Регулирование реактивной мощности, при постоянной активной, можно осуществить изменением тока возбуждения аналогично генераторному режиму. При этом, если момент сопротивления нагрузки не изменяется, то угол рассогласования, активная мощностьP, активная составляющая тока статора и моментM синхронного двигателя будут постоянными.
Влияние изменения тока возбуждения на работу двигателя можно проследить по векторным диаграммам на рис. 4, а. Исходная диаграмма, соответствующая нагруженному двигателю с равной нулю реактивной мощностью, представлена векторамиU,E0,Eсин .
При увеличении тока возбуждения IВвеличина ЭДСE0увеличится до значенияE'0. По условиюU=const, поэтому одновременно увеличивается синхронная ЭДСEсиндо значенияE'син. ПриXсин=constэто может произойти только за счет увеличения тока статора:I'>I. Вектор синхронной ЭДС опережает вектор тока на 90. Так как активная составляющая тока (вертикальная проекция) не меняется, то горизонтальная проекция вектораE0также останется постоянной — вершина вектораE0будет скользить по вертикальной прямой. Найдя построением векторI', можно убедиться, что он опережает векторU, приобретая емкостную реактивную составляющуюI'р, то есть потребляя из сети реактивную (емкостную) мощность. Таким образом, при перевозбуждении, то есть при увеличении тока возбуждения, ток в статоре увеличивается, характер нагрузки становится емкостным.
При уменьшении тока возбуждения IВвеличина ЭДСE0уменьшится до значенияE''0, одновременно уменьшается синхронная ЭДСEсиндо значенияE''сини уменьшается ток статора:I''<I. Вектор синхронной ЭДС опережает вектор тока на 90. Найдя построением векторI'', можно убедиться, что он отстает от вектораU, приобретая индуктивную реактивную составляющуюI''р. Таким образом, при недовозбуждении, то есть при уменьшении тока возбуждения, ток в статоре уменьшается, характер нагрузки становится индуктивным.
Потребление реактивной (емкостной) мощности эквивалентно генерированию индуктивной. Наиболее часто основными потребителями в сети являются асинхронные двигатели, требующие реактивной (индуктивной) мощности, поэтому выгодней эксплуатировать синхронный двигатель, как и генератор, при перевозбуждении.
Зависимость тока статора Iот тока возбужденияIВ, то естьI=f(IВ) приU=const,P1=const,f=const,называется U-образной характеристикой синхронного двигателя. Она приведена на рис. 4,б.
Рабочие характеристики синхронного двигателя (рис. 5) представляют собой зависимости частоты n2, токаI, коэффициента мощности cos, КПД, вращающего моментаМи потребляемой мощностиP1от полезной мощностиP2на валу двигателя при постоянном токе возбужденияIв= const и постоянном напряжении и частоты сетиU= const,f=const.
Частота вращения ротора всегда равна синхронной частотеn2=n0, поэтому скоростная характеристика, то есть графикn2=f(P2), имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс. Полезный момент на валу ротораM= 9,55P2/n0, поэтому зависимостьM=f(P2) имеет вид прямой, выходящей из начала координат. С ростом нагрузки на валу двигателя электрические потери P1, пропорциональныеI 2, будут расти быстрее полезной мощности, пропорциональнойI, поэтому потребляемая мощностьP1растет быстрее, чем P2. КПД=P2 /(P1+P2) и соответственно кривая=f(P2) быстро растет с увеличением нагрузки до 50 % отP2номи до номинального режима сохраняет высокое значение. При перегрузках КПД уменьшается. Вид графика cos=f(P2) зависит от вида настройки тока возбуждения. Обычно устанавливают ток возбуждения таким, чтобы cosбыл равен единице при средней нагрузке. В этом случае коэффициент мощности достаточно высок.
studfiles.net
U-образные характеристики. В процессе работы синхронного двигателя в его обмотке статора наводятся ЭДС, сумма которых [см. (20.29)] приблизительно равна подведенному к обмотке статора напряжению сети . Эта сумма ЭДС эквивалентна результирующему магнитному полю, вызванному действием двух магнитодвижущихся сил: возбуждения и статора.
При неизменном напряжении сети результирующее магнитное поле постоянно. Поэтому при изменении МДС возбуждения (изменении тока возбуждения) МДС статора изменяется таким образом, чтобы их совместное действие оставалось неизменным, т. е. чтобы оставалось неизменным результирующее магнитное поле синхронного двигателя. Это изменение МДС может происходить только за счет изменения величины и фазы тока статора , т. е. за счет изменения реактивнойсоставляющей тока статора .
Например, при увеличении тока возбуждения начиная от наименьшего его значения возрастает МДС ротора, приэтом МДС статора уменьшается. Это уменьшение МДС происходит при уменьшении индуктивной (по отношению к напряжению сети ) составляющей тока статора , которая оказывает на магнитную систему подмагничивающее влияние.
При этом полный ток статора уменьшается, а коэффициент мощности двигателя , увеличивается. При некотором значении тока возбуждения индуктивная составляющая тока статора падает до нуля. При этом ток статора достигнет минимального (при данной нагрузке) значения, так как станет чисто активным , а коэффициент мощности, = 1.
Увеличение тока возбуждения сверх значения , т. е. перевозбуждение двигателя, вызовет увеличение тока , но теперь этот ток будет опережающим (емкостным) по отношению к напряжению . Таким образом, при недовозбужденш синхронный двигатель работает с отстающим током, а при перевозбуждении — с опережающим. Зависимость тока статора от тока возбуждения для синхронного двигателя представлена U-образными характеристиками (рис. 22.5). Ток возбуждения соответствует работе синхронного двигателя при коэффициенте мощности = 1. При перевозбуждении двигателя в цепи статора появляется опережающий ток.
Иначе говоря, синхронный двигатель является генератором реактивного тока: индуктивного по отношению к напряжению сети при недовозбуждении и емкостного при перевозбуждении. Указанная способность синхронных двигателей является их ценным качеством, которое используют для повышения коэффициента мощности электрических установок.
Асинхронные двигатели, являющиеся наиболее распространенными потребителями электроэнергии, работают с < 1, создавая в сетях значительные индуктивные токи. Если же параллельно группе асинхронных двигателей включить один или несколько синхронных двигателей, работающих с перевозбуждением, то возникающая в сети емкостная составляющая тока будет частично или полностью компенсировать индуктивную составляющую тока, обусловленную работой асинхронных двигателей. При этом электрическая система, разгруженная от реактивных токов, будет работать, с , что способствует уменьшению потерь электроэнергии. Необходимо, однако, отметить, что при перевозбуждении синхронный двигатель потребляет значительный ток статора. Поэтому синхронные двигатели, предназначенные для работы с перевозбуждением, имеют несколько большие габариты, а их КПД меньше, чем у двигателей, предназначенных для работы с = 1, когда ток статора и потери двигателя имеют минимальные значения.
Аналогично синхронному генератору, включенному на параллельную работу с сетью (см. § 21.6), синхронный двигатель имеет предел устойчивости при минимальном токе возбуждения (штриховая линия в левой части рис. 22.5).
Рабочие характеристики. Рабочие характеристики синхронного двигателя представляют собой зависимость частоты вращения ротора , потребляемой мощности , полезного момента, коэффициента мощности , и тока в обмотке статора от полезной мощности двигателя (рис. 22.). Частота вращения ротора всегда равна синхронной частоте , поэтому график имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс. Полезный момент на валу синхронного двигателя . Так как рабочие характеристики снимают при условии , то график имеет вид прямой, выходящей из начала координат. Мощность на входе двигателя . С ростом нагрузки на валу двигателя увеличиваются также и потери , поэтому потребляемая мощность растет быстрее полезной мощности и график имеет несколько криволинейный вид.
Рис. 22.5 U-образные характеристики синхронного двигателя
Рис. 22.6. Рабочие характеристики синхронного двигателя
Вид графика зависит от вида настройки токавозбуждения: если в режиме х. х. ток возбуждения установлен таким, что = 1, то с ростом нагрузки коэффициент мощностиснижается, если же установить =1 при номинальной нагрузке, то при недогрузке двигатель будет забирать из сети реактивный опережающий ток, а при перегрузке — отстающий. Обычно устанавливают ток возбуждения таким, чтобы =1 при средней нагрузке (рис. 22.). В этом случае коэффициент мощности во всем диапазоне нагрузок остается достаточно высоким. Если же установить ток в обмотке возбуждения синхронного двигателя таким, чтобы =1 был при нагрузке несколько превышающей номинальную, то при номинальной нагрузке и двигатель будет потреблять из сети опережающий по отношению к напряжению сети ток, что приведет к повышению коэффициента мощности этой сети. В этом отношении синхронные двигатели выгодно отличаются от асинхронных, работающих с отстающим по фазе током (особенно при недогрузке двигателя) и снижающих энергетические показатели питающей сети.
Ток в обмотке статора двигателя . Из этого выражения видно, что токс увеличением нагрузки на валу двигателя растет быстрее, чем потребляемая мощность , вследствие уменьшения .
Так как ротор синхронного двигателя вращается в ту же сторону, что и поле статора, то направление вращения ротора определяется порядком следования фаз линейных проводов, подведенных к обмотке статора, и порядком расположения фаз обмотки статора. Для изменения направления вращения трехфазного синхронного двигателя необходимо переключить два линейных привода, подведенных из сети к выводам обмотки статора (см. § 9.3).
В заключение необходимо отметить, что синхронные двигатели по сравнению с асинхронными имеют преимущество, заключающееся в том, что они могут работать с = 1, не создавая в щей сети индуктивных токов, вызывающих дополнительные потери энергии. Более того, при работе с перевозбуждением синхронные двигатели создают в сети емкостный ток, чем способствуют повышению коэффициента мощности энергосистемы в целом. Другое достоинство синхронных двигателей состоит в том, что, как это следует из (21.11), основная составляющая электромагнитного момента пропорциональна напряжению сети , а у асинхронных двигателей электромагнитный момент пропорционален [см. (13.14)]. По этой причине при понижении напряженияв сети синхронные двигатели сохраняют большую перегрузочную способность, чем асинхронные.
К недостаткам синхронных двигателей относятся их более сложная конструкция и повышенная стоимость по сравнению с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Кроме того, для работы синхронного двигателя требуется устройство для питания постоянным током обмотки возбуждения.
Опыт эксплуатации показал, что применение синхронных двигателей общего назначения наиболее целесообразно при мощности 200 кВт и более в установках, не требующих частых пусков и регулирования частоты вращения (мощные насосы, вентиляторы, компрессоры и т. п.).
studfiles.net
200
ознакомление с принципом действия, характеристиками синхронного двигателя;
приобретение практических навыков подключения к сети, эксплуатации и отключения синхронного двигателя;
получение экспериментального подтверждения теоретических сведений о характеристиках синхронного двигателя.
Синхронные двигатели применяются там, где требуется постоянная частота вращения. Мощные синхронные двигатели устанавливаются на металлургических заводах, шахтах, холодильниках, на компрессорных и нефтеперекачивающих станциях магистральных трубопроводах, где они приводят во вращение прокатные станы, насосы, вентиляторы и т.д. Основное достоинство синхронного двигателя заключается в возможности работать с высоким коэффициентом мощности. Специальные синхронные двигатели малой мощности используются в приборах и системах управления.
Рис. 1
Синхронную машину после подключения к сети можно перевести в двигательный режим, если отключить приводной двигатель и подключить механическую нагрузку. В отличие от генераторного режима ротор будет отставать от результирующего магнитного поля (рис. 1) на уголиз-за момента сопротивления нагрузки MН, направленной против вращения, что приводит к появлению электромагнитного моментаM, так как в этом случае сила притяжения разноименных полюсовNиSприобретает составляющую, перпендикулярную оси ротора, направленную по направлению вращения ротора и магнитного поля, скорости вращения которых совпадают и равныn0= 60 f/p.Схема замещения и векторная диаграмма синхронного двигателя
В отличие от генератора, работающего параллельно сети, в двигательном режиме ток I и синхронная ЭДСEсинизменяют направление на противоположное. В соответствии с этим схема замещения двигателя приобретает вид, приведенный на рис. 2,а. На основании 2-го закона Кирхгофа по схеме замещения можно написать следующее уравнение:
,
где — синхронная ЭДС иXсин— синхронное сопротивление (индуктивное), рассмотренные в лабораторной работе "Синхронный генератор в автономном режиме";Uа— падение напряжения на обмотке статора; u— комплексное напряжение сети. Пренебрегая активным сопротивлением из-за его малости, получаем
.
В соответствии с этим уравнением на рис. 2, бприведена векторная диаграмма синхронного двигателя. По сравнению с аналогичной векторной диаграммой для синхронного генератора угол рассогласования изменил знак.
аб
Рис. 2
Угловая характеристика синхронной машины (зависимость момента Мот угла нагрузкипри постоянном токе возбужденияIВ= const, рис. 3) рассмотрена в предыдущей лабораторной работе. Режиму двигателя соответствует правая часть характеристики> 0.
Полезная мощность на валу ротора P2, в пренебрежении потерями совпадающая с электрической мощностью, потребляемой двигателем из сетиP1:
P2 P1 = 3E0U sin/XCИН = Pmax sin,
где Pmax= 3E0U/XCИН— максимальная активная мощность, потребляемая двигателем.
Электромагнитный момент на валу двигателя
M = 9,55PМ/n0 = 28,6E0U sin/n0XCИН = Mmax sin,
где Mmax= 28,6E0Usin/n0XCИН— максимальный момент, развиваемый ротором.
При холостом ходе двигателя оси ротора и статора совпадают,= 0, соответственноM= 0,P= 0. С увеличением момента сопротивления нагрузки на валу ротор отстает от магнитного поля, а электрическая мощностьPи электромагнитный моментMвозрастают. Причем, в отличие от генераторного режима,Mявляется полезным моментом, вращающим вал ротора, а активная мощность теперь потребляется двигателем от сети. При изменении углаот 0 до +90двигатель работает устойчиво. Если еще увеличить момент сопротивления нагрузки, то уголпревысит значение +90, аM,Pначнут уменьшаться. При этом ротор начнет вращаться несинхронно с магнитным полем. Тогда двигатель перестанет работать параллельно с сетью —выпадет из синхронизма, что может вызвать нежелательные явления и рассматриваться как аварийный режим.
Так же как и в генераторном режиме, с увеличением тока возбуждения IВЭДСE0тоже увеличивается, при этом происходит ростPmaxиMmax.
studfiles.net
Зависимости представленные графически, называются угловыми характеристиками синхронной машины.
Данная характеристика активной мощности получена при условии:
1- основная составляющая электромагнитного момента (изменяется пропорционально синусу θ)
2- реактивная составляющая момента (изменяется пропорционально синусу 2θ)
3- итоговая (результирующая) кривая момента и соответственно электромагнитной мощности.
|
Значения составляющих тока якоря исходя из векторной диаграммы: Подставляя это в ранее определенное выражения для мощности получим: . |
Уравнение для угловой характеристики активной мощности явнополюсной СМ имеет две составляющие. Первая составляющая зависит как от напряжения, так и от ЭДС, созданной магнитодвижущей силой обмотки возбуждения. Вторая составляющая не зависит от возбуждения машины. Она возникает вследствие различия в индуктивных сопротивлениях по продольной и поперечной осям. За счет этой составляющей явнополюсный генератор может работать параллельно с сетью и при отсутствии тока возбуждения, когда Е=0. В этом случае магнитный поток будет создаваться только реакцией якоря. При номинальном возбуждении амплитуда второй составляющей мощности составляет 20-35% амплитуды первой, основной составляющей.
Максимальная мощность, которая определяет статическую перегружаемость в явнополюсной машине, будет иметь место при θ<π/2. Отношение максимального электромагнитного момента Ммах к номинальном Мном называют перегрузочной способностью см, или коэффициентом статической перегруженности.
Неявнополюсная машина. Из выражения активной мощности,
учитывая, что получим:
При увеличении Р от нуля угол будет расти от = 0° и при критическом угле нагрузке кр = 90° достигается максимальная мощность Р = Рmax, которую способен развить генератор. При дальнейшем увеличении (более 90°) активная мощность генератора уменьшается. Таким образом, область 0 < < 90° -область устойчивой работы, область 90° < < 180° - неустойчивой работы. В двигательном режиме кривые аналогичны(отображаются относительно 0 ).
Уравнения механической характеристики нелинейны в связи с наличием произведения переменных. Приближенное уравнение механической характеристики двигателя может быть найдено с помощью угловой статической характеристики синхронной машины.
Положим и будем пренебрегать активным сопротивлением статора R1. Будем считать, что обмотка возбуждения питается от источника тока, и во всех режимах iв=Iв=const. В этом случае уравнения механической характеристики примут вид:
(2.1)
Из первого и второго уравнений определяются токи статора:
(2.2)
Подставив эти выражения в третье уравнение системы и, учитывая, что , после преобразований получаем уравнение угловой характеристики двухфазного явнополюсного синхронного двигателя:
(2.3)
Подставив и , получим уравнение угловой характеристики трехфазного асинхронного явнополюсного двигателя:
(2.4)
Из этого выражения видно, что момент синхронного двигателя содержит две составляющие. Первая обусловлена взаимодействием вращающегося магнитного поля статора с полем возбуждения ротора, а вторая представляет собой реактивный момент, обусловленный явнополюсным исполнением ротора. Вследствие явнополюсности, энергия магнитного поля максимальна при любом из двух положений ротора, поэтому вторая составляющая момента зависит от двойного угла Θэл.
На рис. 2.5 изображена угловая характеристика трехфазной синхронной машины с явновыраженными полюсами.
Θэл.ном. обычно составляет 20°-30°. Это обеспечивает перегрузочную способность двигателя . Реактивный момент увеличивает крутизну рабочего участка угловой характеристики и несколько повышает перегрузочную способность двигателя.
Рис. 2.5. Угловая характеристика трехфазной синхронной машины с явновыраженными полюсами.
Так как основная составляющая момента определяется линейной зависимостью момента от напряжения питания, то перегрузочная способность двигателя менее чувствительна к изменению напряжения сети, чем у асинхронного двигателя.
Вектор определяется геометрической суммой потокосцеплений обмотки статора по оси d (рис. 5.1б):
(5.9)
и по оси q:
(5.10)
studfiles.net
Уравнения механической характеристики нелинейны в связи с наличием произведения переменных. Приближенное уравнение механической характеристики двигателя может быть найдено с помощью угловой статической характеристики синхронной машины.
Положим и будем пренебрегать активным сопротивлением статора R1. Будем считать, что обмотка возбуждения питается от источника тока, и во всех режимах iв=Iв=const. В этом случае уравнения механической характеристики примут вид:
(2.1)
Из первого и второго уравнений определяются токи статора:
(2.2)
Подставив эти выражения в третье уравнение системы и, учитывая, что , после преобразований получаем уравнение угловой характеристики двухфазного явнополюсного синхронного двигателя:
(2.3)
Подставив и , получим уравнение угловой характеристики трехфазного асинхронного явнополюсного двигателя:
(2.4)
Из этого выражения видно, что момент синхронного двигателя содержит две составляющие. Первая обусловлена взаимодействием вращающегося магнитного поля статора с полем возбуждения ротора, а вторая представляет собой реактивный момент, обусловленный явнополюсным исполнением ротора. Вследствие явнополюсности, энергия магнитного поля максимальна при любом из двух положений ротора, поэтому вторая составляющая момента зависит от двойного угла Θэл.
На рис. 2.5 изображена угловая характеристика трехфазной синхронной машины с явновыраженными полюсами.
Θэл.ном. обычно составляет 20°-30°. Это обеспечивает перегрузочную способность двигателя . Реактивный момент увеличивает крутизну рабочего участка угловой характеристики и несколько повышает перегрузочную способность двигателя.
Рис. 2.5. Угловая характеристика трехфазной синхронной машины с явновыраженными полюсами.
Так как основная составляющая момента определяется линейной зависимостью момента от напряжения питания, то перегрузочная способность двигателя менее чувствительна к изменению напряжения сети, чем у асинхронного двигателя.
Вектор определяется геометрической суммой потокосцеплений обмотки статора по оси d (рис. 5.1б):
(5.9)
и по оси q:
(5.10)
Ценной особенностью синхронного генератора, подключенного к электрической системе большой мощности, является возможность регулирования его реактивного тока посредством изменения тока возбуждения.
(3.1)
Если мощность синхронного генератора Р = ωрМэм и напряжение на шинах электрической системы U постоянны, то значения произведений сомножителей в (3.1) не зависят от тока возбуждения. Однако при изменении тока возбуждения изменяются значения создаваемого им потокосцепления с фазной обмоткой статора Ψ̇0 и индуктированная этим потокосцеплением в фазной обмотке ЭДС Ė0.
Из уравнения электрического состояния фазы статора следует, что это возможно только при соответствующем изменении тока İ = İа + İр в фазной обмотке, а именно - реактивной составляющей тока İр.
При токах возбуждения меньше (больше) некоторого граничного значения Iв < Iв.гр (Р) [Iв > Iв.гр(P)] ток синхронного генератора имеет емкостную IрС (индуктивную IpL) реактивную составляющую φ < 0 (φ > 0) (см. рис. 3.2). Следовательно, при недовозбуждении (перевозбуждении) реактивная мощность генератора имеет емкостный (Qc = - 3UIрL) [индуктивный (QL = 3UIpL)] характер.
Если синхронный генератор подключен к электрической системе большой мощности U = const, то его эквивалентную схему замещения можно представить в виде параллельного соединения двух источников тока: источника активной составляющей тока генератора, зависящей от вращающего момента первичного двигателя, Iа(Мвр), и источника реактивной составляющей тока генератора, зависящей от момента вращения первичного двигателя и тока возбуждения, Ip(Iв, Mвр)
Рис. 3.1
Рис 3.2
Зависимость тока статора от тока возбуждения I(Iв) при постоянном вращающем моменте первичного двигателя Мвр = const называется U-образной характеристикой синхронного генератора (рис. 3.2). При некотором малом значении тока возбуждения угол |θ| (рис. 3.1) может превысить значение π/2 и устойчивость работы синхронного генератора нарушится. Чем больше значение активной мощности синхронного генератора, тем при больших значениях тока возбуждения наступит потеря устойчивости. На рис. 3.2 граница устойчивости синхронного генератора показана штриховой линией.
Если вращающий момент первичного двигателя равен нулю (Мвр = 0), то, пренебрегая всеми видами потерь, можно считать, что ток синхронного генератора реактивный (рис. 3.2, Р = 0):
(3.2)
Ток генератора в этом случае зависит линейно от тока возбуждения. Линейность зависимости I(Iв) нарушается лишь при больших значениях тока возбуждения вследствие насыщения магнитопровода машины.
studfiles.net
Для нерегулируемых электроприводов большой мощности (свыше 160 кВт) широко применяются синхронные электродвигатели с электромагнитным возбуждением. Схема включения такого двигателя показана на рис.3.23.
Конструкция статора синхронного двигателя аналогична конструкции статора асинхронного двигателя. Токи, протекающие по трехфазной обмотке статора, создают намагничивающие силы, результирующий вектор которых образует вращающееся в пространстве электромагнитное поле статора . Скорость вращения поля статора равна согласно (3.1)
и является рабочей скоростью синхронного двигателя.
На роторе синхронного двигателя расположена обмотка возбуждения, которая питается постоянным током от независимого регулируемого источника напряжения – возбудителя. Ток возбуждения создает электромагнитное поле , неподвижное относительно ротора и вращающееся в установившемся режиме вместе с ротором со скоростью. Магнитные силовые линии поля ротора сцепляются с вращающимся синхронно с ним электромагнитным полем статора. Взаимодействие полей статора и ротора создает электромагнитный момент на валу синхронной машины.
. (3.36)
При отсутствии нагрузки векторы поля статора и поля роторасовпадают в пространстве (см. рис.3.24,а) и совместно вращаются со скоростью. При появлении на валу двигателя момента сопротивления векторыирасходятся (как бы растягиваются подобно пружине) на угол, называемый углом нагрузки, причем, если векторотстает от вектора(см. рис. 3.24,б), то синхронная машина работает в двигательном режиме и электромагнитный момент на ее валу положителен. Если синхронная машина работает генератором, приводимым во вращение первичным двигателем, то вектор поля ротора опережает вектор поля статора на угол (-) и электромагнитный момент на валу машины отрицателен. Изменению нагрузки на валу машины соответствует изменение угла. Образно это соответствует растяжению-сжатию пружины. Максимальный моментМмакс будет иметь место при . Если нагрузка на валу машины будет большеМмакс, то синхронный режим нарушается и машина выпадает из синхронизма.
Механическая характеристика синхронной машины представляют собой прямую, параллельную оси абсцисс и ограниченную значениями момента (рис.3.25). Жесткость механической характеристики равна бесконечности.
Поскольку ротор двигателя вращается с синхронной скоростью и скольжение отсутствует, то вся мощность электромагнитного поля статора Рэм преобразуется в механическую мощность на валу синхронного двигателя. Если пренебречь потерями в статоре, то , откуда
. (3.37)
Рассмотрим векторную диаграмму неявнополюсной синхронной машины (рис. 3.26). Двигатель с неявнополюсным ротором имеет симметричную в магнитном отношении конструкцию. Пренебрегая активным сопротивлением статора, получим .
Здесь Е1 – э.д.с., наводимая в обмотках статора вращающимся вместе с ротором полем Ф0.
Из векторной диаграммы следует:
или
.
Подставляя эти значения в (3.37), получим выражение для угловой характеристики неявнополюсной синхронной машины
. (3.38)
Из этого выражения и соответствующей ему угловой характеристики (рис.3.27) следует, что по мере нагружения синхронной машины угол нагрузки увеличивается и момент достигает максимума при . Учитывая пропорциональность между э.д.с.Е1 и магнитным потоком Ф0, т.е. током возбуждения Iв (Е1=квIв), получим, что максимальный момент синхронной машины будет равен
, (3.39)
т.е. максимальный момент синхронного двигателя (в отличие от асинхронного) зависит от величины питающего напряжения в первой степени и в определенных пределах (когда не сказывается насыщение магнитной цепи) пропорционален величине тока возбуждения. Исходя из соотношения (3.39), в большинстве схем автоматического регулирования возбуждения синхронных двигателей для сохранения постоянной перегрузочной способности двигателя предусматривается автоматическое увеличение тока возбуждения при приложении ударной нагрузки или снижении величины питающего напряжения.
Для синхронного двигателя явнополюсной конструкции, который имеет несимметричную магнитную цепь, кроме момента, вызванного полем ротора, возникает реактивный момент, определяемый стремлением ротора занять такое положение, при котором магнитная проницаемость для пути потока статора была бы максимальной. Угловая характеристика (см. рис.3.27,б) для такого двигателя описывается уравнением:
,
где: хd и xq – индуктивное сопротивление по продольной и поперечной осям.
studfiles.net
| АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника | ⇐ ПредыдущаяСтр 83 из 111Следующая ⇒ U-образные характеристики. В процессе работы синхронного двигателя в его обмотке статора наводятся ЭДС, сумма которых [см. (20.29)] приблизительно равна подведенному к обмотке статора напряжению сети . Эта сумма ЭДС эквивалентна результирующему магнитному полю, вызванному действием двух магнитодвижущихся сил: возбуждения и статора . При неизменном напряжении сети результирующее магнитное поле постоянно. Поэтому при изменении МДС возбуждения (изменении тока возбуждения ) МДС статора изменяется таким образом, чтобы их совместное действие оставалось неизменным, т. е. чтобы оставалось неизменным результирующее магнитное поле синхронного двигателя. Это изменение МДС может происходить только за счет изменения величины и фазы тока статора , т. е. за счет изменения реактивной составляющей тока статора . Например, при увеличении тока возбуждения начиная от наименьшего его значения возрастает МДС ротора, при этом МДС статора уменьшается. Это уменьшение МДС происходит при уменьшении индуктивной (по отношению к напряжению сети ) составляющей тока статора , которая оказывает на магнитную систему подмагничивающее влияние. При этом полный ток статора уменьшается, а коэффициент мощности двигателя , увеличивается. При некотором значении тока возбуждения индуктивная составляющая тока статора падает до нуля. При этом ток статора достигнет минимального (при данной нагрузке) значения, так как станет чисто активным , а коэффициент мощности, = 1. Увеличение тока возбуждения сверх значения , т. е. перевозбуждение двигателя, вызовет увеличение тока , но теперь этот ток будет опережающим (емкостным) по отношению к напряжению . Таким образом, при недовозбужденш синхронный двигатель работает с отстающим током, а при перевозбуждении — с опережающим. Зависимость тока статора от тока возбуждения для синхронного двигателя представлена U-образными характеристиками (рис. 22.5). Ток возбуждения соответствует работе синхронного двигателя при коэффициенте мощности = 1. При перевозбуждении двигателя в цепи статора появляется опережающий ток. Иначе говоря, синхронный двигатель является генератором реактивного тока: индуктивного по отношению к напряжению сети при недовозбуждении и емкостного при перевозбуждении. Указанная способность синхронных двигателей является их ценным качеством, которое используют для повышения коэффициента мощности электрических установок. Асинхронные двигатели, являющиеся наиболее распространенными потребителями электроэнергии, работают с < 1, создавая в сетях значительные индуктивные токи. Если же параллельно группе асинхронных двигателей включить один или несколько синхронных двигателей, работающих с перевозбуждением, то возникающая в сети емкостная составляющая тока будет частично или полностью компенсировать индуктивную составляющую тока, обусловленную работой асинхронных двигателей. При этом электрическая система, разгруженная от реактивных токов, будет работать, с , что способствует уменьшению потерь электроэнергии. Необходимо, однако, отметить, что при перевозбуждении синхронный двигатель потребляет значительный ток статора. Поэтому синхронные двигатели, предназначенные для работы с перевозбуждением, имеют несколько большие габариты, а их КПД меньше, чем у двигателей, предназначенных для работы с = 1, когда ток статора и потери двигателя имеют минимальные значения. Аналогично синхронному генератору, включенному на параллельную работу с сетью (см. § 21.6), синхронный двигатель имеет предел устойчивости при минимальном токе возбуждения (штриховая линия в левой части рис. 22.5). Рабочие характеристики. Рабочие характеристики синхронного двигателя представляют собой зависимость частоты вращения ротора , потребляемой мощности , полезного момента , коэффициента мощности , и тока в обмотке статора от полезной мощности двигателя (рис. 22. ). Частота вращения ротора всегда равна синхронной частоте , поэтому график имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс. Полезный момент на валу синхронного двигателя . Так как рабочие характеристики снимают при условии , то график имеет вид прямой, выходящей из начала координат. Мощность на входе двигателя . С ростом нагрузки на валу двигателя увеличиваются также и потери , поэтому потребляемая мощность растет быстрее полезной мощности и график имеет несколько криволинейный вид.
Рис. 22.5 U-образные характеристики синхронного двигателя
Рис. 22.6. Рабочие характеристики синхронного двигателя
Вид графика зависит от вида настройки тока возбуждения: если в режиме х. х. ток возбуждения установлен таким, что = 1, то с ростом нагрузки коэффициент мощности снижается, если же установить =1 при номинальной нагрузке, то при недогрузке двигатель будет забирать из сети реактивный опережающий ток, а при перегрузке — отстающий. Обычно устанавливают ток возбуждения таким, чтобы =1 при средней нагрузке (рис. 22. ). В этом случае коэффициент мощности во всем диапазоне нагрузок остается достаточно высоким. Если же установить ток в обмотке возбуждения синхронного двигателя таким, чтобы =1 был при нагрузке несколько превышающей номинальную, то при номинальной нагрузке и двигатель будет потреблять из сети опережающий по отношению к напряжению сети ток, что приведет к повышению коэффициента мощности этой сети. В этом отношении синхронные двигатели выгодно отличаются от асинхронных, работающих с отстающим по фазе током (особенно при недогрузке двигателя) и снижающих энергетические показатели питающей сети. Ток в обмотке статора двигателя . Из этого выражения видно, что ток с увеличением нагрузки на валу двигателя растет быстрее, чем потребляемая мощность , вследствие уменьшения . Так как ротор синхронного двигателя вращается в ту же сторону, что и поле статора, то направление вращения ротора определяется порядком следования фаз линейных проводов, подведенных к обмотке статора, и порядком расположения фаз обмотки статора. Для изменения направления вращения трехфазного синхронного двигателя необходимо переключить два линейных привода, подведенных из сети к выводам обмотки статора (см. § 9.3). В заключение необходимо отметить, что синхронные двигатели по сравнению с асинхронными имеют преимущество, заключающееся в том, что они могут работать с = 1, не создавая в щей сети индуктивных токов, вызывающих дополнительные потери энергии. Более того, при работе с перевозбуждением синхронные двигатели создают в сети емкостный ток, чем способствуют повышению коэффициента мощности энергосистемы в целом. Другое достоинство синхронных двигателей состоит в том, что, как это следует из (21.11), основная составляющая электромагнитного момента пропорциональна напряжению сети , а у асинхронных двигателей электромагнитный момент пропорционален [см. (13.14)]. По этой причине при понижении напряжения в сети синхронные двигатели сохраняют большую перегрузочную способность, чем асинхронные. К недостаткам синхронных двигателей относятся их более сложная конструкция и повышенная стоимость по сравнению с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Кроме того, для работы синхронного двигателя требуется устройство для питания постоянным током обмотки возбуждения. Опыт эксплуатации показал, что применение синхронных двигателей общего назначения наиболее целесообразно при мощности 200 кВт и более в установках, не требующих частых пусков и регулирования частоты вращения (мощные насосы, вентиляторы, компрессоры и т. п.). |
mykonspekts.ru
