4. Синхронные двигатели (сд)

Синхронные ЭД в настоящее время получили широкое применение в приводах большой мощности (от 5000 кВт до 20 МВт). При этом особенностью таких приводов является продолжительный режим работы с незначительными и редкими изменениями нагрузки на валу.

В качестве примера использования СД в нефтяной отрасли можно привести электроприводы магистральных центробежных насосов.

Необходимо отметить следующие положительные качества СД:

1. Постоянство скорости вращения двигателя независимо от нагрузки на валу в пределах перегрузочной способности;

2. Возможность регулирования потребления реактивной мощности;

3. Самая высокая среди всех типов двигателей надежность, это обеспечивается большим зазором между статором и ротором.

Недостатки СД:

1. Сложность запуска;

2. Склонность СД к качаниям;

3. Сложность конструкции и дороговизна.

4.1 Механические характеристики сд в двигательном режиме

Механическая характеристика СД, выражающая зависимость угловой скорости ротора от среднего значения момента на валу двигателя, имеет вид (рис. 4.1).

ω, рад/с

ω₀

-М_К М_К М, Н·м

Рисунок 4.1 – Механическая характеристика СД

В пределах изменения момента от –М_к до М_к (М_к – критический момент, определяет перегрузочную способность двигателя), угловая скорость вращения вала двигателя не меняется и равна синхронной скорости (т. е. скорости ВМП)

.

Вращающий момент СД создается за счет взаимодействия вращающего магнитного поля, создаваемой симметричной статорной обмоткой, с постоянным магнитным полем, создаваемой обмоткой возбуждения, которая находится на роторе и питается от источника постоянного напряжения.

Рисунок 4.2 – Схема СД

Следует отметить, что обмотка возбуждения имеет значительно большое число витков, чем фаза статорной обмотки и выполнена из проводника значительно меньшего сечения.

Если момент на валу двигателя превышает критический момент, то угловая скорость начинает резко уменьшаться – «двигатель выходит из синхронизма».

Как уже говорилось, отличием СМ от АМ является то, что ротор вращается синхронно с магнитным полем (с одинаковой скоростью ω₀). При этом если мерой нагрузки у АД являлось скольжение

,

то у СД при увеличении нагрузки на валу двигателя, увеличивается угол смещения оси ротора по отношению к оси вращения магнитного поля. Это явление называется «растяжением упругой электромагнитной связи» и характеризуется углом рассогласования Θ. При этом в двигательном режиме ось вращающего магнитного поля опережает ось ротора («поле тянет за собой ротор»).

На векторной диаграмме СМ угол рассогласования Θ равен углу сдвига фаз между вектором напряжения U, приложенного к статору, и ЭДС от магнитного потока возбуждения Е_В, наведенной в статоре

Поставим задачу проанализировать, как будет вести себя СД при изменении нагрузки на его валу:

1. Устойчиво ли он будет работать;

2. Как будет изменяться мгновенное значение угловой скорости, если момент будет носить пульсирующий характер;

3. Как будет изменяться направление момента при изменении угла рассогласования и т. д.

С этой целью необходимо построить, так называемую, угловую характеристику СД, которая представляет собой зависимость М=f(Θ). Для вывода уравнения угловой характеристики воспользуемся электрической схемой замещения СД и векторной диаграммой.