Как регулируется коэффициент мощности синхронного двигателя

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Коэффициент мощности синхронного двигателя также зависит от нагрузки, однако он может быть изменен при регулировании тока возбуждения. При меньшем токе возбуждения синхронный двигатель является потребителем реактивной мощности. При дальнейшем увеличении тока возбуждения синхронный двигатель может работать в качестве генератора реактивной мощности. [1]

Коэффициент мощности синхронного двигателя , так же как и у асинхронного двигателя, зависит от нагрузки. [3]

Коэффициент мощности синхронного двигателя зависит от нагрузки на валу двигателя и тока возбуждения. [4]

Коэффициент мощности синхронного двигателя зависит от величины нагрузки на валу двигателя и тока возбуждения. [5]

Как регулируют коэффициент мощности синхронного двигателя , работающего с неизменной нагрузкой. [6]

Как известно, коэффициент мощности синхронных двигателей зависит от режима возбуждения; это может быть пояснено следующим образом. [7]

От чего зависит величина коэффициента мощности синхронного двигателя . [8]

Иначе обстоит дело с коэффициентом мощности синхронного двигателя . Здесь с помощью соответствующего возбуждения коэффициент мощности может регулироваться в широких пределах. В большинстве случаев требуют, конечно, cos ф 1 или даже опережающей величины для того, чтобы улучшить коэффициент мощности установки в целом. Условия для синхронного двигателя настолько благоприятны, что в нем может применяться значительно больший воздушный зазор, чем в асинхронном двигателе. Посмотрим, почему для синхронного двигателя так легко можно установить высокий коэффициент мощности. [10]

Отсюда следует возможность регулирования током возбуждения ротора коэффициента мощности синхронного двигателя . Поясним это с помощью векторных диаграмм синхронного — двигателя, представленных на рис. 11.20. Пусть при данной нагрузке ток возбуждения установлен таким, что угол р0, cospl, ток статора совпадает с напряжением по фазе. [11]

Как будут изменяться ток в обмотке статора и коэффициент мощности синхронного двигателя при увеличении тока возбуждения, есл двигатель работает: а) с недовозбуждением; б) с перевозбуждением. Предполагается, что нагрузка на валу двигателя остается постоянной; Указать неправильный ответ. [12]

Как будут изменяться ток в обмотке статора и коэффициент мощности синхронного двигателя при увеличении тока возбуждения, если двигатель работает: а) с недовозбуждением; б) с перевозбуждением. Предполагается, что нагрузка на валу двигателя остается постоянной. [13]

Коэффициент мощности синхронного двигателя зависит от нагрузки и тока в обмотке возбуждения. Это является одним из ее больших преимуществ по сравнению с асинхронной машиной, которая при всех возможных режимах работает при отстающем токе. [15]

Эксплуатация электрических машин и аппаратуры — Синхронные двигатели

Конструкция синхронного двигателя аналогична конструкции синхронного генератора. Ротор обычно явнополюсной. На роторе, в его полюсных башмаках обязательно укрепляют пусковую обмотку, она подобна успокоительной обмотке генератора. Для улучшения пусковых характеристик воздушный зазор в двигателях делают несколько меньше зазора в генераторе.
Принцип работы синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного потока статора с магнитным потоком ротора (индуктора). При протекании трехфазного тока по трехфазной обмотке статора образуется вращающееся магнитное поле. Скорость вращения его при заданной частоте тока для данного двигателя величина постоянная. Магнитное поле статора жестко сцепляется с магнитным полем ротора; северный полюс статора будет против южного полюса ротора и увлечет в своем вращении ротор двигателя. Ротор двигателя вращается с постоянной скоростью независимо от величины нагрузки.
В синхронном генераторе магнитное поле статора следует за магнитным полем ротора, то есть в этом процессе ведущий — ротор. Поле статора — ведомое. Ось магнитного потока ротора в генераторе в пространстве опережает ось магнитного потока статора. Этот угол опережения увеличивается с ростом активной нагрузки генератора. В синхронном двигателе магнитное поле ротора следует за магнитным полем статора. Здесь поле статора ведущее, а ротор ведомый. В двигателе ось магнитного потока ротора в пространстве при своем вращении отстает от оси магнитного потока статора. Этот угол отставания возрастает с увеличением нагрузки двигателя (тормозного момента на валу).
В синхронных машинах угол раствора осей магнитного потока ротора и статора может увеличиться до 90°, при больших углах машина выпадает из синхронизма. В этом случае скорость ее уже не постоянная, она потребляет очень большой ток. защита должна быстро отключить двигатель от сети.
Синхронные двигатели характеризуются перегрузочной способностью, то есть отношением максимального момента к номинальному. Величина момента синхронных двигателей в отличие от асинхронных зависит от величины питающего напряжения в первой степени, то есть уменьшения напряжения, например вдвое, сопровождается уменьшением и максимального момента вдвое. Перегрузочная способность синхронного двигателя очень существенно зависит от тока возбуждения. С уменьшением тока возбуждения уменьшается максимальный момент двигателя, а угол раствора осей потоков увеличивается. При некотором, предельно наименьшем токе возбуждения максимальный момент двигателя будет равен тормозному моменту, а угол раствора — 90. Дальнейшее уменьшение тока возбуждения приведет к тому, что максимальный момент двигателя будет меньше тормозного, двигатель выпадет из синхронизма.
Коэффициент мощности синхронного двигателя может принимать разные значения в зависимости от тока возбуждения.

Коэффициент мощности и ток статора в синхронном двигателе регулируют изменением тока возбуждения. Если в асинхронных двигателях при постоянном напряжении, частоте и моменте сопротивления ток статора и коэффициент мощности вполне определенные величины, то в синхронных двигателях эти величины при тех же условиях можно изменить в широких пределах.
Можно ток возбуждения отрегулировать так, чтобы cos φ двигателя стал равным единице. Такой двигатель называют нормально возбужденным. При уменьшении тока возбуждения cos φ уменьшается, реактивную мощность двигатель потребляет из сети, которая и идет на покрытие недостатка собственного возбуждения.
Если ток возбуждения увеличивать ст значения, соответствующего нормальному возбуждению, cos φ уменьшается. В этом случае реактивная мощность отдается двигателем в сеть вследствие избытка возбуждения.
Возможность регулирования коэффициента мощности наряду с постоянством скорости вращения — важное качество синхронного двигателя в сравнении с асинхронным. При любой нагрузке синхронного двигателя сравнительно просто получить cos φ = 1, а при большем токе возбуждения он будет отдавать реактивную мощность в сеть, которую потребляют асинхронные двигатели и трансформаторы.
Ток статора синхронного двигателя в зависимости от тока возбуждения определяют (U-образной характеристикой.
U-образная характеристика представляет зависимость тока двигателя от тока возбуждения при постоянных величинах: напряжении, частоте и моменте нагрузки на валу.

Рис. 52/ U-образные характеристики синхронного двигателя:
1 — регулировочная характеристика при cos φ = L; 2 — линия статической устойчивости.
На рисунке 52 представлены (U-образные характеристики синхронного двигателя при трех значениях момента. Каждая U-образная характеристика имеет низшую точку, которая соответствует нормальному возбуждению двигателя, то есть здесь cos φ = 1. Ордината низшей точки U-образной характеристики представляет активную составляющую тока статора при данном моменте двигателя. Левая ветвь характеристики соответствует недовозбужденному режиму двигателя, когда он работает с отстающим током при потреблении реактивной мощности из сети. Правая ветвь характеристики соответствует режиму перевозбуждения двигателя, когда он работает с опережающим током при отдаче реактивной мощности в сеть.

Чем больше момент двигателя, тем выше U-образная характеристика и тем правее будет низшая ее точка. Кривая 1, соединяющая разгружена от реактивной мощности, cos φ станет близким к единице, пропускная способность линии увеличится.
С помощью компенсатора можно регулировать напряжение в конце линии передачи. Если напряжение в конце линии уменьшится, то перевозбуждением компенсатора можно напряжение довести до номинального. В случае повышения напряжения в конце линии свыше номинального, что может быть при малой нагрузке, недовозбуждением компенсатора можно снизить напряжение до требуемого уровня. Синхронный компенсатор даже при постоянном токе возбуждения способен в некоторой мере стабилизировать напряжение линии.
Синхронные компенсаторы — это крупные электрические машины мощностью в тысячи и десятки тысяч киловольт-ампер. Включают в сеть синхронные компенсаторы по методу асинхронного пуска синхронных двигателей. Очень крупные компенсаторы пускают разгонным двигателем.

Регулирование коэффициента мощности

Синхронный двигатель позволяет регулировать реактивную мощность, отдаваемую в сеть, что является очень ценным качеством.

Пусть двигатель работает с неизменной механической нагрузкой на валу, т. е. М_с = const при U = const.

При изменении тока возбуждения I_в будут изменяться противоЭДС E₀ и ток якоря I_я, однако вращающий момент М и активная мощность двигателя в установившемся режиме останутся неизменными. Это означает, что изменение тока I_в не изменяет для E; (₀ его горизонтальной проекции E₀sinθ на рис. 3.48, б, т. е. приводит к перемещению вершины E; (₀ по вертикальной прямой b₁–b₂. Аналогично изменение тока I_в не изменяет для тока якоря вертикальной проекции I_яcosφ, т. е. приводит к перемещению вершины вектора İ_я по горизонтальной прямой а₁–а₂. На рис. б E; (₀ находится в точке b₁. При этом İ_я, ортогональный вектору jX_снİ_я, отстает от U; ( на угол φ₁ (φ₁ > 0). Такой режим называют режимом недовозбуждения, в этом режиме двигатель для сети представляет активно-индуктивную нагрузку и отдает в сеть положительную реактивную мощность Q = UI_яsinφ₁ > 0.

Увеличив I_в до значения, при котором вершина E; (₀ станет на одной горизонтали с вершиной U; (, т. е. в точке b₀, получим номинальный режим (I_в = I_в,ном). В этом режиме İ_я находится в точке а₀ и совпадает по фазе с напряжением U; ( (φ₀ = 0), двигатель является чисто активной нагрузкой с cosφ₀ = 1. Продолжим увеличение тока I_в. Пусть I_в > I_в,ном, чему соответствует положение вершины вектора E; (₀ в точке b₂. Такой режим называют режимом перевозбуждения. Точке b₂ соответствует положение вершины I; (_я в точке а₂. Тогда в режиме перевозбуждения I; (_я опережает по фазе напряжение U; ( на угол φ₂ < 0. Двигатель в перевозбужденном режиме представляет для сети активно-емкостную нагрузку и отдает в сеть отрицательную реактивную мощность Q = UIsinφ₂ < 0. Эта мощность может использоваться для компенсации положительной реактивной мощности других потребителей (например, АД). В итоге можно значительно повысить суммарный коэффициент мощности всех потребителей. Изменяя ток I_в и пользуясь диаграммой б, можно получить зависимость I_я = f(I_в) для разных значений M_c. Эти зависимости называют V-образными характеристиками .

Сделаем выводы по V-образным характеристикам. При значительных токах I_в > I_в,ном рост тока якоря замедляется в связи с насыщением магнитной цепи. Пунктирная линия cosφ = 1 показывает, что с ростом момента сопротивления M_c для сохранения номинального режима нужно увеличивать ток возбуждения. Чем меньше ток I_в в режиме недовозбуждения, тем ближе двигатель к границе устойчивости (выпадение из синхронизма). Режим перевозбуждения выгоден и тем, что увеличивает запас K_м по моменту, так как уменьшается угол нагрузки θ (рис. б). Поскольку в режиме перевозбуждения рост I_в ведет к росту I_я, то при номинальной нагрузке двигателя (М_с = М_ном) возможность введения перевозбуждения ограничена, так как оно приводит к перегреву обмоток двигателя. Для увеличения резерва перевозбуждения нужно снижать М_с. В наибольшей мере эта возможность реализована в синхронных компенсаторах. Синхронный компенсатор – синхронная машина облегченной конструкции, работающая без нагрузки на валу в перевозбужденном режиме. По отношению к сети он практически эквивалентен конденсатору и используется для повышения cosφ за счет компенсации положительной реактивной мощности асинхронных двигателей.

Синхронный электродвигатель

Синхронный двигатель – тип электрических машин с равной частотой вращения вала и крутящегося магнитного поля неподвижного узла. За счет относительно сложной конструкции такие двигатели не так распространены, как асинхронные двигатели, однако, в некоторых случаях являются практически незаменимыми.

Рассмотрим конструкцию синхронных электродвигателей, их преимущества и недостатки.

Принцип работы

Принцип действия синхронных электрических машин основан на сцеплении крутящегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора.

При этом концепция та же, что у асинхронного двигателя: при подаче трехфазного напряжения на обмотки неподвижного узла, сдвинутые на 1200, возникает магнитное поле с попеременно меняющимися полюсами.

При этом на обмотки ротора подается постоянный ток, который наводит постоянное магнитное поле.

При подаче переменного трехфазного напряжения на статор и постоянного тока на ротор, разноименные полюса магнитного поля ротора будут притягиваться к соответствующим полюсам вращающегося поля статора. При таком взаимодействии возникает крутящий момент, который вращает вал. При этом его скорость будет равна частоте вращающегося магнитного поля, наводимого обмотками неподвижного узла. Наглядно принцип действия синхронных электрических машин представлен на рисунке ниже.

Конструкция и виды синхронных двигателей

Синхронные двигатели с роторными обмотками – самые распространенные электрические машины такого типа. Силовые агрегаты состоят из следующих основных узлов:

• Станины и корпуса. Элементы конструкции предназначены для размещения других узлов и опоры.
• Статора. Неподвижная часть включает сердечник и трехфазные обмотки переменного тока.
• Ротора. Вращающийся узел состоит из магнитопровода с уложенной в нем обмотки постоянного тока.
• Вала. Элемент конструкции предназначен для подключения механической нагрузки, на нем также размещены катушки возбуждения.
• Контактных колец. Узлы предназначены для подачи постоянного напряжения на обмотки ротора.

Конструкция синхронных двигателей может различаться в зависимости от вида. Например, в электрических машинах типа СДПМ для создания магнитного поля применяют постоянные магниты, такие электродвигатели также не имеют электрических колец. Различают роторы явно и неявнополюсной конструкции. Первые применяют в двигателях приводов низкооборотистого оборудования, работающего при значительной нагрузке.

Электродвигатели с неявнополюсным вращающимся узлом используют в скоростных приводах. По конструкции статора различают синхронные электрические машины с распределенной (на рисунке слева) и сосредоточенной обмоткой (на рисунке справа).

В асинхронных двигателях ЭДС вращающегося узла наводится под воздействием магнитного поля статора. Вследствие этого возникает разница между скоростями вращения магнитного поля и ротора, называемая скольжением. Синхронные электрические машины не имеют скольжения, благодаря чему такие двигатели можно применять в приводах точных механизмов.

К преимуществам синхронных двигателей с роторными обмотками также относят высокую перегрузочную способность, увеченный к.п.д (может достигать до 95%), пропорциональную зависимость момента на валу от питающего напряжения, стабильную скорость при переменной нагрузке. К недостаткам синхронных машин относят относительную сложность конструкции, наличие источника постоянного тока для обмотки возбуждения, сложность пусковой схемы.

Способы пуска и возбуждения синхронных двигателей

Синхронные машины требуют источник постоянного тока для питания обмотки ротора. Наибольшее распространение получили статические системы возбуждения на базе тиристорных преобразователей. Системы с генератором постоянного тока на валу электродвигателя уже практически не применяют.

Электропитание тиристорных возбудителей осуществляется от трансформатора, включенного в одну сеть с двигателем. Системы позволяют регулировать напряжение, коэффициент мощности, величину реактивной составляющей обмоток статора.

Синхронные электрические машины не могут запускаться прямым включением в сеть, так как смена полюсов вращающегося магнитного поля происходит слишком быстро, из-за инерции разгон ротора до синхронной скорости невозможен.

Существует несколько схем пуска электродвигателей синхронного типа.

Двигательный. Запуск синхронного двигателя осуществляется за счет разгона ротора до синхронной частоты при помощи вспомогательной электрической машины. При этом электродвигатель включается в сеть после достижения синхронной частоты, после чего вспомогательный двигатель останавливают. Двигательные схемы считаются морально устаревшими, из-за высокой стоимости и значительных габаритов и массы их уже практически не применяют.

Асинхронный. Синхронные двигатели с асинхронным стартом имеют дополнительную обмотку типа «беличья клетка» на полюсных наконечниках ротора. Пуск электродвигателя осуществляется при отсутствии постоянного тока в обмотке возбуждения, как у асинхронных электрических машин. После разгона до скорости, близкой к синхронной, на роторную катушку подают постоянный ток, двигатель начинает работать в синхронном режиме. Во время старта, до входа в синхронизм, роторную обмотку замыкают на сопротивление, это необходимо для ограничения тока, наводимого полем статора при пуске и разгоне. Такой метод позволяет осуществлять запуск синхронной машины напрямую от сети. К недостаткам относят значительный пусковой ток, затруднение старта под нагрузкой.

Частотный. При этом электродвигатель подключают к частотному преобразователю. Пуск электрической машины осуществляется путем подачи напряжения низкой частоты и плавного ее увеличения до номинального значения, двигатель все время работает в режиме синхронизма. Такой способ позволяет уменьшить время переходных процессов и пусковые токи, снизить тепловые нагрузки, осуществлять пуск синхронных электрических машин под нагрузкой. Недостатком способа является относительно высокая цена специализированного преобразователя частоты. Частотный пуск – наиболее перспективный, он позволяет устранить многие недоставки синхронных электрических машин.

Типы синхронных электродвигателей

Электрические силовые агрегаты с синхронной частотой вращения применяют для решений приводов самого различного назначения: оборудования для инженерных систем и промышленности, бытовых и производственных механизмов. Кроме электрических машин с роторными обмотками, существует еще несколько типов синхронных двигателей. Рассмотрим их типы и конструкцию подробнее.

Двигатели с постоянными магнитами

Конструкция СДПМ напоминает синхронные двигатели с обмотками ротора. Главное отличие – наличие постоянных магнитов на вращающейся части вместо обмоток. Электродвигатели с постоянными магнитами не требуют источника постоянного тока для питания обмотки возбуждения.

• Упрощенная в сравнении синхронным двигателем с обмотками ротора конструкция.
• Увеличенный к.п.д.
• Улучшенное отношение масса/мощность.
• Возможность точного управления моментом и скоростью.

СДПМ имеют более высокую стоимость, что несколько ограничивает их использование. Область применения электрических машин – приводы средней и малой мощности.

Синхронный реактивный двигатель

Вращение вала таких электродвигателей осуществляется за счет разности магнитной проводимости ротора в поперечной и продольной плоскости. Чем больше эти значения отличаются, тем выше крутящий момент на валу электрической машины. Конструкция статора реактивных электродвигателей не отличается от стандартных синхронных электрических машин с распределенной или сосредоточенной трехфазной обмоткой.

Варианты конструкции крутящейся части: с явновыраженными полюсами (слева), аксиально-расслоенная (по середине) и поперечно-расслоенная (справа).

Синхронный реактивный двигатель обладает следующими достоинствами:

• Простая конструкция ротора без магнитов и обмоток.
• Небольшой нагрев.
• Низкая инеркцинность.
• Возможность задания скорости в широком диапазоне.

К недостаткам электрических машин относят невысокий коэффициент мощности. Область применения таких двигателей – приводы маломощного оборудования и механизмов.

Гистерезисный двигатель

Принцип действия гистерезисных электрических машин основан на явлении гитерезиса магнитовтвердых материлов. Крутящий момент возникает под действием остаточного намагничивания ротора, которое осуществляется магнитным полем статора электродвигателя, в остальном принцип работы электродвиагателей сходен с СДПМ.

Вращающаяся часть гистерезисных двигателей имеет неявнополюсную сборуную конструкцию. К приемуществам электрических машин относятся:

• Простой старт без дополнительной аппаратуры.
• Отсутвие высоких пусковых токов.
• Плавный вход в синхронный режим.
• Простая конструкция.
• Более высокий коэффициент мощности чем у реактивных синхронных двигателей.

К недостаткам относят высокую цену, которая обсуловлена стоимостью магнитотвердых материалов с широкой петлей гистерезиса для ротора.

Реактивно-гистерезисный электродвигатель

Реактивно-гистерезисный двигатели – тип синхронных электрических машин с явнополюсным ротаторном. Пуск осуществляется за счет крутящего момента, возникающего при взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и гистерезиса ротора.

Дальнейшая работа двигателя в синхронном режиме – за счет реактивного момента и остаточного намагничивания. Таким образом, двигатели совмещают достоинства реактивных и гистерезисных электрических машин:

• Простота конструкции.
• Самозапуск без дополнительного оборудования.
• Возможность работы от однофазной электросети.

К недостаткам относятся низкие КПД и cosφ. Область применения реактивно-гистерезисных двигателей: микроприводы различного назначения.