Чем ограничивается область устойчивой работы синхронного двигателя

Чем ограничивается область устойчивой работы синхронного двигателя

K1больше напряжения сети
U
K(рис. 2.25).

Под действием разности напряжений DU= E

Kl
– U
Kв статоре СК возникает ток
I
K1, отстающий от вектора
DU
1, на 90°. Компенсатор в этом режиме отдает реактивную мощность в сеть. В недовозбужденном режиме
Е
К2
< U
K
,
в статоре СК возникает ток
I
K2
,
опережающий вектор
DU
2на 90°, т.е. СК будет потреблять реактивную мощность из сети. Синхронные компенсаторы не несут активной нагрузки на валу, поэтому их конструкция облегчена. Компенсаторы выполняются тихоходными (750–1000 об/мин) с горизонтальным валом и явнополюсным ротором.

Рис. 2.25. Векторная диаграмма синхронного компенсатора в перевозбужденном и недовозбужденном режимах

На рис. 2.26 показан синхронный компенсатор КСВ с водородным охлаждением. Корпус компенсатора, его подшипники, маслоохладители и маслонасосы размещены в герметически закрытом кожухе. Через изоляционные уплотнения 3, 4

к статору 7 подводится напряжение 10,5 кВ, а к контактным кольцам – питание от возбудителя. В нижней части кожуха расположены два маслонасоса
8,
маслобак и водяной маслоохладитель. Циркуляция водорода поддерживается при давлении 0,1–0,2 МПа вентиляторами 5, которые засасывают водород из кожуха и прогоняют его через внутреннюю часть корпуса компенсатора. Нагретый водород попадает во входные проемы
12
вертикальных газоохладителей, где охлаждается.

Рис. 2.26. Синхронный компенсатор типа КСВ:

– статор;
2
– ротор;
3, 4 –
изоляционные уплотнения;
5
– вентилятор;
6
– подшипник; 7 – опорные платформы;
8
– маслонасос;
9 –
камера контактных колец;
10 –
вал;
11, 12 –
выходной и входной проемы в газоохладитель;

Синхронный компенсатор характеризуется номинальной мощностью, напряжением, током статора, частотой и номинальным током ротора. Шкала мощностей определяется по ГОСТ 609–84. Номинальное напряжение синхронного компенсатора на 5–10 % выше номинального напряжения сети.

В зависимости от тока возбуждения синхронный компенсатор может работать в режимах перевозбуждения и недовозбуждения, генерировать или потреблять реактивную мощность. Регулирование тока возбуждения осуществляется специальными схемами АРВ.

Синхронные компенсаторы небольшой мощности имеют схему электромашинного независимого возбуждения (см. рис. 2.9,а

)
,
На более мощных машинах с водородным охлаждением (КСВ) возбуждение осуществляется от специального бесщеточного возбудительного агрегата, встроенного в корпус компенсатора.

Схема АГП синхронных компенсаторов такая же, как у генераторов.

Мощные СК (10000 кВА и выше) включаются в сеть через реактор для ограничения пусковых токов и посадки напряжения на шинах (рис. 2.27). Параметры реактора выбираются так, чтобы в момент пуска напряжение на шинах подстанции не падало ниже (80 – 85%

)
U
ном,а напряжение на СК было (30 – 65
%
)
U
ном
,
при этом ток не превышает (2 –2,8)
I
ном.

Рис. 2.27. Схема реакторного пуска синхронного компенсатора

При пуске выключатель Q1

отключен,
Q2
включен. Разворот компенсатора происходит за счет асинхронного момента. Когда частота вращения приблизится к синхронной, подается возбуждение и компенсатор втягивается в синхронизм. Регулируя ток возбуждения, устанавливают минимальный ток статора и включают выключатель
Q1,
шунтируя реактор и включая СК в сеть.

Синхронные генераторы могут работать в режиме синхронного компенсатора, если закрыть доступ пара (или воды) в турбину. В таком режиме перевозбужденный турбогенератор начинает потреблять небольшую активную мощность из сети и отдает реактивную мощность в сеть.

Перевод гидрогенераторов в режим синхронных компенсаторов производится без остановки агрегатов, достаточно освободить камеру гидротурбины от воды.

Разновидности синхронных машин

Однофазные индикаторные сельсины электровоза ВЛ80

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

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

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

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

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

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

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

Бесконтактная синхронная машина

Бесконтактный синхронный генератор ГТ40ПЧ6 (поз. 9) на авиадвигателе НК-8

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

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

Чем ограничивается область устойчивой работы синхронного двигателя

В соответствии с принципом обратимости синхронная машина может работать не только в режиме генератора, но и в режиме двигателя.
Если вал синхронного генератора, работающего параллельно с сетью, отсоединить от первичного двигателя, не отключая цепей статора и ротора, то синхронная машина будет работать в режиме двигателя. В этом случае трехфазный ток в обмотке статора синхронной машины создает вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с магнитным полем ротора, заставляет вращаться ротор с синхронной частотой вращения.

Для уяснения принципа работы синхронного двигателя рассмотрим его модель (рис. 19.1), состоящую из внешней и внутренней магнитных систем с явно выраженными полюсами, разделенных зазором. Обе системы могут вращаться относительно общей оси, при этом внутренняя система (ротор) расположена на валу.

Если к внешней магнитной системе приложить вращающий момент М,м, то она начнет вращаться и создаст вращающееся поле, аналогичное вращающемуся магнитному полю обмотки статора при подключении ее к сети трехфазного тока. Благодаря магнитной связи между разноименными полюсами магнитных систем вращение внешней системы полюсов передается внутренней системе. В результате ротор начинает вращаться в ту же сторону, что и поле внешней системы.

Если пренебречь трением, то можно считать, что в режимах холостого хода момент, противодействующий вращению, равен нулю. Тогда полюса магнитных систем, вращаясь в одну сторону с одинаковой частотой, располагаются соосно друг относительно друга (рис. 19.1, а). Если же к валу приложить тормозящее усилие в виде противодействующего момента М2, то внутренняя система полюсов сместится относительно внешней системы на угол 0 (рис. 19.1, б), значение которого определяется величиной противодействующего момента.

В синхронном двигателе в отличие от рассматриваемой модели вращающееся поле создается не вращением магнитной системы, а трехфазным током в обмотке статора. При этом мощность, развиваемая на валу двигателя, компенсируется мощностью, поступающей из сети.

Таким образом, в синхронном двигателе так же, как и в генераторе, взаимодействием тока статора с магнитным полем ротора создается электромагнитный момент (см. рис. 12.2), но в отличие от генератора этот момент в двигателе является вращающим.

При изменениях нагрузки на валу синхронного двигателя происходят изменения угла © между вектором МДС ротора и вектором МДС обмотки статора, что сопровождается сштветствующим электромагнитного вращающего момента, синхронном генераторе увеличение сопровождается увеличением угла © в вращения ротора, т. е. вектор МДС ротора (ось полюсов ротора) генератора опережает вектор МДС статора, то в двигателе увеличение нагрузки на вал сопровождается увеличением угла © в направлении, противоположном вращению ротора (сравните рис. 12.2 и 19.1, б).

Это поясняется также и векторной диаграммой синхронного двигателя (рис. 19.2). Прежде чем рассмотреть эту диаграмму, вернемся к векторной диаграмме синхронного генератора, работающего параллельно с сетью (см. рис. 12.1, б). Если уменьшать вращающий момент Mi первичного двигателя, то угол © синхронного генератора будет уменьшаться. Если же этот момент уменьшиться до значения, равного моменту холостого хода генератора ( Mi = М0), то угол © = 0,и векторная диаграмма примет вид, представленный на рис. 12.1, а.

При дальнейшем уменьшении вращающего момента Мэм, а тем более при отсоединении вала синхронной машины от первичного двигателя и создании на этом валу некоторого нагрузочного момента М2,синхронная машина перейдет в двигательный режим, т.е. угол ® вновь приобретет некоторое значение ® 2 уменьшается до значения &3. При этом ток двигателя 113 опережает по фазе напряжение сети Uc,

Реакция якоря в синхронном двигателе такая же, как и в генераторе: ток, отстающий по фазе от ЭДС двигателя, размагничивает, а ток, опережающий по фазе ЭДС, намагничивает машину. Однако в синхронном двигателе принято фазу тока Д отсчитывать не от ЭДС Ёх, а от напряжения сети Uc В результате отстающий по фазе (от UJ ток Д намагничивает двигатель; этот ток является индуктивным для сети и питающего ее генератора Если же ток Д опережает по фазе Uc, то он оказывает на двигатель размагничивающее действие, этот ток является емкостным для сети.

Зависимость электромагнитного момента синхронного двигателя Мэм от утла @ (угловая характеристика) аналогична угловой характеристике синхронного генератора, включенного на параллельную работу, но располагается в третьем квадранте системы координат (рис. 19.4, кривая 5), т. е. эта зависимость выражается отрицательными значениями момента Мэм и угла ®. Таким образом, угловая характеристика синхронной машины представляет собой две полуволны момента: положительную, соответствующую генераторному режиму работы (см. рис. 12.3), и отрицательную, соответствующую двигательному режиму (рис. 19.4). Область устойчивой работы синхронного двигателя ограничивается значениями угла ®, величина которого должна быть меньше критического &кр.

Электрические машины конспект лекций

Вектор jI a 3 X ñí поворачивается вокруг точки À и соответственно ему изменяет направление вектор тока I a 3 , перпендикулярный вектору jI a 3 X ñí , при этом из условия равенства активных мощностей I a1 cos 1 I a 2 cos 2 I a 3 cos 3 конец вектора тока I à перемещается по прямой DE , перпендикулярной

вектору U ñ . По диаграмме, приведенной на рис. 18.2, можно построить U-образные характеристики для двигателя I à f I â ,

которые будут иметь такую же форму, как и характеристики для генератора , с той лишь разницей, что для двигателя угол сдвига фаз принято отсчитывать от вектора напряжения се-

òè U c . Поэтому при недовозбуждении ток I à будет отставать от

напряжения сети U ñ , т. е. двигатель будет потреблять из сети реактивную мощность, а при перевозбуждении ток будет опе-

режать напряжение сети U ñ , т. е. двигатель будет отдавать

â сеть реактивную мощность.

18.2. Рабочие характеристики

Рис. 18.3. Рабочие характеристики синхронного двигателя

Рабочие характеристики представляют собой зависимости тока I à , электрической мощности P 1 , поступающей в обмотку якоря, КПД и cos от отдаваемой механической

P 2 ïðè U ñ const,

è I â const. Часто

n 2 f P 2 обычно не

приводится; не приводится также и зависимость M f P 2 , так как вращающий момент M

пропорционален P 2 . Зависимость P 1 f P 2 имеет характер,

близкий к линейному.

Ток двигателя при холостом ходе является практически реактивным. По мере роста нагрузки возрастает активная составляющая тока, в связи с чем зависимость тока I à от мощности P 2 является нелинейной. Кривая f P 2 имеет характер, общий для всех

электрических машин. Синхронные двигатели могут работать с cos 1, но обычно их рассчитывают на работу при номинальной нагрузке с опережающим током и cos íîì 0,9–0,8. В этом случае улучшается суммарный cos сети, от которой питаются синхронные двигатели, так как создаваемая ими опережающая реактивная составляющая тока I à компенсирует отстающую реактивную составляющую тока асинхронных двигателей. Зависимость cos f P 2 при работе машин с перевозбуждением

имеет максимум в области P 2 P íîì . При снижении P 2 величина cos уменьшается, а отдаваемая в сеть реактивная мощность возрастает.

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 в обмотке якоря электромагнитный момент будет изменять свое направление, т. е. средний момент за период будет равен нулю. При этих условиях двигатель не сможет прийти во вращение, так как ротор его, обладающий определенной инерцией, не может быть в течение одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска в ход синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

В настоящее время для этой цели применяют метод асинхронного пуска. При этом методе синхронный двигатель пускают в ход как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой, выполненной по типу беличьей клетки. Чтобы увеличить сопротивление стержней, клетку изготовляют из латуни. При включении трехфазной обмотки статора в сеть образуется вращающееся магнитное поле,

Рис. 18.4. Синхронный двигатель: à — устройство пусковой обмотки; á , â — схемы его асинхронного пуска: 1 — обмотка возбуждения; 2 — пусковая обмотка; 3 — ротор; 4 — обмотка якоря; 5 — гасящее сопротивление; 6 — якорь

возбудителя; 7 — кольца и щетки

которое, взаимодействуя с током I ï в пусковой обмотке (рис. 18.4, à ), создает электромагнитные силы F и увлекает за собой ротор. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм.

Применяют две основные схемы пуска синхронного двигателя. При схеме, изображенной на рис. 18.4, á , â обмотку возбуждения вначале замыкают на гасящий резистор, сопротивление которого R äîá превышает в 8–12 раз активное сопротивление в обмотке возбуждения. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной (при s 0,05), обмотку возбуждения отключают от гасящего резистора и подключают к источнику постоянного тока (возбудителю), вследствие че- го ротор втягивается в синхронизм. Осуществить пуск двигателя с разомкнутой обмоткой возбуждения нельзя, так как во время разгона ротора при s 0 в ней индуктируется вращающимся магнитным полем ЭДС

E â 4,44 f 2 w â m 4,44 f 1 sw â m ,

ãäå f 2 f 1 s — частота изменения тока в обмотке возбуждения; w â — число витков обмотки возбуждения;

Ô m — амплитуда магнитного потока вращающегося поля.

В начальный момент пуска при s 1 из-за большого числа витков обмотки возбуждения ЭДС E â может достигать весьма большой величины и вызвать пробой изоляции.

При схеме, изображенной на рис. 18.4, â , обмотка возбуждения постоянно подключена к возбудителю, сопротивление которого по сравнению с сопротивлением R â весьма мало, поэтому эту обмотку

â режиме асинхронного пуска можно считать замкнутой накоротко. С уменьшением скольжения до s 0,3–0,4 возбудитель возбуждается и в обмотку возбуждения подается постоянный ток, обеспе- чивающий при s 0,05 втягивание ротора в синхронизм.

Различие пусковых схем обусловлено тем, что не во всех слу- чаях может быть применена более простая схема (см. рис. 18.4, â ) с постоянно подключенной к возбудителю обмоткой возбуждения, так как она имеет худшие пусковые характеристики, чем более сложная схема (см. рис. 18.4, á ). Главной причиной ухудшения пусковых характеристик является возникновение одноосного эффекта, обусловленного влиянием тока, индуктируемого в обмотке возбуждения при пуске, на характеристику пускового момента.

Следует обратить внимание, что выбор сопротивления пус-

ковой клетки r 2 , соответствующего значительному пусковому моменту ( M ï ), способствует уменьшению момента входа в синхронизм ( M âõ ) и, наоборот, при сопротивлении r 2 , соответствующем небольшому пусковому моменту ( M ï ), момент входа

â синхронизм увеличивается ( M âõ M âõ ) (ðèñ. 18.5).

Достоинства и недостатки.

Синхронные двигатели имеют следующие достоинства:

а) возможность работы при cos 1, что приводит к улуч- шению cos сети, а также к сокращению размеров самого двигателя, так как его ток меньше тока асинхронного двигателя той же мощности. При работе с опережающим током синхронные двигатели служат генераторами реактивной мощности, поступающей в асинхронные двигатели, что снижает потребление этой мощности от генераторов электростанций;

Рис. 18.5. Асинхронные моменты при пуске синхронного двигателя: M à — основной момент; M ä — дополнительный момент; M âõ — момент входа в синхронизм

б) меньшая чувствительность к колебаниям напряжения, так как их максимальный момент пропорционален напряжению в первой степени (а не квадрату напряжения, как у асинхронных двигателей);

в) строгое постоянство частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.

Недостатками синхронных двигателей являются: а) сложность конструкции; б) сравнительная сложность пуска в ход;

в) трудности с регулированием частоты вращения, которое возможно только путем изменения частоты питающего напряжения.

Указанные недостатки синхронных двигателей делают их

менее выгодными по сравнению с асинхронными при мощностях до 100 кВт. Однако при более высоких мощностях, когда особенно важно иметь высокий cos и уменьшенные габаритные размеры машины, синхронные двигатели предпочтительнее асинхронных.

18.3.1. Чем ограничивается область устойчивой работы синхронного двигателя?

18.3.2. Объясните процесс пуска синхронного двигателя.

18.3.3. Как регулируется коэффициент мощности синхронного двигателя?

18.3.4. Каковы достоинства и недостатки синхронных двигателей по сравнению с асинхронными?

18.3.5. В чем заключается отличие двигательного режима синхронной машины от генераторного?

18.3.6. Какой характер имеет реакция якоря в синхронном двигателе при недовозбуждении и перевозбуждении?

18.3.7. Как в синхронном двигателе можно изменять максимальный момент?

18.3.8. Какой режим (перевозбуждения или недовозбуждения) является расчетным и почему?

18.3.9. Назовите способы пуска синхронных двигателей

è дайте их краткую характеристику.

18.3.10. Поясните порядок переключений обмотки возбуждения при асинхронном пуске синхронного двигателя.

18.4. Регулирование частоты вращения двигателя. Вентильный двигатель

Способы регулирования. Частота вращения синхронного

равна частоте вращения n 1

магнитного поля; следовательно, принципиально ее можно регулировать путем изменения частоты питающего напряжения f 1 или числа полюсов 2 p . Регулировать частоту вращения путем изменения числа полюсов в синхронном двигателе нецелесообразно, так как здесь, в отличие от асинхронного двигателя, требуется изменять число полюсов как на статоре, так и на роторе, что приводит к значительному усложнению конструкции ротора. Поэтому практически используют лишь изменение частоты питающего напряжения.

К синхронному двигателю применимы все основные положения теории частотного регулирования асинхронного двигателя, в том числе необходимость одновременного изменения как частоты, так и питающего напряжения . Однако в чистом виде частотное регулирование частоты вращения синхронных двигателей применяется только при очень малых мощностях.

Для синхронных двигателей, применяемых в электроприводах с большим моментом инерции приводного механизма

è требующих форсированного изменения режима работы (частые пуски, резкие изменения частоты вращения и нагрузки), этот способ регулирования неприменим. Для таких электроприводов наиболее пригодным является метод частотного регулирования с самосинхронизацией, при котором двигатель не может выпасть из синхронизма.

Синхронные двигатели, регулируемые путем изменения частоты с самосинхронизацией, называют вентильными двигателями èëè бесколлекторными двигателями постоянного тока . Однако первое название является более правильным, так как эти двигатели могут получать питание от сети как постоянного, так

è переменного тока.

При питании вентильного двигателя от сети постоянного тока в преобразователе частоты должны применяться тиристоры с узлами принудительной коммутации. При питании вентильного двигателя от тиристорного преобразователя частоты, основанного на использовании автономного инвертора напряжения (рис. 18.6), преобразователь подключен к источнику постоянного тока и формирует трехфазное напряжение изменяющейся частоты, которое подается на фазы A , B è C обмотки якоря двигателя. К каждой фазе может быть подведено положительное (тиристорами T1, T2 и T3) и отрицательное (тиристорами T4, T5 и T6) напряжение.

Если вначале пропускать ток через фазы A è B (открыты тиристоры T1 и T5), затем — через фазы B è C (открыты тиристоры T2 и T6), далее — через фазы C è A (открыты тиристоры T3 и T4) и т. д. в указанной последовательности, то в машине создается вращающееся магнитное поле. При изменении частоты переключе- ния тиристоров изменяется частота переменного напряжения, подаваемого на фазы обмотки якоря, а следовательно, и частота вращения ротора. Для замыкания реактивной составляющей тока якоря в преобразователе имеются диоды Д1–Д6, включенные параллельно тиристорам, но в обратном направлении.

Коммутация тока в тиристорном преобразователе (переключе- ние тока с одной фазы на другую) требует применения в нем специальных коммутирующих узлов, так как тиристор является не полностью управляемым прибором. Для закрытия тиристора, вклю- ченного в цепь постоянного тока, необходимо кратковременно

Рис. 18.6. Схемы питания вентильного двигателя от тиристорного преобразова-

теля частоты: à — с инвертором напряжения; á — с инвертором тока

подать на него обратное напряжение определенной величины. В рассматриваемом преобразователе применены два узла принудительной (искусственной) коммутации — по одному для всех тиристоров, присоединяемых соответственно к положительному и отрицательному полюсам источника постоянного тока. Каждый узел состоит из контура L–C и вспомогательных тиристоров.

Закрытие тиристоров T1, T2 и T3, присоединенных к положительному полюсу, производится контуром L1–C1. При открытии вспомогательного тиристора T11 конденсатор C1 заряжается через индуктивность L1 до двойного напряжения сети и запирает тиристор T11. Затем открываются вспомогательные тиристоры T21, T22 или T23 и подают на тиристоры T1, T2 или T3 обратное (положительное) напряжение. При этом соответст-

вующий тиристор запирается, а конденсатор C1 разряжается че- рез нагрузку. Аналогично запираются тиристоры T4, T5 и T6. Вначале открывается вспомогательный тиристор T12 и через индуктивность L2 заряжает конденсатор C2. Затем открываются вспомогательные тиристоры T24, T25 или T26 и присоединяются аноды тиристоров T4, T5 или T6 к отрицательной обкладке конденсатора C2.

Напряжение, подаваемое к якорю вентильного двигателя от преобразователя частоты, является, так же как и при частотном регулировании асинхронного двигателя, несинусоидальным. Поэтому, чтобы уменьшить вредные воздействия высших гармоник напряжения, тока и потока, двигатель необходимо снабдить мощной демпферной обмоткой с малыми активными и индуктивными сопротивлениями. В этом случае высшие гармоники оказывают на синхронный двигатель сравнительно небольшое воздействие. При наличии такой обмотки режимы работы вентильного двигателя можно рассматривать с учетом только первых гармоник тока и напряжения.

Режим работы вентильного двигателя зависит не только от величины тока возбуждения и соотношения между напряжением и частотой. Большое значение имеют также моменты подачи напряжения на фазы двигателя и параметры преобразователя частоты.

В преобразователе частоты, основанном на использовании инвертора напряжения (см. рис. 18.6, à ), величина выходного напряжения почти не зависит от режима работы двигателя, поэтому регулирование необходимо вести при постоянстве угла . Это можно осуществить, определяя с помощью какого-либо датчика положение оси полюсов ротора (а следовательно, и направление

вектора E 0 ) и регулируя подачу управляющих импульсов на тиристоры преобразователя так, чтобы выходное напряжение преобразователя подавалось на соответствующие фазы двигателя с некоторым углом опережения 0 (угол регулирования) по

отношению к положению вектора E 0 для данной фазы. Можно также определять ось результирующего магнитного потока и подавать питание на соответствующую фазу с требуемым углом 0 . Оба эти метода имеют свои преимущества и недостатки, обусловленные в основном особенностями применяемых датчиков и управляющих устройств.

Устойчивость работы синхронной машины

Под статической устойчивостью синхронной машины, работающей параллельно с сетью, понимают ее способность сохранять синхронное вращение при изменении внешнего момента на валу.

Статическая устойчивость обеспечивается только при углах θ < π/2.

Возрастание угла θ больше π/2 может привести к выпадению из синхронизма, когда ротор начинает вращаться с частотой, отличающейся от частоты вращения магнитного поля статора.

Выпадение из синхронизма является аварийным режимом, так как сопровождается прохождением по обмотке якоря больших токов. Это объясняется тем, что ЭДС генератора и напряжение сети при указанном режиме могут складываться по контуру "генератор-сеть", а не вычитаться, как при нормальной работе.

Синхронные машины обычно работают с θ= 20-30 0 , что соответствует двукратному или несколько большему запасу по моменту.

Устойчивость работы синхронной машины зависит от тока возбуждения. При увеличении тока возбуждения увеличивается ЭДС Е₀, а следовательно и максимальный момент, что увеличивает устойчивость машины.

Обычно синхронные машины работают с некоторым перевозбуждением. Это позволяет увеличить перегрузочную способность машины и генерировать реактивную мощность, т.е. компенсировать реактивную мощность других потребителей, уменьшая нагрузку на энергосистему.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Об этом полезно знать:

Абсолютные и относительные показатели Исходной формой выражения статистических показателей являются абсолютные величины.
Звено и инстанция судебной системы Российской Федерации Суды, входящие в судебную систему, наделяются различными судебными полномочиями и выполняют различные процессуальные функции.
Признаки равенства треугольников (доказательство всех) 1) по двум сторонам и углу между ними Доказательство: Пусть у треугольников АВС и А1В1С1 угол A равен углу А1.
Культурология как наука Предисловие. Появление культурологии в вузовских курсах по разным специальностям вполне закономерно.
Законы диалектики. Закон — это объективные (не зависящие от воли человека).

U – образные и рабочие характеристики синхронного двигателя

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 .

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 недовозбуждении синхронный двигатель работает с отстающим током, а при пе-ревозбуждении – с опережающим. Зависимость тока статора от тока возбуждения для синхронного двигателя представлена U – образными характеристиками (рис. 103).

То есть, 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.

Аналогично синхронному генератору, включенному на парал­лельную работу с сетью, синхронный двигатель имеет предел устойчивости при минимальном токе возбуждения (штри­ховая линия в левой части рис. 103).

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. 104). 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.

Вид графика зависит от вида настройки тока возбуждения: если в режиме х.х. ток возбуждения установлен та­ким, что , то с ростом нагрузки коэффициент мощности снижается, если же установить при номинальной на­грузке, то при недогрузке двигатель будет забирать из сети реак­тивный опережающий ток, а при перегрузке – отстающий. Обыч­но устанавливают ток возбуждения таким, чтобы при средней нагрузке (рис. 22.6). В этом случае коэффициент мощно­сти во всем диапазоне нагрузок остается достаточно высоким. Ес­ли же установить ток в обмотке возбуждения синхронного двига­теля таким, чтобы 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.

Рис. 103. U – образные характери­стики Рис. 104. Рабочие характеристики

синхронного двигателя синхронного двигателя

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.

В заключение необходимо отметить, что синхронные двигате­ли по сравнению с асинхронными имеют преимущество, заклю­чающееся в том, что они могут работать с , не создавая в питающей 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.).

Контрольные вопросы

1. Чем ограничивается область устойчивой работы синхронного двигателя?

2. Объясните процесс пуска синхронного двигателя?

3. Как регулируется коэффициент мощности синхронного двигателя?

4. Каково назначение синхронного компенсатора?

5. Каковы достоинства и недостатки синхронных двигателей по сравнению с асинхронными?