Дослідження однофазного синхронного двигуна
Мета роботи: Набути практичних навичок в дослідженні механічної характеристики електропривода, одержати експериментальне підтвердження теоретичним даним для неї.
Програма роботи
1. Ознайомитись з будовою лабораторної установки. Знайти (довідки по Internet) і записати паспортні дані електричної машини.
2. Зібрати схему по рис.1 і після перевірки її викладачем виконати необхідні дослідження.
3. Зняти дані і побудувати залежність ω=ƒ(M)(n=ƒ(M)).
4. Викоритсовуючи результати дослідів, визначити критичне значення М, порівняти його з паспортним.
5. Скласти звіт і зробити висновки по лабораторній роботі.
Опис лабораторної роботи
Лабораторна установка являє собою пристрій, що складається із однофазного синхронного двигуна М. На валу якоря двигуна закріплена спеціальна конструкція, яка імітує ряд навантажувальних моментів при роботі реальної схеми ЕП. В схему включені вольтметр V для контролю за напругою мережі, амперметр А для вимірювання величини сили струму в обмотках двигуна ватметр W для контролю втрат потужності двигуна при роботі в ЕП. Особливу увагу треба приділити вимірюванню частоти обертання n(об./хв.) двигуна в системі ЕП.
Теоретичні дані
Синхронні трифазні двигуни широко застосовуються для привода механізмів, що не потребують регулювання кутової швидкості(насосів, компресорів, охолоджувальних машин та ін.). СД мають такі переваги порівняно з АД:
1) високий коефіцієнт потужності cosφ, який дорівнює одиниці для малопотужних двигунів і може бути випереджаючим у потужних двигунах;
2) здатність робити з випереджаючим cosφ, коли коли він компенсує реактивну потужність, що споживається з мережі іншими АД;
3) високий ККД(96-98%), що на (1…1,5)% перевищує ККД АД такого ж габариту і кутової швидкості;
4) можливість короткочасного збільшення перевантажувальної здатності завдяки підсиленню збудження двигуна. Перевантажувальна здатність СД звичайно дорівнює Ммакс/Mном=2…2,5. Вона залежить від напруги мережі і струму збудження. Збільшуючи струм збудження понад номінальний, можна збільшити перевантажувальну здатність до (3,5…4)Мном;
5) менша чутливість до відхилень напруги мережі від номінального значення. Обернений момент ЕД залежить від величини магнітного потоку статора і магнітного потоку ротора. У зв'язку з тим, що магнітний потік ротора створюється постійним струмом збудника, зміна напруги в мережі впливає лише на величину магнітного потоку, створюваного обмоткою статора. Тому електромагнітний момент синхронного двигуна прямо пропорційний напрузі мережі;
6) більший максимальний момент;
7) абсолютно жорстка механічна характеристика;
8) більша експлуатаційна надійність завдяки наявності більшого повітряного зазору між статором і ротором.
Статор СД аналогічний статору АД. Ротор виконаний з двома обмотками: обмоткою збудження постійного струму та короткозамкненою пусковою обмоткою, яка забезпечує пускову МХ СД у вигляді однієї з кривих (рис.2,а). характеристика 1 забезпечує порівняно з характеристикою 2 більший підсинхронний (вхідний) момент Мв.1>Мв.2, тобто обертальний момент, який двигун розвиває при швидкості 0,95ω0.
Підсинхронний момент буде тим більше, чим менший опір пускової обмотки двигуна, а пусковий момент – навпаки, тобто Мn1<Мn.
а) 
(б
Рис(2) Механічні характеристики СД: а)пускові; б)робоча
Вибір двигуна за видом проводиться залежно від МХ РМ. Двигун з малим пусковим і великим вхідним моментом використовують для привода механізмів з вентиляторною характеристикою. Для приводу машин з великим пусковим моментом (компресори, прокатні станки та ін.) застосовуючи СД з великим пусковим і малим вхідним моментом.
Синхронний двигун запускають спочатку в асинхронному режимі прямим вмикання у мережу. При цьому СД буде розганятися як АД завдяки наявності в ньому пускової короткозамкненої обмотки на роторі. Рис(4) 
Рис(3) 
Після розгону до під синхронної швидкості в обмотку збудження двигуна подають струм від збудника і двигун втягується в синхронізм. В цьому випадку взаємодія магнітних полів статора і ротора створює сталий за напрямом момент. Механічна характеристика СД ω=ƒ(М) (рис.2,б) є горизонтальна лінія з ординатою ω0. Зростання навантаження вище максимального моменту Мmax приводить до випадання ЕД з синхронізму, або до зупинки ЕП.
Основною перевагою синхронного двигуна перед двигунами інших типів є абсолютно жорстка механічна характеристика(рис.3).Тобто ротор обертається зі швидкість обертового поля, що збуджується статором. Швидкість обертання поля не залежить від моменту опору. Якщо опір більший за максимальний, ротор зупиниться.
Полюси статора і ротора обертаються з однаковою швидкістю. Але між осями цих полюсів є деяке кутове зміщення. Це зміщення залежить від моменту опору. Залежність електромагнітного моменту від кута між осями полюсів статора і ротора називається кутовою характеристикою двигуна (рис.4). Момент має позитивні значення у межах 0<ϴ<π, але стійкий режим роботи може бути тільки на ділянці 0/ϴ<π/2. Звичайно ϴном=(20…30)º.
Подальше зростання кута призводить до випадання двигуна із синхронізму ( ϴ>π/2).
Синхронний двигун може працювати в усіх основних енергетичних режимах. Режим генератора послідовно з мережі (гальмуванням проти вмиканням) використовують рідко, тому що переведення в цей режим супроводжується значним кидком струму і потребує застосування схем керування. Частіше використовується режим динамічного гальмування, при якому струм вимикається із мережі і замикається на резисторі. Обмотка збудження продовжує одержувати живлення від джерела постійного струму. Синхронний двигун може працювати в режимі рекуперативного гальмування. Якщо зовнішнє навантаження від'ємне, кут Θ змінює знак і СД починає віддавати активну енергію в мережу. Особливістю генераторного режиму СД є те, що в пере збудженому стані він може віддавати у мережу і реактивну енергію.
СД можуть працювати в режимі динамічного гальмування, при якому обмотки статора вимикають з мережі і замикають на резистори. Для підвищення ефективності електродинамічного гальмування СД його обмотку збудження доцільно живити від мережі змінного струму через випрямляч або від збудника, що приводить в рух іншим двигуном. При живленні від власного збудника внаслідок зменшення напруги збудження одночасно із сповільненням СД струм збудження зменшується, що призведе до зменшення гальмівного моменту двигуна, а отже, до збільшення часу гальмування.
Недоліки СД є: значна вартість малий пусковий момент; складність схеми керування і потреба збудника або перетворювача змінного струму на постійний; неможливість регулювання кутової швидкості у випадку, коли двигун живиться від мережі незмінної частоти.
Оскільки СД запускають в асинхронному режимі, то при зниженні напруги, яку подають до двигуна для зменшення пускового струму СД, сила струму двигуна знижується пропорційно першому ступеню напруги, тоді як пусковий момент знижується пропорційно другому її ступеню.
Хід роботи
1. Електродвигун ввімкнути в мережу при номінальній напрузі U=Uном.
2. Тахометром зафіксувати частоту обертання при М=0.
3. Знати показання приладів і занести в таблицю 1.
Таблиця 1
| М(н.м) (задається) | критичний | |||||||
| n(об/хв.) | ||||||||
| U(в) | ||||||||
| I(а) | ||||||||
| W(вт) |
4. За результатами вимірювань побудувати реальну механічну
характеристику n=(M).
Аналіз результатів лабораторної роботи
1. Отриману реальну характеристику n= ƒ(М) порівняти з теоретичною.
Зробити висновои
2. Порівняти всі отримані дані з паспортними на двигун, пояснити
розбіжності в практичних даних.
3. Порівняти основні перевантажувальні параметри двигуна(n, W, U, I) з
практично отриманими. Зробити висновок про доцільність використання досліджуваного двигуна в системі ЕП.
Контрольні питання .
1. Який вигляд має механічна характеристика синхронного двигуна?
2. Що таке кутова характеристика СД?
3. Які режими роботи СД є оптимальними?
Показати на характеристиках.
4. Для ЕП яких робочих машин застосовують СД;
а) милим вхідним моментом;
б) великим вхідним моментом?
5. Які режими електронного гальмування застосовують у приводах з СД?
6. Пояснити суть входження в синхронізм при запуску СД.
Література.
1. П.М. Монтік. Електротехніка та електромеханіка. Навчальний посібник. "Новий світ - 2000". Львів. 2007р. – 500с
2. Б.І. Паначевний, Ю.Ф. Свергун. Загальна електротехніка: теорія і практикум. Новн. Посібник. ""Каравела". Київ. 2003р. – 440с.
3. М.М. Кацман. Электрические машины. "Высшая школа" Москва. 1990г. – 463с.