Avtoargon.ru

АвтоАргон
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Параллельная работа синхронных генераторов с сетью (стр

Параллельная работа синхронных генераторов с сетью (стр. 4 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Рис. 16.3. Векторная диаграмма явнополюсного синхронного двигателя

Аналогично можно показать, что при отстающем токе продо льная реакция якоря оказывает намагничивающее действие.

16.2. Угловые и U образные характеристики синхронного двигателя

Синхронный двигатель потребляет электрическую мощность Р1 сети. Часть этой мощности расходуется на электрические потер и в обмотке якоря Р эл1 и магнитные потери в стали якоря Р м , оставшаяся часть — электромагнитная мощность Рэм — передается вращающимся магнитным полем на ротор:

Р эм = Р 1 — Р эл1 — Р м

Частично мощность Рэм расходуется на покрытие механичес ких Рмех и добавочных РД потерь, оставшаяся же ее часть Р2 явля­ ется полезной механической мощностью на валу двигателя.

Уравнения для электромагнитной мощности синхронного дви гателя можно получить из векторных диаграмм. Если пренебречь потерями в статоре эл1 и Рм), то для двигателя с независимой системой возбуждения будут справедливы те же выражения, что и генератора (см. гл. 15). Так, если принять, что Р 1 = Р эм = Р, то для явнополюсного и неявнополюсного двигателей можно соот­ ветственно записать

Электромагнитный момент получают делением электромагнит­ ной мощности на угловую скорость поля ω 1 .

Поскольку большая часть синхронных двигателей — машины явнополюсные, далее будем рассматривать именно этот конст­ руктивный вариант двигателя. Тогда

В двигателе электромагнитный вращающий момент направлен в сторону вращения ротора, а за счет составляющей момента М» (реактивного момента) двигатель может работать и при отсутствии возбуждения (т. е. при I в = 0 и E 10 = 0).

Рис. 16.4. Угловая характеристика электромагнитного момента явнополюсной синхронной машины

На рис. 16.4 показана угловая моментная характеристика М= f (θ) синхронной машины, работающей параллельно с сетью. Как и в синхронном генераторе, устойчивой является часть характери­ стики двигателя от начала координат до точки максимального мо мента M ma х , характеризующего ее перегрузочную способность. Угловая моментная характерис­ тика представляет собой меха­ ническую характеристику синх­ ронного двигателя. При номи­ нальном моменте на валу угол θном = 20…30°.

Отношение k м = М m ах /Мном называется кратностью макси­ мального момента и характери­ зует перегрузочную способ­ ность двигателя. Согласно ГОСТ 183—74** кратность максималь­ ного момента должна быть не менее 1,65.

Как видно из уравнения (16.4), момент, развиваемый синхронным двигателем, про­ порционален первой степени подводимого напряжения U 1 т. е. синхронный двигатель менее чув­ ствителен к изменению напряжения сети, чем асинхронный дви­ гатель. Кроме того, максимальный момент можно увеличивать пу­ тем увеличения тока возбуждения (в формуле момента ему соот­ ветствует ЭДС E 10 ). Все это позволяет уменьшить расчетную пере­ грузочную способность k м c инхронного двигателя по сравнению с асинхронным.

Рис. 16.5. U -образные характеристики синхронного двигателя и соответствующие им зависимости коэффициента мощности от тока возбуждения:

I — P = 0 ; II — P = 0 ,25 Р ном ; III — P = 0 ,5 Р ном

U -образные характеристики двигателя, которые так же, как и для генератора, можно построить по векторным диаграммам (см. гл. 15), при разных значениях активной мощности двигателя Р представлены на рис. 16.5 ( U 1 = const , f 1 = const ). При работе с опережающим током синхронный двигатель перевозбужден, а при работе с отстающим током — недовозбужден. При перевоз­ буждении двигатель генерирует реактивную мощность, что спо­ собствует повышению cosφ в узле нагрузки. Кроме того, умень­ шение потребления реактивной мощности позволяет снизить ре­ активную мощность, вырабатываемую синхронными генераторами на электрических станциях, уменьшить ток и потери в линиях электропередачи. Возможность генерировать реактивную мощность выгодно отличает синхронные двигатели от асинхронных, кото­ рые потребляют реактивную мощность из сети для возбуждения. Поэтому синхронные двигатели проектируются для работы при номинальной мощности с перевозбуждением (опережающим то­ ком) и cosφ ном = 0,9. Работа с перевозбуждением предпочтитель­ на также и для повышения максимального момента двигателя.

Уменьшение тока возбуждения приводит к уменьшению пе­ регрузочной способности неявнополюсного двигателя, так как Р max 1 U 1 Е 10 /хс. Предел уменьшения тока возбуждения в зоне не- довозбуждения показан на рис. 16.5 штриховой линией, для котор ой справедливо соотношение Р m ах = Р i где Р i = const — постоян ная мощность на валу, при которой строится i -я U -образная ха­ рактеристика. Если и дальше уменьшать ток возбуждения, то Р max станет меньше мощности приводимого механизма и двигатель выпадает из синхронизма. Иными словами, штриховой линией на этом рисунке показан предел статической устойчивости двигателя.

На рис. 16.5 приведены также зависимости со sφ = f ( I в ) при разли чных значениях Р (или М). Эти кривые показывают, что при изменении нагрузки синхронные двигатели могут работать с за­ данным значением со sφ (в том числе и при со sφ = 1) за счет регулирования тока возбуждения.

Как видно из U -образной характеристики, соответствующей холостому ходу двигателя (кривая I ), ток в ее минимальной точке (в отличие от тока холостого хода генератора — см. рис. 15.9) равен не нулю, а активной составляющей тока холостого хода двигателя I 10 a . Соответствующая этому току мощность Р10, потребляемая из сети, расходуется на покрытие потерь холостого хода двигателя.

16.3. Рабочие характеристики синхронного двигателя

Рабочие характеристики синхронного двигателя могут быть построены или при постоянном возбуждении ( I в = const ), или при постоянном коэффициенте мощности ( со sφ = const ). На рис. 16.6 показаны рабочие характеристики синхронного двигателя — за­ висимости M , Р1, I в , I 1 , η= f ( P 2 ) при f 1 = const и со sφ = cosφ ном = const .

Рис. 16.6. Рабочие характеристики синхронного двигателя при со sφ = const

Зависимость нагрузочного момента на валу М2 от полезной мощности Р2 имеет линейный характер, так как угловая ско­ рость ротора ω2 = ω1= const и M 2 = Р 2 / ω2 = const . Как следует из рис. 16.5, для поддержания со sφ = с onst с увеличением нагрузки ток возбуждения I в следует увеличивать.

При холостом ходе 2 = 0) двигатель потребляет из сети мощ­ ность, необходимую для покрытия собственных потерь (в основ­ ном магнитных и механических). Следовательно, при холостом ходе ток статора не равен нулю. С возрастанием мощности нагруз­ ки Р2 увеличивается и потребляемая мощность Р1 так как Р1 = Р2 +Р, где ∑Р — суммарные потери в двигателе.

С увеличением Р2 возрастает и ток I 1 . Зависимость КПД от Р2 имеет такой же характер, как и для асинхронных двигателей, а максимум КПД достигается при нагрузке, меньше номинальной.

16.4. Способы пуска синхронных двигателей

Существуют следующие способы пуска синхронных двигателей: асинхронный, частотный и с помощью разгонного двигателя.

Наибольшее распространение получил асинхронный пуск, ко­ торый аналогичен пуску асинхронного двигателя. Предусмотрен­ ная для этой цели в полюсных наконечниках ротора пусковая обмотка выполняется по типу короткозамкнутой обмотки рото­ ра асинхронного двигателя и имеет ту же конструкцию, что и демпферная обмотка синхронных генераторов (см. подразд. 12.1).

Читать еще:  Что сделать чтобы двигатель зимой грелся

При пуске трехфазная обмотка статора синхронного двигателя включается в сеть, при этом протекающий по ней ток создает круговое вращающееся магнитное поле, которое, перемещаясь относительно ротора, наводит в его короткозамкнутой пусковой обмотке ЭДС и ток. В результате взаимодействия тока пусковой обмотки ротора с вращающимся магнитным полем якоря образуется асинхронный момент, под действием которого ротор начи­ нает ускоряться и достигает частоты вращения п2, близкой к час­ тоте вращения магнитного поля п 1 .

Рис. 16.7. Механическая характеристика синхронного двигателя при асин­ хронном пуске с разомкнутой обмоткой возбуждения

Механическая характеристика синхронного двигателя при асин­ хронном пуске (рис. 16.7) аналогична механической характерис­ тике асинхронного двигателя (см. подразд. 11.1).

Ненагруженный двигатель может втянуться в синхронизм под действием реактивного момента. Если же реактивного момента оказывается недостаточно, то втягивание в синхронизм происхо­ дит после подачи постоянного тока в обмотку возбуждения за счет возникающего при этом синхронизирующего момента. С этого времени машина начинает работать как синхронный двигатель.

Синхронная машина

Синхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой равна частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре.

Содержание

  • 1 Устройство
  • 2 Принцип действия
    • 2.1 Генераторный режим
    • 2.2 Двигательный режим
  • 3 Разновидности синхронных машин
    • 3.1 Бесконтактная синхронная машина
  • 4 Примечания
  • 5 См. также
  • 6 Ссылки

Устройство [ править | править код ]

Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор (обмотка возбуждения). Как правило, якорь располагается на статоре, а на отделённом от него зазором роторе находится индуктор — таким образом, по принципу действия синхронная машина представляет собой как бы «вывернутую наизнанку» машину постоянного тока, переменный ток для обмотки якоря которой не получается с помощью коллектора, а подводится извне.

Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. Поле якоря оказывает воздействие на поле индуктора и называется поэтому также полем реакции якоря. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора.

Индуктор состоит из полюсов — электромагнитов постоянного тока [1] или постоянных магнитов (в микромашинах). Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При не явнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, не заполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.

Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока, применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную (набранную из отдельных листов) конструкцию из электротехнической стали.

Принцип действия [ править | править код ]

Как всякая электромашина, синхронная машина может работать в режимах двигателя и генератора.

Генераторный режим [ править | править код ]

Обычно синхронные генераторы выполняют с якорем, расположенным на статоре, для удобства отвода электрической энергии. Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3. 2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух контактных колец не вызывает особых затруднений. Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции; при вращении ротора магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, сцепляется поочерёдно с каждой из фаз обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. В наиболее распространённом случае применения трёхфазной распределенной обмотки якоря в каждой из фаз, смещённых друг относительно друга на 120 градусов, индуцируется синусоидальная ЭДС. Соединяя фазы по стандартным схемам «треугольник» или «звезда», на выходе генератора получают трёхфазное напряжение, являющееся общепринятым стандартом для магистральных электросетей.

Частота индуцируемой ЭДС f [Гц] связана с частотой вращения ротора n [об/мин] соотношением:

f = n ⋅ p 60 <60>>> ,

где p — число пар полюсов.

Часто синхронные генераторы используют вместо коллекторных машин для генерации постоянного тока, подключая их обмотки якоря к трёхфазным выпрямителям — на тепловозах (например, ТЭП70, 2ТЭ116), автомобилях, летательных аппаратах. Это сделано из-за намного больших надёжности и межремонтного ресурса синхронных машин. [2] [3]

Двигательный режим [ править | править код ]

Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт щётка-кольцо), в маломощных, к примеру, в двигателях жёстких дисков — постоянные магниты. Существует обращённая конструкция двигателей, в которой якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а также в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники).

Запуск двигателя. Двигатель требует разгона до частоты, близкой к частоте вращения магнитного поля в зазоре, прежде чем сможет работать в синхронном режиме. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора: если индуктор расположен на статоре, то получается, что вращающееся магнитное поле вращающегося якоря (ротора) неподвижно относительно постоянного поля индуктора (статора), если индуктор на роторе, то магнитное поле вращающихся полюсов индуктора (ротора) неподвижно относительно вращающегося магнитного поля якоря (статора) — это явление называется «вход в синхронизм».

Для разгона обычно используется асинхронный режим [4] , при котором обмотки индуктора замыкаются через реостат или накоротко, как в асинхронной машине, для такого режима запуска в машинах на роторе делается короткозамкнутая обмотка, которая также выполняет роль успокоительной обмотки, устраняющей «раскачивание» ротора при синхронизации. После выхода на скорость, близкую к номинальной (> 95% — так называемая подсинхронная скорость), индуктор запитывают постоянным током.

В двигателях с постоянными магнитами применяется внешний разгонный двигатель либо частотно-регулируемый пуск, также частотное регулирование применяют на всех типах СД в рабочем режиме — например, на тяговых двигателях скоростного электропоезда TGV. Двигатели старых электропроигрывателей требовали ручного пуска — прокрутки пластинки рукой, позже в проигрывателях стали применяться асинхронные двигатели.

Иногда на валу крупных машин ставят небольшой генератор (постоянного тока или переменного тока с выпрямлением), т.н. возбудитель, который питает обмотку возбуждения. В некоторых случаях (например, на тепловозах) возбудитель установлен отдельно и приводится через повышающий редуктор. [5]

Частота вращения ротора n [об/мин] остаётся неизменной, жёстко связанной с частотой сети f [Гц] соотношением:

n = 60 f p

>> ,

где p — число пар полюсов статора, в зависимости от нагрузки машины меняется лишь угол нагрузки (угол тета) — электрический угол отставания или опережения поля возбуждения по отношению к полю якоря. При угле нагрузки более 90 электрических градусов машина выпадает из синхронизма — останавливается, если вал перегружен тормозным моментом, либо уходит на повышенные обороты, если машина работает в режиме генератора и недогружена электрической нагрузкой.

Читать еще:  Двигатель 405 не тянет в чем причина

Синхронные двигатели при изменении возбуждения меняют косинус фи с ёмкостного на индуктивный. Перевозбуждённые СД на холостом ходу применяют в качестве компенсаторов реактивной мощности. Синхронные двигатели в промышленности обычно применяют при единичных мощностях свыше 300 кВт (воздуходувки, водоперекачивающие и нефтеперекачивающие насосы), к примеру, типа СТД, при меньших мощностях обычно применяется более простой (и надёжный), в том числе в запуске, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Разновидности синхронных машин [ править | править код ]

Гидрогенератор — явнополюсный синхронный генератор, предназначенный для выработки электрической энергии в работе от гидравлической турбины (при низких скоростях вращения, 50 — 600 мин –1 ).

Турбогенератор — неявнополюсный синхронный генератор, предназначенный для выработки электрической энергии в работе от паровой или газовой турбины при высоких скоростях вращения ротора — 6000 (редко), 3000, 1500 об/мин.

Синхронный компенсатор — синхронный двигатель, предназначенный для выработки реактивной мощности, работающий без нагрузки на валу (в режиме холостого хода); при этом по обмотке якоря проходит практически только реактивный ток. Синхронный компенсатор может работать в режиме улучшения коэффициента мощности или в режиме стабилизации напряжения. Дает индуктивную нагрузку.

Машина двойного питания (в частности АСМ) — синхронная машина с питанием обмоток ротора и статора токами разной частоты, за счёт чего создаются несинхронные режимы работы.

Ударный генератор — синхронный генератор (как правило, трёхфазного тока), предназначенный для кратковременной работы в режиме короткого замыкания (КЗ).

Сельсин — маломощная синхронная машина, используемая как датчик угла поворота либо в паре с другим сельсином для передачи угла поворота без прямой механической связи.

Также существуют безредукторные, шаговые, индукторные, гистерезисные, бесконтактные синхронные двигатели.

Бесконтактная синхронная машина [ править | править код ]

В классической синхронной машине имеется слабое место — контактные кольца со щётками, изнашивающиеся быстрее других частей машины из-за электроэрозии и простого механического износа. Кроме того, искрение щёток может стать причиной взрыва. Поэтому сначала в авиации, а позже и в других областях (в частности, на автономных дизель-генераторах) получили распространение бесконтактные трёхмашинные синхронные генераторы. В корпусе такого агрегата размещены три машины — подвозбудитель, возбудитель и генератор, их роторы вращаются на общем валу. Подвозбудитель — синхронный генератор с возбуждением от вращающихся на роторе постоянных магнитов, его напряжение подаётся в блок управления генератором, где выпрямляется, регулируется и подаётся в обмотку статора возбудителя. Поле статора наводит в обмотке возбудителя ток, выпрямляемый размещённым на валу блоком вращающихся выпрямителей (БВВ) и идущий в обмотку возбуждения генератора. Генератор уже вырабатывает ток, идущий к потребителям.

Такая схема обеспечивает как отсутствие иных механических частей в двигателе, кроме подшипников, так и автономность работы генератора — всё время, пока генератор вращается, подвозбудитель даёт напряжение, которое может быть использовано для питания цепей управления генератором.

Механические характеристики синхронных электромашин при пуске

Устройство синхронного электродвигателя таково, что он развивает вращающий момент только при условии вращения его ротора синхронно с магнитным полем статора. Для обеспечения разгона синхронного электродвигателя его ротор снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой.

В пазы полюсных наконечников укладывают стержни пусковой обмотки и замыкают ее накоротко короткозамыкающими кольцами. При этом при подключении статорной обмотки синхронной электрической машины в сеть она будет запускаться как обычный асинхронный электродвигатель с КЗ ротором. Пусковой момент будет создаваться взаимодействием магнитных потоков статора и короткозамкнутого ротора и, соответственно, электродвигатель будет разгонятся. Когда скорость ротора достигнет «подсинхронной», а это 95% — 98% синхронной, на обмотку возбуждения подают постоянный ток (ток возбуждения), после чего двигатель втягивается в синхронизм. Механическая характеристика синхронной машины при пуске будет иметь две характерные точки:

  • Пусковой момент Мпуск, который двигатель может развить при неподвижном состоянии (S = 1);
  • Входной или подсинхронный момент Мвх, который развивает синхронный электродвигатель при 95% синхронной скорости (S ≈ 0.05).

В зависимости от назначения, а также условий работы электропривода, требуются различные соотношения между данными моментами и различные их величины.

Чем больше будет сопротивление пусковой обмотки, тем будет больше критическое скольжение, которое влияет на максимум момента. Соответственно поменяется и величина пускового момента при S = 1, а также подсинхронного S = 0,05; величина последнего довольно существенна при вхождении в синхронизм. Чем будет больше подсинхронный момент, тем больше будет скорость, к которой сможет разогнаться синхронный электродвигатель а режиме асинхронного и, соответственно, ему будет легче втянутся в синхронизм. Механическая характеристика для асинхронного режима показана ниже:

Из данной фигуры мы можем увидеть, что увеличивая подсинхронный момент мы уменьшаем пусковой, и наоборот. Поэтому выбирая синхронный электродвигатель для конкретного механизма необходимо всегда согласовать пусковые характеристики электродвигателя и рабочего механизма Мс = φ(n).

При асинхронном пуске ток статора будет больше номинального в несколько раз Iпуск = 3÷5Iном. Чтоб снизить этот ток понижают напряжение на обмотках статора. Для этого используют пусковые реакторы или автотрансформаторы. При этом величина пускового тока будет снижена пропорционально напряжению на статоре, но при этом снизится пусковой и критический моменты пропорционально квадрату напряжения. Благодаря развитию современных технологий используют для пуска преобразователи частоты, но этот вид пуска мы рассмотрим в отдельной статье.

Также пусковые характеристики будут во многом зависеть от перегрузочной способности синхронной машины в нормальном режиме. Перегрузочная способность возрастет с увеличением воздушного зазора, однако такое увеличение приведет к увеличению потока рассеивания, что в свою очередь приведет к уменьшению моментов при асинхронном пуске. В связи с такой противоречивостью условий пуска и перегрузочной способности приходится принимать некоторые средние параметры, при которых характеристики двигателя в наибольшей степени отвечают всем поставленным требованиям.

В процессе пуска также непосредственное участие принимает и обмотка ротора. В начальной стадии пуска в ней индуктируется довольно значительная ЭДС, которая может привести к пробою изоляции (если оставить ее в разомкнутом виде). Поэтому обмотку ротора замыкают на активное сопротивление в 10 – 12 раз больше чем сопротивление самой обмотки. Замыкание роторной обмотки в процессе пуска накоротко не рекомендуется, так как из-за явления одноосного включения возможно значительное уменьшения пускового момента при половине синхронной скорости. Это может привести к устойчивой работе электродвигателя при пониженной скорости.

Физически данное явление можно объяснить так. Вращающееся поле статора будет индуктировать в обмотке ротора ЭДС частоты скольжения f2 = f1S. Данная ЭДС инициирует появления тока, который создаст пульсирующую МДС. Эту МДС, в свою очередь, можно разложить на две составляющие F1 и F2, которые вращаются относительно ротора в разные стороны, но с одинаковыми скоростями n2 = ±(n — n). То есть получается аналогичная картина режиму с введением в цепь ротора асинхронной машины несимметричных сопротивлений.

МДС F1 относительно статора будет вращаться со скоростью:

Данная МДС будет создавать дополнительный вращающий момент, который будет суммироваться с вращающим моментом от пусковой обмотки.

МДС F2 создаст обратно-синхронное поле, которое вращается со скоростью относительно статора:

При этом в статоре будет индуктироваться ЭДС частоты:

Данная ЭДС обусловит токи в статоре, которые замыкаясь через сеть будут взаимодействовать с обратно-синхронным полем ротора и создавать дополнительный момент, величина которого зависит от скорости вращения синхронной машины. При n = 0.5n частота тока в статоре f3 = 0 и дополнительный момент тоже будет равен нулю. При n 0.5n поток, создаваемый МДС F2 ротора, будет вращаться согласно с ротором, и вращающий момент будет отрицательным, то есть тормозным:

Читать еще:  Электрическая схема управления двигателя киа церато

Просуммировав кривую 3, создаваемую МДС F2, с моментами создаваемыми МДС пусковой обмотки 1 и МДС F1 обмотки 2, получим результирующую механическую характеристику в пусковом режиме синхронного электродвигателя 4. Провал в характеристике 4 при скорости, близкой к 0,5n, может стать причиной «застревания» синхронного электродвигателя на промежуточной скорости. Данное явления может реализоваться в случае если Мсмин.

Влияние одноосного включения можно убрать путем включения в цепь обмотки возбуждения на время пуска добавочного сопротивления. При этом максимум момента от МДС F1 сместится в сторону большего скольжения, а момент от МДС F2 уменьшится по величине.

Пусковая характеристика синхронного электродвигателя (показанная выше) построена при упрощенном рассмотрении явлений. В действительности при пуске синхронного электродвигателя играют роль еще и моменты от вихревых токов в полюсных наконечниках, реактивный и гистерезисный моменты. Явнополюсное строение ротора изменяет его магнитное сопротивление в зависимости от его положения. Отсутствие стержней пусковой обмотки в междуполюсном пространстве приводит к несимметричности обмотки. Оба эти явления способствуют появлению пульсаций момента и, следовательно, периодических изменений скольжения. Точный учет всех факторов и получения максимально приближенной к реальной математической модели пусковой характеристики весьма сложная задача. При практических расчетах следует пользоваться пусковыми характеристиками приводимыми в каталогах.

Характеристики синхронных электродвигателей

Схема включения синхронной машины приведена на рис.2.19. Отличительной особенностью синхронного электродвигателя является то, что на рабочем участке его скорость не зависит от нагрузки и определяется как

w = 2p f / р, (2.67)

Рис.2.19. Схема включения синхронной машины

где р – число пар полюсов;

f – частота напряжения питания.

Поэтому его механическая характеристика представляет из себя прямую линию, параллельную оси абсцисс (рис.2.20), то есть жесткость ее равна бесконечности. Однако мгновенные значения скорости синхронного двигателя могут отличаться от скорости идеального холостого хода в результате отставания ротора от поля статора, например, при набросе или сбросе нагрузки на валу.

Рис.2.20. Механическая характеристика синхронной машины

Значительно больший интерес представляет собой угловая характеристика синхронной машины – это зависимость ее момента от угла q сдвига фаз между ЭДС двигателя и напряжением сети: М = f (q), которая определяется из упрощенной векторной диаграммы, приведенной на рис.2.21.а, где

I* — вектор фазного тока статора;

E*, U*c – векторы фазных ЭДС инапряжения статора соответственно;

Хс – индуктивное сопротивление фазы статора;

j — угол сдвига между током и напряжением статора;

q — угол сдвига между напряжением и ЭДС статора.

При построении диаграммы считается, что машина является неявнополюсной и активное сопротивление статора примерно равно нулю, то есть активная мощность, потребляемая из сети, полностью передается на ротор двигателя, следовательно:

Рс= 3 Uс I cosj.

М = Рс / w о = 3 Uc I cosj / w о. (2.68)

Из рис. 2.21а следует

Uс cosj = Е cos(j -q),

а из треугольника АВС получаем:

cos(j -q) = Uc sin q / I Хс.

Uс cosj = Е Uc sin q / I Хс.

Подставим это выражение в (2.68) и получим:

М = 3Е Uc sin q / / w о Хс = Мм sin q. (2.69)

Уравнение (2.69) описывает зависимость момента синхронной машины от угла q , график ее приведен на рис.2.21 б

Здесь максимум момента имеет место при q = p /2. Величина этого момента характеризует перегрузочную способность синхронной машины. Обычно l = Ммакс / Мн = 2 – 3.

Зона при q > p /2 является зоной неустойчивой работы синхронного двигателя, когда он может выпасть из синхронизма. Номинальный угол q составляет 25 – 30 °.

Если синхронная машина имеет явно выраженные полюса, то к моменту, определенному (2.69), добавляется реактивная составляющая и тогда общий момент определяется как:

М = 3/ w о[Uc E sinq / Х d + Uс 2 /2 (1/Х d – 1 / Хq) sin 2q ], (2.70)

где Х d, Хq – индуктивные сопротивления по продольной и поперечной осям соответственно.

Рис.2.21. Векторная диаграмма и угловая характеристика синхронной

Зависимости тока синхронной машины от ее тока возбуждения, приведенные на рис.2.22, называются V — образными характеристиками.

Кривая cosj = 1 является регулировочной характеристикой электродвигателя; Р1, Р2, Р3 – значения нагрузки. Слева от кривой cosj = 1 — двигатель недовозбужден и потребляет из сети индуктивную энергию; справа – перевозбужден и генерирует в сеть индуктивную энергию.

Слева V – образные кривые ограничиваются условиями устойчивой синхронной работы, а справа – условиями нагрева машины.

Рис.2.22. V – образные характеристики синхронной машины

Пуск синхронной машины может осуществляться с помощью вспомогательного двигателя, когда последний раскручивает его до скорости идеального холостого хода, или с помощью специальной пусковой обмотки (асинхронный пуск). Наиболее распространен асинхронный пуск. Для этого на роторе синхронной машины располагается специальная короткозамкнутая пусковая обмотка, и машина пускается как асинхронная. Для защиты от перенапряжений обмотка возбуждения замыкается на разрядное сопротивление. По условиям нагрева короткозамкнутые обмотки не могут работать в продолжительном режиме и время их работы не должно превышать 20 – 30 секунд.

Торможение синхронных машин осуществляется в режиме рекуперации или динамического торможения. Для осуществления динамического торможения в обмотку статора включаются добавочные сопротивления, а в цепь ротора подается ток возбуждения (рис.2.23). Механические характеристики при этом имеют такой же вид, как и у асинхронных машин в режиме динамического торможения.

Рис.2.23. Схема динамического торможения

синхронной машины

Синхронные электродвигатели занимают в промышленности значительное место, так как, с учетом их компенсационной способности, имеют высокие энергетические показатели и сравнительно низкую стоимость.

Важной особенностью синхронных машин является то, что они менее чувствительны к колебаниям напряжения сети, чем асинхронные, так как их максимальный момент пропорционален напряжению сети в отличие от асинхронных машин, чей момент пропорционален квадрату напряжения. Кроме того, перегрузочная способность синхронного двигателя может быть увеличена, в том числе и автоматически, за счет увеличения тока возбуждения, например при резком возрастании нагрузки на валу.

Технико – экономический анализ [9] показывает, что стоимости асинхронных и синхронных машин средней мощности примерно равны, но при увеличении мощности синхронные двигатели становятся дешевле асинхронных, что связано с удорожанием изготовления роторов последних. Однако, с учетом производства реактивной энергии, синхронные двигатели, с мощностями даже ниже 100 кВт, оказываются дешевле, чем аналогичные асинхронные с компенсационными устройствами. В России синхронные машины мощностью до 1000 кВт выпускаются ОАО «СЭЗ» (г. Сафоново), мощностью до 31500 кВт – АО «Привод» (г. Лысьва).

В настоящее время, в связи с появлением и широким распространением преобразователей частоты, подробное описание которых приведено ниже, появилась возможность регулирования скорости синхронных машин.

В нефтегазодобывающей промышленности синхронные машины применяются для привода пасосов и компрессоров в системах перекачки нефти и поддержания пластового давления.

Дата добавления: 2015-07-15 ; просмотров: 195 | Нарушение авторских прав

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector