролюється синхроноскопом або частотоміром і досягається регулюванням швидкості обертання допоміжного двигуна; одночасно змінюється значення ЕРС. Рівність контролюється вольтметром і досягається регулюванням струму збудження синхронної машини, що визначає потік . Момент збігу фаз напруг машини й мережі контролюється синхроноскопом і досягається регулюванням швидкості обертання допоміжного двигуна.

Точна синхронізація вимагає додаткового устаткування й займає досить великий час.

Асинхронний пуск синхронного двигуна. При цьому способі лише частково й неточно виконуються умови синхронізації, тобто виходить груба синхронізація. Сутність способу: незбуджений двигун із замкненим колом збудження включають у мережу й запускають як асинхронний двигун; у момент досягнення підсинхронної швидкості подають збудження; виникає сплеск струму якоря й додаткові електромагнітні моменти, під дією яких ротор після ударів і хитань, як правило, втягується у синхронізм. Подаваний струм збудження повинен забезпечити . При підсинхронній швидкості різниця частот становить близько 5%; збіг фаз і тут не контролюється взагалі. Тому асинхронний пуск відповідає грубій синхронізації. Найкращі умови втягування у синхронізм виходять, якщо збудження подається при , а це досягається при моменті навантаження, меншому номінального вхідного моменту . Останній являє собою електромагнітний момент, що розвивається машиною при асинхронному пуску, коли .

Цей спосіб нескладний, але супроводжується значними сплесками струму й електромагнітних сил і вимагає додаткових заходів:

а) на роторі необхідна замкнена багатофазна обмотка, щоб двигун зміг розганятися як асинхронний під дією асинхронного електромагнітного моменту (від взаємодії поля й наведених струмів у цій обмотці). Цю обмотку називають пусковою і влаштовують як короткозамкнену білячу клітку: неізольовані мідні або латунні стрижні розташовують у пазах полюсних наконечників і приварюють до мідних сегментів, що утворюють короткозамикаючі кільця;

б) при пуску обертове поле наводить у замкненому колі обмотки збудження синхронного двигуна однофазний змінний струм, що створює електромагнітний момент, який погіршує умови пуску. Залишити коло обмотки збудження розімкненою не можна через небезпеку пробою ізоляції цієї обмотки значною ЕРС, що наводиться, оскільки обмотка збудження має велику кількість витків і її потокозчеплення змінюється з великою частотою. Тому обмотку збудження замикають на розрядний опір, де - опір обмотки збудження. При цьому наводяться невелика ЕРС, напруга на затискачах обмотки збудження й змінний струм у цій обмотці. Застосовують і інші схеми.

Асинхронний пуск є найпоширенішим способом пуску синхронних двигунів. Більшість серійних синхронних двигунів розрахована на використання цього способу пуску із застосуванням пускової обмотки. Якщо пусковий струм створює неприпустимо велике спадання напруги в мережі, цей струм зменшують так само, як і в асинхронних двигунів за допомогою реактора або автотрансформатора.

- подібні характеристики. - подібні характеристики являють собою залежність струму якоря й коефіцієнта потужності двигуна від струму збудження при постійних значеннях напруги обмотки якоря і його частоти від постійної механічної потужності . Ці характеристики відбивають важливу особливість синхронних двигунів - можливість регулювання їх реактивної потужності й .

Розглянемо - подібні характеристики двигунів на прикладі неявнополюсної машини.

На рис. 3.2 представлені - подібні характеристики й для й . Точка 1 відповідає перезбудженню двигуна, коли реактивна потужність віддається в мережу, ; точка 2 - нормальному збудженню, коли й ; точка 3 - недозбудженню, коли реактивна потужність споживається з мережі, ; точка 4 відповідає недозбудженню й межі статичної стійкості синхронного двигуна, коли кут навантаження дорівнює критичному значенню .

Рис. 3.2. - подібні характеристики

Досліджувана установка.

1. Синхронний двигун.

2. Двигун постійного струму незалежного збудження.

3. Електровимірювальні прилади: вимірювальний комплект К-505; індикатор швидкості; амперметри, вольтметри.

4. Перемикачі: однополюсні (А1, А2) - 2 шт.; триполюсні (А3, А4) - 2 шт.

Дослід 1. Дослідження робочих характеристик СД.

Порядок виконання.

1. Ознайомитися з установкою. Записати до протоколу паспортні дані двигуна.

2. Зібрати схему згідно рис. 3.1.

3. Здійснити асинхронний пуск СД. З метою уникнення інверсних моментів перед початком пуску замкнути обмотку збудження СД на опір , включивши вимикач . Вимикачі А1, А2 та А5 повинні бути розімкненими. Включити по черзі автомати А3 та А4. Коли СД досягне підсинхронної швидкості (близько ), вимкнути вимикач і швидко увімкнути А5.

Після пуску СД встановлюють струм збудження таким, що відповідає мінімальному струму статора.

4. Для навантаження СД використати машину постійного струму Д, що працює у режимі генератора. Для цього увімкнути обмотку збудження генератора Д вимикачем А1 та, замикаючи якір на опір за допомогою вимикачів , навантажують генератор постійного струму, збільшуючи тим самим навантаження на синхронний двигун. При цьому струм в обмотці збудження СД корегують таким чином, щоб під час досліду коефіцієнт потужності дорівнював одиниці, а струм в статорі був би мінімальним. Зафіксувати необхідні параметри СД та Д і занести до таблиці 3.1.

Таблиця 3.1

№ д/д	UA	UB	UC	IA	IB	IC	PA	PB	PC	UГ	IГ
1. 2. . . . 8.

Дослід 2. Дослідження U- подібних характеристик СД.

Порядок виконання.

1. Використовуючи схему на рис. 3.1, здійснити асинхронний пуск СД.

2. За допомогою вимикача А1 подати напругу на обмотку збудження генератора постійного струму Д. Поступово замикаючи вимикачі , навантажити генератор таким чином, щоб споживана синхронним двигуном потужність стала рівною .

3. Збільшуючи ЛАТРом струм у обмотці збудження СД, домогтися, щоб струм обмотки статора СД досяг номінального значення. Після цього необхідно поступово зменшувати струм обмотки збудження СД до мінімального значення, тобто до тих пір, коли струм статора, досягши мінімального значення знову почне зростати і досягне номінальної величини. Зафіксувати необхідні параметри СД і занести до таблиці 3.2.

Таблиця 3.2

№ д/д	UA	UB	UC	IA	IB	IC	PA	PB	PC	Iзб
1. 2. . . . 8.

Обробка результатів дослідів.

1. За даними табл. 3.1 розрахувати:

;

;

;

,

де - к.к.д генератора (повинен бути відомий).

;

;

.

Розраховані величини занести до табл. 3.3.

Таблиця 3.3

№ д/д	P1	I1	Pг	P2	М2	cosφ1	η
1. 2. . . . 8.

За даними табл. 3.3 будують робочі характеристики СД: , , , , приблизний вигляд яких зображено на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Робочі характеристики СД

За даними табл. 3.2 розрахувати

, ,

та побудувати U- подібні криві і при , приблизний вигляд яких зображено на рис. 3.3.

Рис. 3.3. U- подібні характеристики СД

Контрольні запитання.

1. Чем ограничивается область устойчивой работы синхронного двигателя?

2. Объясните процесс пуска синхронного двигателя?

3. Как регулируется коэффициент мощности синхронного двигателя?

4. Каково назначение синхронного компенсатора?

5. Каковы достоинства и недостатки синхронных двигателей по сравнению с асинхронными?