5.3. Динамические свойства синхронного двигателя

  При идеальном холстом ходе I_1q=0 и вектор (рис. 5.1в) совпадает с осью d (Θ_эл=0). Под нагрузкой ось ротора d и составляющая Ψ_{1 d} , которая в основном определяется током возбуждения I в , отстают от оси вращающегося магнитного поля на угол Θ_эл. Между постоянным магнитом, которым является возбужденный ротор, и вращающимся магнитным полем возникают силы взаимодействия. При малых углах Θ_эл эти силы изменяются по линейному закону. Это электромагнитное взаимодействие подобно механической упругой связи между полем ротора и результирующим полем машины. Поэтому по своим динамическим свойствам синхронный двигатель подобен упругим механическим системам.

  Рабочий участок угловой характеристики M=f(Θ_эл) можно с достаточной точностью для многих задач инженерной практики заменить линейной зависимостью M=kΘ_эл, проходящей через точку номинального режима:

  где

        C_эм – коэффициент жесткости упругой электромагнитной связи двигателя.

   Продифференцировав выражение (5.11), получим:

  Аналогия между электромагнитными взаимодействиями в синхронном двигателе и механической пружине поясняет повышенную склонность синхронного двигателя к колебаниям. Для снижения этой склонности реальные синхронные двигатели снабжаются демпферной или пусковой короткозамкнутой обмоткой, которая создает асинхронный момент.

  Результирующий момент в асинхронной машине можно приближенно считать равным сумме синхронного М_син и асинхронного М_ас моментов:

  Уравнение механической характеристики с учетом пренебрежения влиянием электромагнитной инерции на асинхронный момент будет иметь вид:

  (Из выражения (5.12) имеем

  Подставив в выражение (5.13), окончательно получим (5.14).)

  Структурная схема электромеханического преобразователя, соответствующая этому уравнению (рис. 5.3a):

  При р=0 получаем уравнение статической механической характеристики ω=ω₀=const. В статическом режиме изменения нагрузки на валу двигателя не приводят к изменениям скорости, т.к. модуль статической жесткости равен бесконечности. При значениях нагрузки, превышающих M_max=λM_ном, двигатель выпадает из синхронизма. Статическая механическая характеристика синхронного двигателя имеет вид прямой 1 (рис. 5.4).

  В динамических режимах механическая характеристика синхронного двигателя не является абсолютно жесткой. В режиме установившихся колебаний динамическая механическая характеристика имеет вид эллипса (кривая 2, рис. 5.4).

  Передаточная функция динамической жесткости определяется выражением:

  Следовательно АЧХ и ФЧХ динамической жесткости определяются выражениями:

  Используя выражения (5.16) и (5.17) на рис. 5.3б, построены АЧХ и ФЧХ динамической жесткости асинхронного двигателя.

Динамические механические характеристики, соответствующие даже сравнительно медленным изменениям момента двигателя, могут существенно отличаться от статических.

  Важным достоинством синхронного двигателя является возможность регулирования реактивной мощности посредством изменения величины тока возбуждения I_в. При относительно небольшом токе возбуждения ток статора I₁ отстает от приложенного напряжения на угол φ₁ и из сети потребляется реактивная мощность. Увеличивая ток возбуждения можно добиться φ₁=0, что соответствует потреблению из сети только активной мощности. Дальнейшее увеличение тока возбуждения I_в приводит к отдаче реактивной мощности в сеть (рис.5.1в).

  Увеличение тока возбуждения, а значит и ЭДС Е приводит к увеличению момента машины, а при неизменном моменте - к уменьшению угла Θ_эл. Как следует из выражения для угловой характеристики синхронной машины, увеличение тока возбуждения приводит к увеличению перегрузочной способности синхронного двигателя. Поэтому форсирование возбуждения при бросках нагрузки позволяет повысить устойчивость работы двигателя в этих режимах.