Синхронные электродвигатели относят к группе практически нерегулируемых. Они применяются главным образом для приводов средней и большой, мощности, не требующих регулирования скорости вращения, например для приводов компрессоров, насосов, вентиляторов.
Рис. 3-20. Механическая характеристика (а) и угловая характеристика (б) синхронного электродвигателя.
Преимуществом синхронного электродвигателя является возможность работы с коэффициентом мощности, равным единице и даже с опережающим током, что позволяет осуществлять компенсацию реактивной отстающей мощности электроприемников. Синхронные электродвигатели стоят дороже асинхронных. Целесообразность их применения оправдывается экономичностью, получаемой от компенсации реактивной мощности.
В синхронном электродвигателе скорость вращения остается строго постоянной, не зависящей от нагрузки и величины тока возбуждения. Поэтому механическая характеристика синхронного электродвигателя ω=f(Mд) представляет прямую, параллельную оси моментов (рис. 3-20, а). Такая механическая характеристика называется абсолютно жесткой.
В работе электроприводов с синхронными электродвигателями большое значение имеют так называемые угловые характеристики синхронного электродвигателя, которые представляют собой зависимость электромагнитного момента электродвигателя от угла сдвига оси полюсов ротора и полюсов вращающегося поля статора (угол сдвига вектора напряжения статора относительно вектора э. д. с., индуктированной к обмотке статора полем ротора). Эта зависимость имеет характер синусоиды (рис. 3-20, б), которая подчиняется уравнению
(3-24
При холостом ходе оси полюсов ротора и поля статора совпадают: угол 0=0 и Мд=0. При увеличении нагрузки угол 0 возрастает, соответственно будет возрастать и момент электродвигателя. Максимальное значение момента Ммакс наступает при 0=90°. По мере дальнейшего возрастания угла 0 момент начнет уменьшаться, что соответствует выпадению электродвигателя из синхронизма и его остановке. Поэтому устойчивая работа электродвигателя возможна при углах 0, не превышающих 90°. Учитывая возможные толчки нагрузки, обычно угол, соответствующий номинальной нагрузке, принимается равным 0„ =25—30 эл-град. При этом перегрузочная способность электродвигателя составит
Момент синхронного электродвигателя пропорционален первой степени напряжения, поэтому электродвигатель менее чувствителен к колебаниям напряжения сети, чем асинхронный. Перегрузочную способность синхронного электродвигателя в эксплуатационных условиях можно повысить увеличением тока возбуждения. Это позволяет электродвигателю работать устойчиво при резких бросках нагрузки и при значительном снижении напряжения не выпадать из синхронизма.
Для синхронного электродвигателя принципиально возможны все три способа торможения: рекуперативное, динамическое и противовключением. Практически используется только динамическое торможение. Рекуперативное торможение не применяется, так как при этом нельзя получить снижения скорости. Режим противовключения возможен, но в этом случае электродвигатель работает в асинхронном режиме, потребляя из сети большой ток. Так как пусковая (асинхронная) обмотка электродвигателя рассчитана на кратковременную работу и длительное протекание по ней больших токов недопустимо, то такое торможение нежелательно.
При динамическом торможении синхронного электродвигателя к кольцам ротора подается постоянный ток, а обмотка статора замыкается на сопротивление. Механические характеристики синхронного электродвигателя в этом режиме будут подобны характеристикам асинхронного электродвигателя при динамическом торможении.
Пуск синхронного электродвигателя, как правило, осуществляется аналогично асинхронному. Для этой цели на роторе, кроме обмотки возбуждения, имеется короткозамкнутая пусковая обмотка: Пусковая обмотка имеет небольшой объем и рассчитана на несколько пусков, поэтому длительная работа электродвигателя в асинхронном режиме недопустима.
Процесс пуска синхронного электродвигателя происходит вначале как у асинхронного, при отключенном возбудителе (рис. 3-21, а). При достижении скорости, близкой к синхронной (95—98% от нее), которую часто называют «подсинхронной», в обмотку возбуждения подается постоянный ток и электродвигатель входит в синхронизм.
Рис. 3-21. Схема подсоединения обмотки ротора синхронного электродвигателя к якорю возбудителя: а — через добавочное активное сопротивление (ДС); б — непосредственное (глухое подключение).
В процессе пуска обмотку возбуждения электродвигателя замыкают при помощи размыкающего контакта контактора К (рис. 3-21, а) на активное сопротивление ДС, в 10—12 раз большее сопротивления самой обмотки. Сопротивление ДС играет ту же роль, что и пусковой реостат в асинхронном электродвигателе с фазным ротором: оно уменьшает ток при пуске в обмотке возбуждения и увеличивает пусковой (входной) момент.
В зависимости от мощности питающей системы возможен прямой пуск электродвигателя или пуск при пониженном напряжении с применением реактора или автотрансформатора.
Применяется также пуск синхронных электродвигателей с возбудителем, глухо соединенным с обмоткой возбуждения (рис. 3-21, б). Такой способ пуска применим для электроприводов, пускаемых вхолостую или с малой нагрузкой (приводы насосов, вентиляторов, компрессоров, дробилок, шаровых мельниц и др.). В конце процесса пуска напряжение возбудителя возрастает и обмотка ротора оказывается включенной на его полное напряжение.
При пуске с подключенным наглухо возбудителем управление синхронным электродвигателем становится таким же простым, как и управление асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором. Это позволяет более широко применять синхронные электродвигатели в практике нерегулируемых электроприводов.
Регулирование скорости электродвигателей независимого возбуждения.
Из уравнения скоростной характеристики электродвигателя следует, что возможны три основных способа регулирования скорости электродвигателя: изменением сопротивления в цепи якоря, изменением потока возбуждения, изменением напряжения, подводимого к якорю.
Регулирование скорости изменением сопротивления в цепи якоря осуществляется путем введения добавочного сопротивления в цепь якоря. При увеличении сопротивления наклон характеристики электродвигателя возрастает, и при том же моменте сопротивления Мc скорость будет уменьшаться (рис. 3-28).
Рис. 3-28. Искусственные (реостатные) механические характеристики электродвигателя независимого возбуждения при различных сопротивлениях в цепи якоря.
Рис. 3.29. Механические характеристики электродвигателя независимого возбуждения при регулировании скорости ослаблением магнитного потока.
Полученные искусственные характеристики носят название реостатных. При нагрузке, равной нулю, реостатные характеристики имеют общую точку, равную скорости идеального холостого хода.
Недостаток данного способа регулирования — большие потери энергии в регулировочном реостате, его большие габариты и вес. Реостат также должен быть рассчитан на длительный рабочий ток электродвигателя.
Регулирование скорости изменением магнитного потока достигается введением добавочного сопротивления — регулировочного реостата — в цепь обмотки возбуждения. В этом случае магнитный поток будет уменьшаться, а скорость электродвигателя возрастать (по отношению к номинальной). При изменении магнитного потока меняются как скорость идеального холостого хода ω0, так и перепад скорости Δω (рис. 3-29).
Электродвигатели нормального исполнения можно регулировать «вверх» на 25—30% выше номинальной скорости (условия безыскровой коммутации); в электродвигателях специального исполнения скорость может повышаться в 3—4 и даже в 8 раз против номинальной.
К достоинствам данного способа относятся сохранение жесткости механических характеристик при изменении нагрузки и его экономичность, поскольку потери энергии на нагревание реостата невелики ввиду малой величины тока возбуждения — всего 2—5% от тока якоря. Такой способ регулирования целесообразно применять там, где с увеличением скорости допустимый статический момент уменьшается, т. е. для электроприводов, работающих при Р = const.
Рис. 3-30. Система генератор—электродвигатель (Г-Д),
Регулирование скорости изменением напряжения, подводимого к якорю, может быть осуществлено: от отдельного управляемого генератора (система носит название генератор — двигатель, или сокращенно Г—Д); от управляемого выпрямителя, выполненного на базе ионных приборов (ртутных выпрямителей, тиратронов) или тиристоров; от магнитного усилителя и полупроводниковых выпрямителей.
На рис. 3-30 приведена система Г—Д, которая состоит из следующих машин: АД — асинхронный (или синхронный) электродвигатель; вращающий генератор Г; возбудитель В; Д — электродвигатель рабочей машины; РМ — рабочая машина.
Электродвигатель Д в этой системе получает питание от генератора постоянного тока, напряжение на зажимах которого изменяется вниз от номинального, что приводит к уменьшению скорости вращения электродвигателя. Для получения скорости выше номинальной и, следовательно, расширения диапазона регулирования скорости используется способ ослабления магнитного потока электродвигателя.
Диапазон регулирования скорости в системе Г—Д составляет примерно 1:20 (30). В специальных схемах Г—Д диапазон регулирования может достигать значений 1:100 и выше.
В системе Г—Д при изменении подводимого к электродвигателю напряжения меняется только скорость ω0, а перепад скорости остается неизменным, поэтому механические характеристики для различных напряжений будут параллельными (рис. 3-31).
Система Г—Д находит широкое применение в регулируемых электроприводах с большим диапазоном регулирования скорости (прокатные станы, экскаваторы, металлорежущие станки). Несмотря на большие капитальные затраты (установленная мощность электрических машин несколько больше трех номинальных мощностей рабочего электродвигателя) и низкий к.п.д. установки, система окупает себя за счет увеличения производительности, экономии в электрических аппаратах управления, простоты операций пуска, реверсирования и торможения.
Существенным недостатком системы Г—Д является наличие трехмашинного преобразовательного агрегата, который требует больших капитальных вложений, усложняет эксплуатацию, занимает значительную площадь. По этой причине вместо вращающихся преобразователей используют статические преобразователи: ионные устройства (тиратроны, управляемые ртутные выпрямители) и магнитные усилители. В последнее время для этой цели начинают находить применение кремниевые управляемые вентили (КУВ) — тиристоры, которые по своим функциям в схемах преобразователей аналогичны тиратронам и ртутным управляемым выпрямителям.
Рис. 3-31. Механические характеристики системы Г—Д при регулировании скорости изменением напряжения питающего генератора.
Пуск электродвигателей независимого возбуждения. Возможны три способа пуска: непосредственным включением в сеть, изменением сопротивления в якорной цепи и изменением напряжения, подводимого к якорю.
Пуск электродвигателя непосредственным включением в сеть или прямой пуск является наиболее простым и экономичным. Однако применение его сопряжено с большими пусковыми токами, достигающими 15—20-кратной величины по отношению к номинальному току, что недопустимо по соображениям коммутации (допустимый ток не должен превышать 1,8—2,5 номинального значения). Поэтому прямой пуск электродвигателя параллельного возбуждения возможен только для электродвигателей малой мощности, у которых внутреннее сопротивление якоря имеет относительно большие значения. Этот способ пуска очень ограничен.
Наиболее простым и распространенным является пуск изменением сопротивления в якорной цепи, осуществляемый включением сопротивления пускового реостата в цепь якоря. В современном автоматизированном электроприводе выведение пусковых сопротивлений осуществляется путем замыкания ступеней пусковых сопротивлений контакторами. При ступенчатом выведении пусковых сопротивлений пусковой ток и момент колеблются в определенных заданных пределах (см. рис. 2-4).
Пуск изменением напряжения применяется главным образом в системе генератор — двигатель. При этом способе отпадает необходимость реостатного пуска рабочего электродвигателя, что при частых пусках, реверсировании и торможений позволяет значительно снизить потери энергии на нагревание сопротивлений пускового реостата.
