Физические процессы в электроприводе с машинами переменного тока, страница 6

;                                             (4.23)

.                                               (4.24)

Следует иметь в виду, что (4.21) – (4.24) не учитываю насыщение магнитной цепи двигателя, и X_m » const. В действительности X_m может сильно (см. рис. 4.2, в) меняться, увеличиваясь по мере выхода магнитной цепи из насыщения. Для ненасыщенной машины X_m >>, вследствие чего s_к._т << s_к.

4.4. Основные характеристики электропривода
с синхронным двигателем

Общие сведения

Синхронные двигатели до недавнего времени использовались относительно редко, главным образом в мощных установках, где не требовалось регулирование скорости. В последние годы положение существенно изменилось: за счет современных материалов (постоянных магнитов), средств управления (ключи на относительно большие токи и напряжения и т.д.) электропривод с синхронными двигателями видоизменился и прочно занял ведущие позиции в ряде технических областей – в станкостроении, робототехнике, гибких производственных системах и т.п.

Принцип действия синхронной машины

Один из элементов машины (обычно статор) используется для создания вращающегося магнитного поля и в этом смысле очень похож на соответствующий элемент асинхронной машины; другой элемент – ротор – выполнен в виде явнополюсного или неявнополюсного электромагнита, питаемого через кольца и щетки от источника постоянного напряжения, или в виде конструкции из постоянных магнитов. Подвижный элемент – магнит – увлекается полем, движется синхронно с ним, связанный «магнитной пружиной», отставая в двигательном режиме или опережая в тормозном на угол q, зависящий от электромагнитного момента.

Простая модель синхронной машины

Фазе статора неявнополюсной (p_п = 1) синхронной машины, если пренебречь активным сопротивлением обмотки, можно поставить в соответствие элементарную схему замещения (рис. 4.7, а): ЭДС источника питания (синусоидальное напряжение U) уравновесится частично ЭДС (Е), наведенной в неподвижной обмотке вращающимся магнитом – ротором, и определит вместе с реактивным сопротивлением (X_s) ток (I).

Векторная диаграмма, отражающая указанные процессы, показана на рис. 4.7, б. Для синхронной машины очень важен угол q между векторами  и  или, что то же, между осью поля статора и осью ротора, так как он, как отмечалось, характеризует степень растянутости «магнитной пружины». Основные соотношения между электрическими и механическими величинами найдем, пользуясь формулой:

                                                                             (4.25)

и векторной диаграммой (рис. 4.7, 6), из которой следует, что .

Из вспомогательного треугольника ABC, определив
, получим: . Далее найдем уравнение электромагнитного момента для неявнополюсной машины:

.                                   (4.26)

Таким образом, электромагнитный момент синхронной машины зависит от угла q, причем для малых значений q  можно принимать Мс_эмq.

Максимальный момент (М_max) при постоянном напряжении и частоте пропорционален ЭДС  (Е), т.е. в линейном приближении – току возбуждения машины. Для нормальных машин перегрузочная способность: .

Если машина имеет явнополюсный ротор, то к моменту, определенному по формуле (4.26) (рис. 4.7, в), добавится еще одна – реактивная составляющая, пропорциональная sin2q (штриховая линия на рис. 4.7, в). Общий вид моментной характеристики синхронной машины показан на рис. 4.7, в (штрихпунктирная линия), механическая характеристика изображена на рис. 4.7, г.

Синхронная машина имеет характерную зависимость тока статора (I) от тока возбуждения (I_в), так называемые V-образные кривые (рис. 4.7, д). Их природа объясняется тем, что при изменении тока возбуждения меняются реактивная составляющая тока статора и ее знак.

Энергетические особенности