Синхронные машины.
Синхронные машины получили очень широкое применение. Все электрические генераторы переменного тока установленные на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях являются синхронными машинами.
Синхронные машины применяются как двигатели в приводах большой мощности. Они приводят в движение устройства, где требуются строгое постоянство скорости.
Синхронная машина имеет ротор, чаще всего вращающийся электромагнит, возбуждаемый постоянным током. Постоянный ток поступает от выпрямителя или специального генератора возбудителя. Статор или статорная обмотка практически одинаковы у синхронных и асинхронных машин.
Наличие в электрической цепи ротора постороннего источника принципиально отличает синхронную машину от асинхронной.
Синхронная машина имеет явнополюсный или неявнополюсный ротор.
 |
Принципиальные особенности работы асинхронных машин можно выяснить, используя рассмотренную теорию асинхронной машины.
Рассмотрим случай, когда раскрученная до синхронной скорости обмотка ротора различается.
Под действием постоянного тока в двух последовательно соединенных фазах обмотки появится магнитный поток и на поверхности ротора появятся соответствующие полюсы.
При отсутствии момента сопротивления на валу оси полюсов статора и ротора совпадут, и вал будет вращаться со скоростью вращения внешнего магнитного поля.
 |
 |
 |
Когда к валу приложим внешний момент сопротивления МС полюсы ротора смещаются относительно полюсов статора и силы их взаимодействия образуют вращающий электромагнитный момент М. Угол θ увеличивается до такой величины, при которой вращающий момент становится равным моменту сопротивления. Увеличение момента сопротивления вызывает дополнительный рост угла θ и электромагнитного момента, но скорость вращения ротора остается синхронной.
Синхронная машина может работать в генераторном режиме. Если приложить к валу двигателя внешний вращающий момент, то полюсы ротора сместятся относительно полюсов статора в противоположную сторону. При этом ******** является синхронным генератором.
Работа синхронного двигателя
Под нагрузкой.
При рассмотрении рабочего процесса двигателя примем ряд идеализирующих двигатель упрощений:
1. Пренебрегаем потерями электрической энергии в меди обмоток и стали магнитопровода машины.
3.Потоки рассеяния отсутствуют.
При этих догируемых КПД = 1. Электрическая мощность полностью преобразуется в механическую:
.
Магнитное поле синхронной машины складывается из двух полей: вращающегося поля трехфазной обмотки статора и поля постоянного тока возбуждения ротора. Эти поля взаимно неподвижны, так как ротор вращается с той же скоростью, что и поле статора.
Вследствие изменения потокосцепления в каждой фазе статорной обмотки индуктируются э.д.с.
Поле статора индуктирует э.д.с.:
,
после ротора:
.
Фазное напряжение статора уравновешивается только этими двумя э.д.с.
.
Э.д.с. 
Сумму э.д.с. и 
можно заменить результирующей э.д.с.
,
Можно считать, что 
наводится результирующим полем машины:
.
Тогда результирующее потокосцепление статорной обмотки можно определить
; 
.
Диаграмма построена для одной из фаз статорной обмотки и соответствует моменту, когда ток имеет амплитудное значение. В этот момент потокосцепление фазы А с вращающимся полем максимально, а вектор  |
Полученным уравнением соответствует векторная диаграмма. Будем считать, что ток статора 
опережает по фазе напряжение сети 
на угол 
.
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
совпадает по фазе с вектором .
Из диаграммы видно, что ток носит емкостный характер. Это происходит в случае если 
.
Рассмотрим векторную диаграмму для случая, когда 
. Будем считать, что пространственный угол 
остался прежним.
 |
| |
 |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
 |
| |
Уменьшение приведет к тому, что характер тока цепи статора с емкостного меняется на индуктивный. Величину 
можно регулировать, изменяя ток возбуждения цепи ротора. Следовательно изменением тока возбуждения ротора можно регулировать коэффициент мощности двигателя.
Синхронного двигателя.
.
Э.д.с. потока статора целесообразно заменить паданием напряжения на индуктивным сопротивлении 
, где 
- синхронное сопротивление машины, представляющее индуктивное сопротивление фазы статора.
 |
Сравнению соответствует эквивалентная схема замещения.
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
|
| |
| |
| |
 |
| |
 |
Синхронного двигателя.
И образные характеристики.
Синхронный двигатель принципиально может работать с опережающим или отстающим 
. Возможна также работа при 
.
При питании двигателя от сети большой мощности напряжение 
на его зажимах будет всегда неизменным. Следовательно, результирующая э.д.с. и результирующее потокосцепление 
статорной обмотки должен оставаться постоянными при любом режиме работы машины.
Регулирование тока возбуждения, т.е. поля ротора, сопровождается таким изменением поля статора, при котором сохраняется постоянным результирующее поле машины.
Рассмотрим случай, когда двигатель работает в режиме холостого хода 
. Ток возбуждения имеет такую величину, что 
, последнее равенство обеспечивается, когда 
. В этом режиме поле ротора имеет ту же интенсивность, что и результирующая поле. Следовательно поле статора должно отсутствовать 
, и ток в обмотке статора также должен быть равен нулю.
; 
.
 |
 |
| |
 |
| |
| |
 |
 |
 |
 |
| |
При холостом ходе:
| |
| |
| |
| |
 |
 |
 |
Для количественной оценки регулирования реактивной составляющей тока статора с помощью тока возбуждения используют V – образные характеристики 
при М=const. Эти характеристики строят экспериментами или на основании расчетов.
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
Использование синхронного двигателя на промышленных предприятиях целесообразно, так как для питающей цепи он является активно – емкостной нагрузкой при значительном токе возбуждения. В режиме, когда 
, включение двигателя в сеть подобно подключению сопротивления и батареи конденсаторов. Выпускаемые промышленностью двигатели рассчитаны на работу с 
0,8 при опережающем токе.
Пуск синхронных двигателей.
Для разгона синхронных двигателей их роторы снабжают специальной пусковой обмоткой, подобной «беличьему колесу» асинхронных двигателей.
В рабочем режиме при 
ток в пусковой обмотке становится равным нулю. При толчках нагрузки выпускает ускорение ротора и появляется ток в короткозамкнутой обмотке, который способствует демпфированию качаний ротора. При пуске обмотка возбуждения ротора отключается от источника питания и замыкается через разрядное сопротивление в 6 ÷ 10 раз превышающее сопротивление этой обмотки. Если обмотку не замкнуть, то в момент пуска напряжение на выводах увеличивается в 20 ÷ 30 раз, что приводит к пробою изоляции.
При растяжении 
обмотка возбуждения автоматически отключается от разрядного сопротивления и замыкается на источник постоянного тока. Двигатель втягивается в синхронизм.
 |
Системах большой мощности.
В современных электрических системах электрическая энергия поступает в сеть от большого числа // работающих генераторов. Отдельные электрические станции объединяются в мощные энергосистемы, куда входят сотни генераторов.
Стабилизация частоты и напряжения осуществляется автоматически. Каждый отдельный генератор может рассматриваться как включенный на зажимы активного двухполюсника с бесконечно малым входным сопротивлением, который замещает всю остальную энергосистему.
| Действующее значение напряжения на зажимах генератора постоянно, а частота равна 50 Гц. Любое изменение нормального режима работы генератора не может изменить напряжение и частоту системы, т.е. не может повлиять на работу других машин. |
Напряжение на зажимах машины можно принять работой результирующей э.д.с. Е.
Постоянству частоты и амплитуды э.д.с. Е соответствует постоянство частоты и амплитуды потокосцепления 
результирующих поля машин.
Следовательно при параллельной работе синхронной машины с системой бесконечной мощности результирующее магнитное поле машины должно оставаться неизменным и вращаться в пространстве с постоянной угловой скоростью Ω.
Электродвижущая сила якоря.
Э.д.с. якоря машины постоянного тока равна алгебраической сумме мгновенных значений э.д.с. проводников одной параллельной ветки.
,
- число витков якоря, 
- число параллельных ветвей.
, 
- число витков в одной // ветви якоря.
; 
- полюсное деление, 
- число полюсов.
; 
.
 |
Реакция якоря.
В секциях, проходящих геометрические нейтрали, при нагрузке наводится э.д.с. от потока якоря, что существенно влияет на процесс коммутации в машине.
Искрение на коллекторе.
Искрение – возникновение искрового или дугового разряда при размыкании цепи постоянного тока, обладающий продуктивностью.
Причины искрения: неровности поверхности, неправильный выбор давления пружин на щетку, неудовлетворительная коммутация.
Коммутацией называется процесс переключения секций обмотки якоря из одной // ветви в другую. Коммутируемая секция, проходя геометрическую нейтраль замыкает щеткой накоротко, а затем размыкается.
, 
, 
, 
.
Ликвидация искрения.
| Для компенсации э.д.с. магнитный поток полюсов добавочных должен быть направлен навстречу потоку якоря.
|
В машинах малой мощности при их работе с постоянной нагрузкой для улучшения коммутации щетки сдвигают в сторону физических нейтралей.
Синхронные машины.
Синхронные машины получили очень широкое применение. Все электрические генераторы переменного тока установленные на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях являются синхронными машинами.
Синхронные машины применяются как двигатели в приводах большой мощности. Они приводят в движение устройства, где требуются строгое постоянство скорости.
Синхронная машина имеет ротор, чаще всего вращающийся электромагнит, возбуждаемый постоянным током. Постоянный ток поступает от выпрямителя или специального генератора возбудителя. Статор или статорная обмотка практически одинаковы у синхронных и асинхронных машин.
Наличие в электрической цепи ротора постороннего источника принципиально отличает синхронную машину от асинхронной.
Синхронная машина имеет явнополюсный или неявнополюсный ротор.
| |
Принципиальные особенности работы асинхронных машин можно выяснить, используя рассмотренную теорию асинхронной машины.
Рассмотрим случай, когда раскрученная до синхронной скорости обмотка ротора различается.
Под действием постоянного тока в двух последовательно соединенных фазах обмотки появится магнитный поток и на поверхности ротора появятся соответствующие полюсы.
При отсутствии момента сопротивления на валу оси полюсов статора и ротора совпадут, и вал будет вращаться со скоростью вращения внешнего магнитного поля.
| |
| |
| |
Когда к валу приложим внешний момент сопротивления МС полюсы ротора смещаются относительно полюсов статора и силы их взаимодействия образуют вращающий электромагнитный момент М. Угол θ увеличивается до такой величины, при которой вращающий момент становится равным моменту сопротивления. Увеличение момента сопротивления вызывает дополнительный рост угла θ и электромагнитного момента, но скорость вращения ротора остается синхронной.
Синхронная машина может работать в генераторном режиме. Если приложить к валу двигателя внешний вращающий момент, то полюсы ротора сместятся относительно полюсов статора в противоположную сторону. При этом ******** является синхронным генератором.
Работа синхронного двигателя
Под нагрузкой.
При рассмотрении рабочего процесса двигателя примем ряд идеализирующих двигатель упрощений:
1. Пренебрегаем потерями электрической энергии в меди обмоток и стали магнитопровода машины.
2.Пренебрегаем моментом сил трения вращающих частей.
3.Потоки рассеяния отсутствуют.
При этих догируемых КПД = 1. Электрическая мощность полностью преобразуется в механическую:
.
Магнитное поле синхронной машины складывается из двух полей: вращающегося поля трехфазной обмотки статора и поля постоянного тока возбуждения ротора. Эти поля взаимно неподвижны, так как ротор вращается с той же скоростью, что и поле статора.
Вследствие изменения потокосцепления в каждой фазе статорной обмотки индуктируются э.д.с.
Поле статора индуктирует э.д.с.:
,
после ротора:
.
Фазное напряжение статора уравновешивается только этими двумя э.д.с.
.
Э.д.с. индуцируется внешним полем ротора и в режиме двигателя её положительное направление противоположно направлению тока.
Сумму э.д.с. и можно заменить результирующей э.д.с.
,
Можно считать, что наводится результирующим полем машины:
.
Тогда результирующее потокосцепление статорной обмотки можно определить
; .
| Диаграмма построена для одной из фаз статорной обмотки и соответствует моменту, когда ток имеет амплитудное значение. В этот момент потокосцепление фазы А с вращающимся полем максимально, а вектор |
Полученным уравнением соответствует векторная диаграмма. Будем считать, что ток статора опережает по фазе напряжение сети на угол .
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
совпадает по фазе с вектором .
Из диаграммы видно, что ток носит емкостный характер. Это происходит в случае если .
Рассмотрим векторную диаграмму для случая, когда . Будем считать, что пространственный угол остался прежним.
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
Уменьшение приведет к тому, что характер тока цепи статора с емкостного меняется на индуктивный. Величину можно регулировать, изменяя ток возбуждения цепи ротора. Следовательно изменением тока возбуждения ротора можно регулировать коэффициент мощности двигателя.
infopedia.su
Синхронная машина обратима, и конструкция синхронного двигателя принципиально не отличается от конструкции синхронного генератора. В двигательном режиме синхронная машина потребляет энергию из сети и преобразует ее в механическую энергию за счет возникающего движущего момента.
Если к валу ротора синхронного генератора, работающего параллельно с сетью, приложить тормозной момент, то машина начнет потреблять из сети активную мощность, в результате чего возникнет электромагнитный момент, направленный в сторону вращения, т. е. машина автоматически перейдет в двигательный режим, причем частота вращения ротора остается неизменной (здесьp — число полюсов).
В двигательном режиме токи, поступающие из сети к обмотке якоря (статора), образуют в нем вращающееся магнитное поле, которое полюсами притягивает соответственно разноименные полюсы ротора, вследствие чего частота вращения полюсной системы (ротор) совпадает с частотой поля статора. Работу синхронного двигателя образно можно представить в виде следующей механической аналогии: полюсы ротора связаны с вращающимися полюсами поля статора как бы упругими нитями (линиями магнитного поля), создающими необходимое натяжение, которые с увеличением нагрузки могут растягиваться не обрываясь. Если же эти «нити» при перегрузке машины обрываются, то двигатель выпадает из синхронизма и имеет место аварийный режим.
Для двигательного режима в формуле (13.26) угол θ < 0, а это означает, что у синхронного двигателя в отличие от генератора полюсы ротора отстают от полюсов вращающегося поля статора, т. е. последнее «ведет» за собой ротор (рис. 13.18, в).
Согласно (13.26), синхронный двигатель может работать при условии, если момент нагрузки не превышает максимального момента Mmax, который может развить двигатель. Если же момент нагрузки больше максимального момента двигателя, то невозможно поддерживать синхронной частоту вращения ротора и двигатель выпадает из синхронизма. Практически синхронный двигатель работает, когда момент нагрузки меньше Мmax, т. е. при угле нагрузки θ < π/2. Обычно номинальный момент двигателя Мном не превышает 0,5Мmax и соответственно при номинальной нагрузке θ ≈ 20 ÷ 30°. При больших θ могут возникнуть качания ротора, т. е. ситуация, при которой положение ротора относительно поля статора периодически меняется, что сопровождается изменением θ.
Векторные диаграммы синхронного двигателя. В зависимости от конструкции ротора рассматривают векторные диаграммы явнополюсной или неявнополюсной машины. Векторные диаграммы синхронного двигателя аналогичны векторным диаграммам генератора, поэтому согласно (13.18) можно построить векторную диаграмму для неявно-полюсного двигателя, подставив вместо напряжения генератора U напряжение сети Uс:
(13.32)
На рис. 13.19, а показана векторная диаграмма для недовозбужден-ной (E0<UC), а на рис. 13.19,6 —перевозбужденной (Е0 > Uc) машин. На векторных диаграммах учтено, что в двигательном режиме для синхронной машины θ < 0. Построение векторных диаграмм следует начинать с изображения векторов Uc и -Uc, затем строят вектор тока I, активная составляющая которого совпадает с направлением Uc, и вектор E0.
Из векторных диаграмм видно, что для перевозбужденной машины ток I является опережающим по отношению к напряжению сети, а для недовозбужденной — отстающим. Для выполнения механической работы режим возбуждения двигателя не имеет значения, так как при недо-возбуждении или перевозбуждении двигатель одинаково обеспечивает необходимый вращающий момент. Однако с энергетической точки зрения режим возбуждения имеет важное практическое значение. Так как синхронные двигатели обычно подключаются к сети, от которой питаются и другие потребители (основную часть из которых составляют асинхронные двигатели, потребляющие ток, отстающий по фазе от напряжения сети), то способность синхронных двигателей работать с опережающими токами ведет к повышению коэффициента мощности (cosφ) энергетических систем. Весьма целесообразно для повышения cosφ на промышленных предприятиях использовать синхронные двигатели, так как при достаточном токе возбуждения для питающей сети они являются активно-емкостной нагрузкой. В связи с этим промышленностью выпускаются синхронные двигатели, рассчитанные на работу с cosφ = 0,8 при опережающем токе.
Рассмотрим работу синхронного двигателя при изменении активной нагрузки (нагрузочного, или тормозного, момента Мт) и постоянном токе возбуждения, для чего воспользуемся векторной диаграммой неявнополюсного двигателя (рис. 13.20). С изменением нагрузки меняется угол θ между векторами E0 и -Uc, так как, согласно (13.26), вращающий момент М = Мт пропорционален sinθ. При этом с изменением нагрузки конец вектора E0, перемещается по окружности радиусом, равным Е0, так как при Iв = const и Uс = const э. д. с. Е0 постоянна Одновременно с вектором E0 поворачивается вокруг точки О вектор тока якоря I, располагаясь при этом перпендикулярно вектору -jIXсн. Так как с увеличением нагрузки θ растет, а с уменьшением нагрузки θ уменьшается, то при определенном значении нагрузки двигатель будет работать при cos φ = 1. Если нагрузку на двигатель уменьшить по сравнению с той, при которой он имеет cosφ = l, то θ уменьшится и ток двигателя I будет иметь опережающую реактивную (емкостную) составляющую (в нашем случае ток I2). Следовательно, с изменением активной мощности синхронного двигателя меняется cos φ.
Если изменять ток возбуждения синхронного двигателя при постоянной активной мощности, то будет меняться его cosφ, т. е. реактивная мощность. На рис. 13.21 приведена векторная диаграмма двигателя для данного случая, т. е. когда М = Мт = const. Так как при этом активная мощность является неизменной, то можно записать
При постоянном напряжении на двигателе справедливы условия E0sinθ = const, Icosφ = const. Эти условия показывают, что геометрическое место концов векторов E0 и I при изменении тока возбуждения есть прямые (рис. 13.21, прямая АВ — для векторов Е0, прямая CD — для концов векторов I). Трем векторам диаграммы I, изображенным на рис. 13.21, соответствуют различные токи возбуждения (э. д. с. E0). Изменение тока возбуждения вызывает изменение фазового угла φ. Ток в статоре имеет наименьшее значение, когда его реактивная составляющая равна нулю (φ = 0 или cosφ = 1). В нашем случае наименьшим током будет I2, так как φ2 = 0.
Изменение тока возбуждения при М = Мт = const вызывает также изменение угла θ, причем с увеличением Iв (э. д. с. E0) усиливается магнитное поле, вследствие чего угол θ уменьшается и оси полюсов ротора и поля статора машины располагаются ближе друг к другу, выявляя тем самым «упругие» свойства магнитных линий, связывающих полюсы поля статора и ротора. Уменьшение же тока возбуждения ведет к увеличению угла θ и, как следствие, к ослаблению электромагнитных связей между статором и ротором.
studfiles.net
Синхронная машина обратима, и конструкция синхронного двигателя принципиально не отличается от конструкции синхронного генератора. В двигательном режиме синхронная машина потребляет энергию из сети и преобразует ее в механическую энергию за счет возникающего движущего момента.
Если к валу ротора синхронного генератора, работающего параллельно с сетью, приложить тормозной момент, то машина начнет потреблять из сети активную мощность, в результате чего возникнет электромагнитный момент, направленный в сторону вращения, т. е. машина автоматически перейдет в двигательный режим, причем частота вращения ротора остается неизменной (здесьp — число полюсов).
В двигательном режиме токи, поступающие из сети к обмотке якоря (статора), образуют в нем вращающееся магнитное поле, которое полюсами притягивает соответственно разноименные полюсы ротора, вследствие чего частота вращения полюсной системы (ротор) совпадает с частотой поля статора. Работу синхронного двигателя образно можно представить в виде следующей механической аналогии: полюсы ротора связаны с вращающимися полюсами поля статора как бы упругими нитями (линиями магнитного поля), создающими необходимое натяжение, которые с увеличением нагрузки могут растягиваться не обрываясь. Если же эти «нити» при перегрузке машины обрываются, то двигатель выпадает из синхронизма и имеет место аварийный режим.
Для двигательного режима в формуле (13.26) угол θ < 0, а это означает, что у синхронного двигателя в отличие от генератора полюсы ротора отстают от полюсов вращающегося поля статора, т. е. последнее «ведет» за собой ротор (рис. 13.18, в).
Согласно (13.26), синхронный двигатель может работать при условии, если момент нагрузки не превышает максимального момента Mmax, который может развить двигатель. Если же момент нагрузки больше максимального момента двигателя, то невозможно поддерживать синхронной частоту вращения ротора и двигатель выпадает из синхронизма. Практически синхронный двигатель работает, когда момент нагрузки меньше Мmax, т. е. при угле нагрузки θ < π/2. Обычно номинальный момент двигателя Мном не превышает 0,5Мmax и соответственно при номинальной нагрузке θ ≈ 20 ÷ 30°. При больших θ могут возникнуть качания ротора, т. е. ситуация, при которой положение ротора относительно поля статора периодически меняется, что сопровождается изменением θ.
Векторные диаграммы синхронного двигателя. В зависимости от конструкции ротора рассматривают векторные диаграммы явнополюсной или неявнополюсной машины. Векторные диаграммы синхронного двигателя аналогичны векторным диаграммам генератора, поэтому согласно (13.18) можно построить векторную диаграмму для неявно-полюсного двигателя, подставив вместо напряжения генератора U напряжение сети Uс:
(13.32)
На рис. 13.19, а показана векторная диаграмма для недовозбужден-ной (E0<UC), а на рис. 13.19,6 —перевозбужденной (Е0 > Uc) машин. На векторных диаграммах учтено, что в двигательном режиме для синхронной машины θ < 0. Построение векторных диаграмм следует начинать с изображения векторов Uc и -Uc, затем строят вектор тока I, активная составляющая которого совпадает с направлением Uc, и вектор E0.
Из векторных диаграмм видно, что для перевозбужденной машины ток I является опережающим по отношению к напряжению сети, а для недовозбужденной — отстающим. Для выполнения механической работы режим возбуждения двигателя не имеет значения, так как при недо-возбуждении или перевозбуждении двигатель одинаково обеспечивает необходимый вращающий момент. Однако с энергетической точки зрения режим возбуждения имеет важное практическое значение. Так как синхронные двигатели обычно подключаются к сети, от которой питаются и другие потребители (основную часть из которых составляют асинхронные двигатели, потребляющие ток, отстающий по фазе от напряжения сети), то способность синхронных двигателей работать с опережающими токами ведет к повышению коэффициента мощности (cosφ) энергетических систем. Весьма целесообразно для повышения cosφ на промышленных предприятиях использовать синхронные двигатели, так как при достаточном токе возбуждения для питающей сети они являются активно-емкостной нагрузкой. В связи с этим промышленностью выпускаются синхронные двигатели, рассчитанные на работу с cosφ = 0,8 при опережающем токе.
Рассмотрим работу синхронного двигателя при изменении активной нагрузки (нагрузочного, или тормозного, момента Мт) и постоянном токе возбуждения, для чего воспользуемся векторной диаграммой неявнополюсного двигателя (рис. 13.20). С изменением нагрузки меняется угол θ между векторами E0 и -Uc, так как, согласно (13.26), вращающий момент М = Мт пропорционален sinθ. При этом с изменением нагрузки конец вектора E0, перемещается по окружности радиусом, равным Е0, так как при Iв = const и Uс = const э. д. с. Е0 постоянна Одновременно с вектором E0 поворачивается вокруг точки О вектор тока якоря I, располагаясь при этом перпендикулярно вектору -jIXсн. Так как с увеличением нагрузки θ растет, а с уменьшением нагрузки θ уменьшается, то при определенном значении нагрузки двигатель будет работать при cos φ = 1. Если нагрузку на двигатель уменьшить по сравнению с той, при которой он имеет cosφ = l, то θ уменьшится и ток двигателя I будет иметь опережающую реактивную (емкостную) составляющую (в нашем случае ток I2). Следовательно, с изменением активной мощности синхронного двигателя меняется cos φ.
Если изменять ток возбуждения синхронного двигателя при постоянной активной мощности, то будет меняться его cosφ, т. е. реактивная мощность. На рис. 13.21 приведена векторная диаграмма двигателя для данного случая, т. е. когда М = Мт = const. Так как при этом активная мощность является неизменной, то можно записать
При постоянном напряжении на двигателе справедливы условия E0sinθ = const, Icosφ = const. Эти условия показывают, что геометрическое место концов векторов E0 и I при изменении тока возбуждения есть прямые (рис. 13.21, прямая АВ — для векторов Е0, прямая CD — для концов векторов I). Трем векторам диаграммы I, изображенным на рис. 13.21, соответствуют различные токи возбуждения (э. д. с. E0). Изменение тока возбуждения вызывает изменение фазового угла φ. Ток в статоре имеет наименьшее значение, когда его реактивная составляющая равна нулю (φ = 0 или cosφ = 1). В нашем случае наименьшим током будет I2, так как φ2 = 0.
Изменение тока возбуждения при М = Мт = const вызывает также изменение угла θ, причем с увеличением Iв (э. д. с. E0) усиливается магнитное поле, вследствие чего угол θ уменьшается и оси полюсов ротора и поля статора машины располагаются ближе друг к другу, выявляя тем самым «упругие» свойства магнитных линий, связывающих полюсы поля статора и ротора. Уменьшение же тока возбуждения ведет к увеличению угла θ и, как следствие, к ослаблению электромагнитных связей между статором и ротором.
studfiles.net
Cтраница 1
Работа синхронного двигателя в качестве БМПТ в соответствии с условиями ( 3 - 3) и ( 3 - 4) обеспечивает полное отсутствие опасности выхода двигателя из синхронизма. Изменение скорости вращения и соответственно частоты тока в обмотке с изменением напряжения сети или нагрузки на валу обусловливает возможность плавного регулирования скорости двигателя в широких пределах. Рабочие характеристики БМПТ подобны соответствующим характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока, а угол 9 эквивалентен углу сдвига щеток с геометрической нейтрали. [1]
Работа синхронного двигателя в асинхронном режиме опасна, для самого двигателя, поскольку при этом в обмотках статора и ротора появляются дополнительные пульсирующие токи, которые вызывают перегрев двигателя. Поэтому на синхронных двигателях предусматривается защита от асинхронного режима. [2]
Работу синхронного двигателя образно можно представить в виде следующей механической аналогии: полюсы ротора связаны с вращающимися полюсами поля статора как бы упругими нитями ( линиями маг нитного поля), создающими необходимое натяжение, которые с увеличением нагрузки могут растягиваться не обрываясь. Если же эти нити при перегрузке машины обрываются, то двигатель выпадает из синхронизма и имеет место аварийный режим. [3]
Работу синхронного двигателя образно можно представить в виде следующей механической аналогии: полюсы ротора связаны с вращающимися полюсами поля статора как бы упругими нитями ( линиями магнитного поля), создающими необходимое натяжение, которые с увеличением нагрузки могут растягиваться, не обрываясь. [4]
Условия работы синхронных двигателей при понижениях напряжения оказываются другими, чем для асинхронных. Установившийся синхронный режим двигателя характеризуется потребляемой им активной мощностью Рс Шсозф, ЭДС Ed за синхронным активным сопротивлением в продольной оси Ха и поперечной оси Xq и углом сдвига 8 между Ed и напряжением на зажимах U. С другой стороны, PC определяется статическим противодействующим моментом Мпр. Устойчивая работа имеет место в том случае, когда нагрузка механизма меньше максимально возможного значения Рс max. При дальнейшем уменьшении EdU возникают качания и возможность выпадения Двигателя из синхронизма. Таким образом, выпадение двигателя из синхронизма может определяться снижением U, уменьшением тока возбуждения и недопустимым увеличением нагрузки. С другой стороны, форсировка возбуждения, широко используемая в отечественной практике, существенно влияет на повышение устойчивой работы. Внезапные резкие снижения напряжения, опасные с точки зрения выпадения двигателя из синхронизма, обычно возникают в результате КЗ в питающей сети. [5]
Условия работы синхронных двигателей при понижениях напряжения оказываются другими, чем для асинхронных. Установившийся синхронный режим двигателя хараи - теризуется потребляемой им активной мощностью Р Шcos ф, ЭДС Еа за синхронным активным сопротивлением в продольной оси Ха и поперечной оси Xq: углом сдвига 5 между Ed и напряжением на зажимах U. С другой стороны, Рс определяется статическим противодействующим моментом Mnf. Устойчивая работа имеет месте в том случае, когда нагрузка механизма меньше максимально возможного значения Рс max. При дальнейшем уменьшении EdU возникают качания и возможность выпадения Двигателя из синхронизма. [6]
Анализ работы синхронных двигателей ( СД) кустовых насосных станций ( КНС) АО Татнефть, устройств их возбуждения и защиты показал, что ежегодно выходят из строя около 6 % двигателей. Из рассмотренных двигателей 30 % имеют тиристорные схемы возбуждения собственного ( непромышленного) изготовления, которые имеют ряд существенных недостатков: отсутствие режима форсировки и защиты цепей возбуждения, невозможность интенсивного гашения поля двигателя при аварийных режимах. [7]
Длительность работы синхронных двигателей в асинхронном режиме ограничивается, и для ускорения разгона двигателя до подсинхронных оборотов при необходимости производится разгрузка двигателя при самозапуске. В системах электроснабжения промышленных предприятий обычно предусматривается АВР на секционных выключателях и АПВ на выключателях питающих линий. Пусковым органом АВР при самозапуске асинхронных двигателей служит реле минимального напряжения. Если имеются и синхронные двигатели, то применяется схема АВР с комбинированным пусковым органом по частоте и напряжению. [8]
Обеспечение работы синхронных двигателей с cos ср 1 ( или даже опережающим) можно достигнуть регулировкой тока возбуждения, что является большим преимуществом синхронных двигателей перед асинхронными. [9]
Анализ работы синхронных двигателей ( СД) кустовых насосных станций ( КНС) АО Татнефть, устройств их возбуждения и защиты показал, что ежегодно выходят из строя около 6 % двигателей. [10]
Принцип работы синхронных двигателей с постоянными магнитами основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля обмотки статора с полем постоянных магнитов, расположенных на роторе. [12]
Обеспечение работы синхронных двигателей с cos ср 1 ( или даже опережающим) можно достигнуть регулировкой тока возбуждения, что является большим преимуществом синхронных двигателей перед асинхронными. [13]
При работе синхронного двигателя в режиме перевозбуждения он отдает в сеть реактивную энергию. Это свойство синхронных двигателей широко используют на предприятиях для улучшения коэффициента мощности электроустановок. [14]
Страницы: 1 2 3 4
www.ngpedia.ru
СД может работать в тех же режимах, что и СГ, т. е.
а) при и,
б) при и.
Рассмотрим условия работы с помощью упрощенной векторной диаграммы неявнополюсного СД (рис. 3.31). В случае рис. 3.31,б и. Следовательно,. При изменении мощности изменяется угол, причем конец векторабудет скользить по окружности с радиусом, равнымE. Изобразим векторную диаграмму для различных углов , т.е. при различных мощностях.
Из векторной диаграммы следует, что с увеличением угла нагрузки :,.
Рассмотрим первый случай, когда , . Упрощенная векторная диаграмма неявнополюсного СД будет иметь вид (рис. 3.31,а).
Как следует из построения, конец вектора I скользит по прямой АВ перпендикулярной вектору , а конец векторапо прямой СД параллельной вектору.Е1> Е2 – режим перевозбуждения, Е3<Е2 -режим недовозбуждения.
Перевозбужденный СД потребляет из сети опережающий ток. Это его свойства используется для улучшения коэффициента мощности сети ().
Зависимости также носятU-образный характер, как и в синхронных генераторах (см. рис. 3.28).
Это зависимости . Их примерный вид изображен на рис.3.32.
СД может работать с . Обычно СД рассчитывают для работы с опережающим. При этом СД не потребляет, а отдает реактивную мощность в сеть. На холостом ходу СД потребляет в основном реактивный опережающий ток и еговесьма мал. При этом может существенно улучшаетсясети, на которую работают асинхронные двигатели, так как их реактивная мощность уменьшается ввиду ее компенсации СД.
3.6.5. Пуск в ход синхронного двигателя
СД не имеет начального пускового момента, так как в течение одного полупериода его ротор, в силу значительной инерции, не может разогнаться до частоты вращения поля . Поэтому не возникает электромагнитного взаимодействия между ротором и полем. Чтобы это взаимодействие возникло, необходимо ротор разогнать до частоты близкой к синхронной частоте вращения.
Наиболее широко применяется асинхронный пуск СД. С этой целью на роторе СД помещается короткозамкнутая обмотка, выполненная по типу беличьей клетки (рис. 3.33). Стержни этой обмотки размещаются в полюсных наконечниках и замыкаются с торцов кольцами.
При асинхронном пуске обмотка статора включается в сеть. Вращающиеся поле наводит в стержнях короткозамкнутой обмотки ЭДС и токи. В результате взаимодействия последних с магнитным полем возникает момент и ротор разгоняется до подсинхронной скорости.
При асинхронном пуске возможно применение двух схем (рис. 3.34).
При пуске по схеме (рис. 3.34,а) после включения обмотки статора СД приходит во вращение. В процессе разбега обмотка возбуждения СД замыкается на активное сопротивление . Это делается с целью предотвращения пробоя обмотки возбуждения под действием значительной ЭДС индуктируемой в данной обмотке вращающимся полем. При подходе к подсинхронной скорости вращения сопротивлениеотключается и обмотка возбуждения (ОВ) подключается к зажимам возбудителя (В). Возбудителем является генератор постоянного тока параллельного возбуждения. В обмотке возбуждения (ОВ) появляется ток возбужденияи СД под действием синхронизирующего момента входит в синхронизм.
При асинхронном пуске по схеме (рис. 3.34,б), обмотка возбуждения СД в процессе разбега наглухо подключена к зажимам возбудителя (В). Так как сопротивление обмотки якоря возбудителя мало, то обмотка возбуждения СД оказывается примерно замкнутой накоротко. В процессе разбега, при частоте вращения , начинает возбуждаться возбудитель, находящийся на одном валу с ротором СД. В обмотке возбуждения (ОВ) появляется ток возбуждения, который увеличивается по мере приближения частоты вращенияк подсинхронной. Далее СД автоматически втягивается в синхронизм.
Пуск по схеме (рис. 3.34,б) имеет существенные недостатки.
В процессе разбега возбудитель возбуждается слишком рано, и возникающий ток вызывает дополнительный тормозной момент;
Приходится считаться с возможностью возникновения одноосного включения.
Этот эффект был рассмотрен выше при изучении работы АД с не симметричным сопротивлением ротора. В рассматриваемом случае вращающееся поле статора наводит в однофазной обмотке возбуждения СД переменную ЭДС частоты . Под действием этой ЭДС в однофазной обмотке возбуждения возникает переменный ток той же частоты, который создает пульсирующее поле. Как известно, пульсирующее поле можно представить двумя вращающимися в противоположные стороны полями с частотой вращения. Прямое поле ротора вращается с частотой вращения, где– частота вращения ротора. Таким образом, прямое поле ротора вращается с той же частотой и в ту же сторону, что и поле статора. Другими словами, эти поля неподвижны относительно друг друга и обуславливают асинхронный момент, как в обычных АД (Рис.3.35, кривая 1). Что касается обратного поля ротора, то оно вращается с частотой. Приэто поле вращается в сторону противоположную вращению ротора, а при– в ту же сторону. Приполе неподвижно.
Обратное поле обуславливает знакопеременный момент (см. рис. 3.35, кривая 2). Результирующий момент (кривая 3) будет иметь провал при или при. Наличие этого провала может вызвать затруднение пуска.
С целью увеличения начального пускового момента, активное сопротивление короткозамкнутой обмотки следует выбирать по возможности максимальным. Но при этом уменьшается момент входа в синхронизм, то есть наибольший нагрузочный момент при котором СД, доведенный до подсинхронной частоты вращения, способен еще войти в синхронизм.
Достоинства СД.
СД способен работать при . Перевозбужденный СД потребляет из сети опережающий ток, что способствует улучшению коэффициента мощности сети.
На СД оказывает меньшее влияние колебания напряжения сети, чем на АД. Действительно, у СД , а у АД.
Строго постоянная частота вращения независимо от режима работы.
Недостатки СД.
Более сложна конструкция. Необходимость в источнике постоянного тока для возбуждения.
Относительная сложность пуска СД.
Трудность регулирования частоты вращения.
Тем не менее, при мощностях более 200…300 кВт СД более предпочтителен, если не требуется регулировка частоты вращения.
3.6.6. Синхронный компенсатор
Синхронным компенсатором (СК) называют СД, работающий без нагрузки на валу, т.е. в режиме холостого хода. СК применяются для улучшения сети и для поддержания нормального уровня напряжения сети в местах подключения потребителей.
Нормальный режим СК – режим перевозбуждения, используемый для улучшения коэффициента мощности сети. СК потребляет из сети опережающий ток, т.е. он вырабатывает реактивную мощность, отдавая ее в сеть. Его нередко называют генераторами реактивной мощности.
Поясним принцип улучшения коэффициента мощности сети с помощью перевозбужденного СК. Пусть такой СК включен в сеть, где работают два асинхронных двигателя (АД1 и АД2) (рис. 3.36).
Активная составляющая тока СК очень мала, так как потребляемая активная мощность идет только на покрытие потерь холостого хода.
СК может использоваться и в режиме недовозбуждения. В этом режиме он используется для поддержания напряжения сети в период отключения нагрузок потребителей. Напряжение сети стремится, в это время, возрасти. Включенный в это время недовозбужденный СК уменьшает напряжение сети до нормального уровня, так как недовозбужденный СК эквивалентен индуктивности и потребляет отстающий ток.
Номинальная мощность СК является его мощность в перевозбужденном режиме .
studfiles.net
Синхронные машины.
Синхронные машины получили очень широкое применение. Все электрические генераторы переменного тока установленные на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях являются синхронными машинами.
Синхронные машины применяются как двигатели в приводах большой мощности. Они приводят в движение устройства, где требуются строгое постоянство скорости.
Синхронная машина имеет ротор, чаще всего вращающийся электромагнит, возбуждаемый постоянным током. Постоянный ток поступает от выпрямителя или специального генератора возбудителя. Статор или статорная обмотка практически одинаковы у синхронных и асинхронных машин.
Наличие в электрической цепи ротора постороннего источника принципиально отличает синхронную машину от асинхронной.
Синхронная машина имеет явнополюсный или неявнополюсный ротор.
 |
Принципиальные особенности работы асинхронных машин можно выяснить, используя рассмотренную теорию асинхронной машины.
Рассмотрим случай, когда раскрученная до синхронной скорости обмотка ротора различается.
Под действием постоянного тока в двух последовательно соединенных фазах обмотки появится магнитный поток и на поверхности ротора появятся соответствующие полюсы.
При отсутствии момента сопротивления на валу оси полюсов статора и ротора совпадут, и вал будет вращаться со скоростью вращения внешнего магнитного поля.
 |
 |
 |
Когда к валу приложим внешний момент сопротивления МСполюсы ротора смещаются относительно полюсов статора и силы их взаимодействия образуют вращающий электромагнитный момент М . Угол θ увеличивается до такой величины, при которой вращающий момент становится равным моменту сопротивления. Увеличение момента сопротивления вызывает дополнительный рост угла θи электромагнитного момента, но скорость вращения ротора остается синхронной.
Синхронная машина может работать в генераторном режиме. Если приложить к валу двигателя внешний вращающий момент, то полюсы ротора сместятся относительно полюсов статора в противоположную сторону. При этом ******** является синхронным генератором.
Работа синхронного двигателя
Под нагрузкой.
При рассмотрении рабочего процесса двигателя примем ряд идеализирующих двигатель упрощений:
1. Пренебрегаем потерями электрической энергии в меди обмоток и стали магнитопровода машины.
2. Пренебрегаем моментом сил трения вращающих частей.
3. Потоки рассеяния отсутствуют.
При этих догируемых КПД = 1. Электрическая мощность полностью преобразуется в механическую:
.
Магнитное поле синхронной машины складывается из двух полей: вращающегося поля трехфазной обмотки статора и поля постоянного тока возбуждения ротора. Эти поля взаимно неподвижны, так как ротор вращается с той же скоростью, что и поле статора.
Вследствие изменения потокосцепления в каждой фазе статорной обмотки индуктируются э.д.с.
Поле статора индуктирует э.д.с.:
,
после ротора:
.
Фазное напряжение статора уравновешивается только этими двумя э.д.с.
.
Э.д.с. 
индуцируется внешним полем ротора и в режиме двигателя её положительное направление противоположно направлению тока.
Сумму э.д.с. и 
можно заменить результирующей э.д.с.
,
Можно считать, что 
наводится результирующим полем машины:
.
Тогда результирующее потокосцепление статорной обмотки можно определить
; 
.
Диаграмма построена для одной из фаз статорной обмотки и соответствует моменту, когда ток имеет амплитудное значение. В этот момент потокосцепление фазы А с вращающимся полем максимально, а вектор  |
Полученным уравнением соответствует векторная диаграмма. Будем считать, что ток статора 
опережает по фазе напряжение сети 
на угол 
.
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
совпадает по фазе с вектором .
Из диаграммы видно, что ток носит емкостный характер. Это происходит в случае если 
.
Рассмотрим векторную диаграмму для случая, когда 
. Будем считать, что пространственный угол 
остался прежним.
 |
| |
 |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
 |
| |
Уменьшение приведет к тому, что характер тока цепи статора с емкостного меняется на индуктивный. Величину 
можно регулировать, изменяя ток возбуждения цепи ротора. Следовательно изменением тока возбуждения ротора можно регулировать коэффициент мощности двигателя.
Синхронного двигателя.
.
Э.д.с. потока статора целесообразно заменить паданием напряжения на индуктивным сопротивлении 
, где 
- синхронное сопротивление машины, представляющее индуктивное сопротивление фазы статора.
 |
Сравнению соответствует эквивалентная схема замещения.
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
| |
| |
| |
 |
| |
 |
Синхронного двигателя.
И образные характеристики.
Синхронный двигатель принципиально может работать с опережающим или отстающим 
. Возможна также работа при 
.
При питании двигателя от сети большой мощности напряжение 
на его зажимах будет всегда неизменным. Следовательно, результирующая э.д.с. и результирующее потокосцепление 
статорной обмотки должен оставаться постоянными при любом режиме работы машины.
Регулирование тока возбуждения, т.е. поля ротора, сопровождается таким изменением поля статора, при котором сохраняется постоянным результирующее поле машины.
Рассмотрим случай, когда двигатель работает в режиме холостого хода 
. Ток возбуждения имеет такую величину, что 
, последнее равенство обеспечивается, когда 
. В этом режиме поле ротора имеет ту же интенсивность, что и результирующая поле. Следовательно поле статора должно отсутствовать 
, и ток в обмотке статора также должен быть равен нулю.
; 
.
 |
 |
| |
 |
| |
| |
 |
 |
 |
 |
| |
При холостом ходе:
| |
| |
| |
| |
 |
 |
 |
Для количественной оценки регулирования реактивной составляющей тока статора с помощью тока возбуждения используют V – образные характеристики 
при М=const. Эти характеристики строят экспериментами или на основании расчетов.
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
Использование синхронного двигателя на промышленных предприятиях целесообразно, так как для питающей цепи он является активно – емкостной нагрузкой при значительном токе возбуждения. В режиме, когда 
, включение двигателя в сеть подобно подключению сопротивления и батареи конденсаторов. Выпускаемые промышленностью двигатели рассчитаны на работу с 
0,8 при опережающем токе.
Пуск синхронных двигателей.
Для разгона синхронных двигателей их роторы снабжают специальной пусковой обмоткой, подобной «беличьему колесу» асинхронных двигателей.
В рабочем режиме при 
ток в пусковой обмотке становится равным нулю. При толчках нагрузки выпускает ускорение ротора и появляется ток в короткозамкнутой обмотке, который способствует демпфированию качаний ротора. При пуске обмотка возбуждения ротора отключается от источника питания и замыкается через разрядное сопротивление в 6 ÷ 10 раз превышающее сопротивление этой обмотки. Если обмотку не замкнуть, то в момент пуска напряжение на выводах увеличивается в 20 ÷ 30 раз, что приводит к пробою изоляции.
При растяжении 
обмотка возбуждения автоматически отключается от разрядного сопротивления и замыкается на источник постоянного тока. Двигатель втягивается в синхронизм.
 |
Системах большой мощности.
В современных электрических системах электрическая энергия поступает в сеть от большого числа // работающих генераторов. Отдельные электрические станции объединяются в мощные энергосистемы, куда входят сотни генераторов.
Стабилизация частоты и напряжения осуществляется автоматически. Каждый отдельный генератор может рассматриваться как включенный на зажимы активного двухполюсника с бесконечно малым входным сопротивлением, который замещает всю остальную энергосистему.
| Действующее значение напряжения на зажимах генератора постоянно, а частота равна 50 Гц. Любое изменение нормального режима работы генератора не может изменить напряжение и частоту системы, т.е. не может повлиять на работу других машин. |
Напряжение на зажимах машины можно принять работой результирующей э.д.с. Е .
Постоянству частоты и амплитуды э.д.с. Есоответствует постоянство частоты и амплитуды потокосцепления 
результирующих поля машин.
Следовательно при параллельной работе синхронной машины с системой бесконечной мощности результирующее магнитное поле машины должно оставаться неизменным и вращаться в пространстве с постоянной угловой скоростью Ω.
Электродвижущая сила якоря.
Э.д.с. якоря машины постоянного тока равна алгебраической сумме мгновенных значений э.д.с. проводников одной параллельной ветки.
,
- число витков якоря, 
- число параллельных ветвей.
, 
- число витков в одной // ветви якоря.
; 
- полюсное деление, 
- число полюсов.
; 
.
 |
Реакция якоря.
В секциях, проходящих геометрические нейтрали, при нагрузке наводится э.д.с. от потока якоря, что существенно влияет на процесс коммутации в машине.
Искрение на коллекторе.
Искрение – возникновение искрового или дугового разряда при размыкании цепи постоянного тока, обладающий продуктивностью.
Причины искрения: неровности поверхности, неправильный выбор давления пружин на щетку, неудовлетворительная коммутация.
Коммутацией называется процесс переключения секций обмотки якоря из одной // ветви в другую. Коммутируемая секция, проходя геометрическую нейтраль замыкает щеткой накоротко, а затем размыкается.
, 
, 
, 
.
Ликвидация искрения.
| Для компенсации э.д.с. магнитный поток полюсов добавочных должен быть направлен навстречу потоку якоря. |
В машинах малой мощности при их работе с постоянной нагрузкой для улучшения коммутации щетки сдвигают в сторону физических нейтралей.
Синхронные машины.
Синхронные машины получили очень широкое применение. Все электрические генераторы переменного тока установленные на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях являются синхронными машинами.
Синхронные машины применяются как двигатели в приводах большой мощности. Они приводят в движение устройства, где требуются строгое постоянство скорости.
Синхронная машина имеет ротор, чаще всего вращающийся электромагнит, возбуждаемый постоянным током. Постоянный ток поступает от выпрямителя или специального генератора возбудителя. Статор или статорная обмотка практически одинаковы у синхронных и асинхронных машин.
Наличие в электрической цепи ротора постороннего источника принципиально отличает синхронную машину от асинхронной.
Синхронная машина имеет явнополюсный или неявнополюсный ротор.
| |
Принципиальные особенности работы асинхронных машин можно выяснить, используя рассмотренную теорию асинхронной машины.
Рассмотрим случай, когда раскрученная до синхронной скорости обмотка ротора различается.
Под действием постоянного тока в двух последовательно соединенных фазах обмотки появится магнитный поток и на поверхности ротора появятся соответствующие полюсы.
При отсутствии момента сопротивления на валу оси полюсов статора и ротора совпадут, и вал будет вращаться со скоростью вращения внешнего магнитного поля.
| |
| |
| |
Когда к валу приложим внешний момент сопротивления МСполюсы ротора смещаются относительно полюсов статора и силы их взаимодействия образуют вращающий электромагнитный момент М . Угол θ увеличивается до такой величины, при которой вращающий момент становится равным моменту сопротивления. Увеличение момента сопротивления вызывает дополнительный рост угла θи электромагнитного момента, но скорость вращения ротора остается синхронной.
Синхронная машина может работать в генераторном режиме. Если приложить к валу двигателя внешний вращающий момент, то полюсы ротора сместятся относительно полюсов статора в противоположную сторону. При этом ******** является синхронным генератором.
Работа синхронного двигателя
Под нагрузкой.
При рассмотрении рабочего процесса двигателя примем ряд идеализирующих двигатель упрощений:
1. Пренебрегаем потерями электрической энергии в меди обмоток и стали магнитопровода машины.
2. Пренебрегаем моментом сил трения вращающих частей.
3. Потоки рассеяния отсутствуют.
При этих догируемых КПД = 1. Электрическая мощность полностью преобразуется в механическую:
.
Магнитное поле синхронной машины складывается из двух полей: вращающегося поля трехфазной обмотки статора и поля постоянного тока возбуждения ротора. Эти поля взаимно неподвижны, так как ротор вращается с той же скоростью, что и поле статора.
Вследствие изменения потокосцепления в каждой фазе статорной обмотки индуктируются э.д.с.
Поле статора индуктирует э.д.с.:
,
после ротора:
.
Фазное напряжение статора уравновешивается только этими двумя э.д.с.
.
Э.д.с. индуцируется внешним полем ротора и в режиме двигателя её положительное направление противоположно направлению тока.
Сумму э.д.с. и можно заменить результирующей э.д.с.
,
Можно считать, что наводится результирующим полем машины:
.
Тогда результирующее потокосцепление статорной обмотки можно определить
; .
| Диаграмма построена для одной из фаз статорной обмотки и соответствует моменту, когда ток имеет амплитудное значение. В этот момент потокосцепление фазы А с вращающимся полем максимально, а вектор |
Полученным уравнением соответствует векторная диаграмма. Будем считать, что ток статора опережает по фазе напряжение сети на угол .
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
studlib.info
M=const, ib=var. Для анализа этого режима синхронного двигателя воспользуемся упрощенной диаграммой для неявнополюсной машины (рис. 39). Используя только верхнюю ее часть и вектор напряжения сети Uc расположим горизонтально.
Рис. 41.
Режим работы соответствует постоянству момента.
M = mUcE0sinQ = const при mUc = const,
wXc wXc
постоянство момента получается при E0sinQ=const, а следовательно -E0sinQ=const, поэтому, при изменении возбуждения, конец вектора –Е0 будет передвигаться по прямой Qq параллельно вектору Uc, т.к.
ab=E01sinQ=const. Мощность также постоянная:
P=mUcIcosf=const при mUc=const, P=const при Icosf=Ia=const, т.е. активная составляющая тока будет постоянной и конец вектора тока I, при изменении тока возбуждения, будет перемещаться по прямой MN.
При недовозбужденном синхронном двигателе составляющей напряжения -Е0 соответствует ток I, который отстает от напряжения Uc на угол f. Вектор тока I перпендикулярен продолжению вектора iIXc. Реактивная составляющая тока I будет отставать на 900 от вектора напряжения Uc, т.е. этот ток чисто индуктивный. Значит при недовозбуждении двигатель будет потреблять из сети индуктивный ток, а следовательно будет потреблять из сети реактивную мощность.
При увеличении возбуждения величина –Е01 увеличится, а ток I уменьшится до Ia=I1 и будет минимальным. При этом режиме СД будет работать с cosf=1 и реактивная мощность не будет ни потребляться ни отдаваться в сеть. При дальнейшем увеличении тока возбуждения составляющая напряжения будет равна –Е011, а ток I11 , будет опережать вектор напряжения сети на угол f1. Этот режим соответствует перевозбужденному режиму. Реактивная составляющая тока будет емкостной (опережает вектор pUc на 900). Этот режим будет соответствовать отдаче реактивной мощности в сеть. Этот режим аналогичен включению статических емкостей в сеть.
Итак видим, что если изменять ток возбуждения ib, то величина тока статора I будет изменяться по величине и по фазе, т.е. можно регулировать cosf. Это ценное свойство и определяет использование синхронных двигателей. Выпускаются СД обычно с опережающим cosf=0.8. Зависимости тока статора I от тока возбуждения ib, I=A(ib) называются U-образные характеристики, рис. 42.
Рис. 42.
Р2 > Р1. Характеристики снимаются при P=const. Режим работы соответствующий току возбуждения оси О до пунктирной линии недовозбужденный, а за пунктирной линией – перевозбужденный с отдачей реактивной энергии в сеть. Минимум тока статора соответствует cosf=1. Посмотрим на примере, как улучшается cosf установки при использовании перевозбужденного синхронного двигателя, рис. 43.
Рис. 43.
Предприятие без СД имеет в векторной форме Uc,I и угол f, где ток Il – индуктивный ток потребляемый из сети. Если теперь использовать СД в перевозбужденном режиме, получим емкостной ток Ic, который скомпенсирует частично ток Il. Результирующий реактивный ток уменьшится, а это приведет к уменьшению тока до I1, угол f1 уменьшится, т.е. возрастет cosf. Из этого примера видим, что используя на предприятиях СД в перевозбужденном режиме, улучшает cosf установки и уменьшает потери в сети.
ток I = \/Ia2+(Il-Ic)2 , cosf = Ia/I
Для улучшения энергетических показателей в энергосистемах большой мощности используются синхронные компенсаторы. Эти машины устанавливаются в конце высоковольтных линий и служат генераторами большой мощности. Поэтому синхронные компенсаторы, как правило, работают в перевозбужденном режиме без нагрузки, т.е. в режиме холостого хода. Конструктивно, они не имеют наружного выхода вала. Воздушный зазор делается меньше, чем у генераторов, это приводит к уменьшению числа витков обмотки возбуждения. Мощность СК составляет 100-300 МВА. Идея работы СК с сетью показана на рис. 44.
Рис. 44.
Синхронный генератор вырабатывает активную и реактивную мощность, которая передается через трансформаторы и линию электропередачи предприятиям. Если установить в узле нагрузки А синхронный компенсатор в режиме перевозбуждения, то он на месте будет вырабатывать значительную часть реактивной мощности и отдавать ее потребителям предприятий разгрузив синхронный генератор и линию электропередач в значительной части от реактивной мощности. Это приведет к уменьшению общего тока ЛЭП, уменьшатся потери в СГ, тр-рах и ЛЭП.
Пуск синхронного двигателя
Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока, электромагнитный момент будет дважды изменять свое направление, т.е. средний момент за период равняется нулю. При этих условиях двигатель не сможет прийти во вращение, т.к. его ротор обладающий определенной инерцией, не может быть в течении одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.
В виду отсутствия пускового момента в синхронном двигателе для пуска его используют следующие способы:
1. Пуск с помощью вспомогательного двигателя.
2. Асинхронный пуск двигателя.
1. Пуск с помощью вспомогательного двигателя.
Пуск в ход синхронного двигателя с помощью вспомогательного может быть произведен только без механической нагрузки на его валу, т.е. практически вхолостую. В этом случае на период пуска двигатель временно превращается в синхронный генератор, ротор которого приводится во вращение небольшим вспомогательным двигателем. Статор этого генератора включается параллельно в сеть с соблюдением всех необходимых условий этого соединения. После включения статора в сеть вспомогательный приводной двигатель механически отключается. Этот способ пуска сложен и имеет к тому же вспомогательный двигатель.
2. Асинхронный пуск двигателя.
Наиболее распространенным способом пуска синхронных двигателей является асинхронный пуск, при котором синхронный двигатель на время пуска превращается в асинхронный. Для возможности образования асинхронного пускового момента в пазах полюсных наконечников явнополюсного двигателя помещается пусковая короткозамкнутая обмотка. Эта обмотка состоит из латунных стержней, вставленных в пазы наконечников и соединяемых накоротко с обоих торцов медными кольцами.
При пуске в ход двигателя обмотка статора включается в сеть переменного тока. Обмотка возбуждения (3) на период пуска замыкается на некоторое сопротивление Rг, рис. 45, ключ К в положении 2, сопротивление Rг = (8-10)Rв. В начальный момент пуска при S = 1, из-за большого числа витков обмотки возбуждения, Вращающее магнитное поле статора наведет в обмотке возбуждения ЭДС Ев, которая может достигнуть весьма большого значения и если при пуске не включить обмотку возбуждения на сопротивление Rг произойдет пробой изоляции.
Рис. 45 Рис. 46.
Процесс пуска синхронного двигателя осуществляется в два этапа. При включении обмотки статора (1) в сеть в двигателе образуется вращающее поле, которое наведет в короткозамкнутой обмотке ротора (2) ЭДС. Под действием, которой будет протекать в стержнях ток. В результате взаимодействия вращающего магнитного поля с током в коротко замкнутой обмотке создается вращающий момент, как у асинхронного двигателя. За счет этого момента ротор разгоняется до скольжения близкого к нулю (S=0,05), рис. 46. На этом заканчивается первый этап.
Чтобы ротор двигателя втянулся в синхронизм, необходимо создать в нем магнитное поле включением в обмотку возбуждения (3) постоянного тока (переключив ключ К в положение 1). Так как ротор разогнан до скорости близкой к синхронной, то относительная скорость поля статора и ротора небольшая. Полюса плавно будут находить друг на друга. И после ряда проскальзываний противоположные полюса притянутся, и ротор втянется в синхронизм. После чего ротор будет вращаться с синхронной скоростью, и частота вращения его будет постоянной, рис. 46. На этом заканчивается второй этап пуска.
Список литературы
1. Брускин Д.Э. и др. ²Электрические машины² ч.1, ч.2, 1987 г.
2. Вольдек А.И. ²Электрические машины² 1978 г.
3. Копылов И.П. ²Электрические машины² 1986 г.
4. Токарев Б.Ф. ²Электрические машины² 1990 г.
5. Кацман М.М. ²Электрические машины² 2000 г.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
zdamsam.ru
