Лекция 17

Ротор обладает значительной массой и моментом инерции. При большой частоте изменения момента он не успевает разогнаться и остается неподвижным. Среднее значение пускового момента, развиваемого двигателем, равно нулю.

Для осуществления пуска синхронного двигателя на полюсах ротора помещается дополнительная пусковая короткозамкнутая обмотка, подобная обмотке ротора асинхронного двигателя (рис. 6.3.12).

В режиме пуска двигатель работает как асинхронный двигатель (см. раздел 2.2), и под действием асинхронного пускового момента ротор разгоняется. Когда частота вращения ротора близка к синхронной, включается обмотка возбуждения, двигатель «втягивается в синхронизм» и вращается с синхронной частотой вращения.

Рис. 6.3.12. Явнополюсный ротор синхронного двигателя с пусковой обмоткой 1 – обмотка возбуждения; 2 – пусковая короткозамкнутая обмотка

Таким образом, в начальный период пуска синхронный двигатель работает как асинхронный, а затем переходит в режим синхронного двигателя.

При синхронной частоте вращения пусковая обмотка не оказывает влияния на работу синхронного двигателя (подобно ротору асинхронного двигателя

11

при скольжении s = 0).

6.3.5. Схема замещения и уравнения электрического состояния синхронной машины

В синхронном генераторе при вращении ротора с постоянным магнитным полем в обмотке статора индуцируется ЭДС. Эта ЭДС создает разность электрических потенциалов, которая определяет напряжение на зажимах обмотки статора генератора. Создание ЭДС в обмотке статора отражается в схеме замещения идеальным источником ЭДС Е.

При подключении к обмотке статора приемника электроэнергии Zп в ней замыкается электрический ток. Этот ток статора создает свое магнитное поле, которое индуцирует в самой обмотке статора ЭДС самоиндукции. Это явление может быть отражено в схеме замещения индуктивным элементом с индуктивным сопротивлением X1.

Таким образом, схема замещения одной фазы обмотки статора синхронного генератора имеет вид, показанный на рис. 6.3.13 а.

Рис. 6.3.13. Схемы замещения синхронного генератора (а) и синхронного двигателя (б)

12

Всинхронном двигателе при вращении ротора с постоянным магнитным полем в обмотке статора индуцируется ЭДС, подобно ЭДС синхронного генератора. Эта ЭДС уравновешивает напряжение источника, подключенного к обмотке статора. Ее называют противоЭДС. Создание противоЭДС в обмотке статора синхронного двигателя отражается в схеме замещения идеальным источником ЭДС Е.

Электрический ток статора синхронного двигателя также создает свое магнитное поле, которое индуцирует в обмотке статора ЭДС самоиндукции. Это учитывается в схеме замещения индуктивным элементом с индуктивным сопротивлением X1.

Таким образом, схема замещения одной фазы обмотки статора синхронного двигателя имеет вид, показанный на рис. 6.3.13 б.

Схема замещения позволяет составить уравнения электрического состояния синхронного генератора и синхронного двигателя и анализировать режимы их работы.

Вчастности, уравнение электрического состояния генератора по второму закону Кирхгофа для его схемы замещения (рис. 6.3.13 а) имеет вид:

Схемы замещения и уравнения электрического состояния позволяют анализировать режимы работы и характеристики синхронных машин.

13

6.3.6. Характеристики синхронного генератора

Внешняя характеристика

Электрическая нагрузка синхронного генератора может изменяться в широких пределах в диапазоне от холостого хода (когда ток нагрузки равен нулю) до номинального режима (когда ток равен номинальному значению). Изменение величины нагрузки влияет на величину напряжения генератора. Зависимость напряжения генератора от величины тока нагрузки U(I) называется внешней характеристикой. Аналитическое выражение внешней характеристики синхронного генератора может быть записано на основании уравнения электрического состояния (6.3.6):

Векторная диаграмма, соответствующая выражению (6.3.9), приведена на рис. 6.3.14.

Рис. 6.3.14. Векторная диаграмма синхронного генератора

Здесь вектор напряжения генератора направлен вертикально вверх. По отношению к нему повернут на угол φ в сторону отставания вектор тока. Это соответствует активно-индуктивному характеру приемника. Падение напряже-

14

ния на индуктивном сопротивлении обмотки статора опережает ток по фазе на

900. ЭДС E& , в соответствии с уравнением электрического состояния (6.3.9),

определяется суммой напряжения U& и падения напряжения jI&X1 .

Как видно из выражения (6.3.9) и из векторной диаграммы (рис. 6.3.14), с увеличением нагрузки генератора падение напряжения на индуктивном сопротивлении обмотки статора увеличивается, при этом напряжение уменьшается. График внешней характеристики синхронного генератора показан на рис. 6.3.15.

Рис. 6.3.15. Внешняя характеристика синхронного генератора

Регулировочная характеристика

Для поддержания напряжения генератора на неизменном уровне необходимо увеличить ЭДС за счет увеличения магнитного потока. Для этого требуется изменить ток возбуждения. Зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при неизменном напряжении генератора называется регулировочной характеристикой. Регулировочная характеристика показана на рис. 6.3.16.

15

Рис. 6.3.16. Регулировочная характеристика синхронного генератора

6.37. Характеристики синхронного двигателя

Важным свойством синхронной машины является возможность регулирования ее коэффициента мощности. В синхронном двигателе это осуществляется регулированием тока возбуждения. Анализ зависимости коэффициента мощности синхронного двигателя от тока возбуждения может быть проведен на основании его уравнения электрического состояния (6.3.7), из которого следует:

Векторная диаграмма, соответствующая выражению (6.3.11), показана на рис. 6.3.17. Здесь приведены векторные диаграммы для разных режимов работы при разной величине тока возбуждения и соответственно ЭДС.

16

а б в Рис. 6.3.17. Векторные диаграммы синхронного двигателя

Во всех случаях вектор напряжения источника, к которому подключен синхронный двигатель, изображен направленным вертикально. Величина этого напряжения во всех режимах одна и та же и равна напряжению источника. Величина ЭДС E в разных режимах разная и определяется величиной магнитного потока, т.е. током возбуждения Iв. Падение напряжения на индуктивном сопро-

тивлении обмотки статора jI&X1определяется, исходя из (6.3.11), как разность

Вектор тока статора повернут под углом π/2 по отношению к падению напряжения jI&X1 в сторону отставания, что соответствует индуктивному со-

противлению обмотки статора.

На рис. 6.3.17 а величина ЭДС E меньше напряжения U. При этом ток статора отстает по фазе от напряжения (разность фаз φ>0), синхронный двигатель проявляет себя как активно-индуктивный элемент в цепи синусоидального тока с коэффициентом мощности cosφ<1.

При увеличении тока возбуждения Iв увеличивается магнитный поток и ЭДС E. При этом разность фаз φ уменьшается, коэффициент мощности увели-

чивается. При определенном соотношении между ЭДС E и напряжением U разность фаз становится равной нулю (рис. 6.3.17 б), а коэффициент мощности cosφ=1.

При дальнейшем увеличении тока возбуждения соотношении между ЭДС E и напряжением U оказывается таким, что ток статора опережает по фазе напряжение (разность фаз φ<0) (рис. 6.3.17 в). В этом режиме синхронный двигатель проявляет себя как активно-емкостный элемент в цепи синусоидального тока.

Режим работы синхронного двигателя при разности фаз φ>0, когда ток возбуждения недостаточен, называют режимом недовозбуждения. Режим работы при разности фаз φ<0, когда ток возбуждения избыточен, называют режимом перевозбуждения.

Таким образом, изменение тока возбуждения синхронного двигателя позволяет изменять его коэффициент мощности, устанавливать наиболее рациональный режим его работы с коэффициентом мощности cosφ=1.

Способность синхронного двигателя работать в режиме активноемкостного приемника используется для компенсации реактивной мощности (повышения коэффициента мощности) крупного потребителя электроэнергии, в составе которого он работает. Иногда эта функция является основной для синхронной машины. Такая машина называется синхронный компенсатор и используется в качестве емкостного элемента большой мощности.

При изменении тока возбуждения меняется не только разность фаз между напряжением и током синхронного двигателя. Меняется также величина тока статора. При этом активная составляющая тока статора определяется активной мощностью двигателя, т.е. механической мощностью на валу, и остается неизменной. Ее величина определяется проекцией вектора тока на вектор напряжения, как показано на рис. 6.3.17 пунктирной линией. Меняется только реактивная составляющая тока. В режиме нормального возбуждения (рис. 6.3.17 б) ре-

18

активная составляющая тока статора оказывается равной нулю, величина тока статора определяется только его активной составляющей и принимает наименьшее значение. Зависимость тока статора от тока возбуждения графически показана на рис. 6.3.18. Эту зависимость называют V-образной характеристикой синхронного двигателя.

С увеличением механической нагрузки на валу двигателя увеличивается активная мощность и соответственно активная составляющая тока статора. V- образная характеристика располагается выше.

Рис. 6.3.18. V-образные характеристики синхронного двигателя

Заключение

1. Конструкция синхронной машины имеет определенные особенности по сравнению с другими типами электрических машин. Статор синхронной машины – шихтованный сердечник в форме полого цилиндра с продольными пазами на внутренней поверхности, в которых уложены проводники трехфазной

19

обмотки статора. Ротор синхронной машины может быть двух типов: явнополюсный и неявнополюсный.

Явнополюсный ротор синхронной машины имеет цилиндрический магнитопровод, расположенный на валу машины, к поверхности которого крепятся полюса с полюсными наконечниками. На полюсах располагается электрическая обмотка ротора, называемая обмоткой возбуждения.

Неявнополюсный ротор синхронной машины имеет цилиндрический магнитопровод с продольными пазами на его поверхности. Обмотка возбуждения распределена в пазах магнитопровода ротора.

Для соединения обмотки возбуждения с неподвижной электрической цепью служат два контактных кольца, установленные на валу ротора, и неподвижные электрические щетки, обеспечивающие скользящий электрический контакт.

2.Работа синхронного генератора основана на индукционном действии магнитного поля.

Ротор генератора вращается приводным двигателем. Обмотка возбуждения синхронного генератора подключена к источнику постоянного тока (возбудителю) и создает постоянное магнитное поле возбуждения, которое вращается вместе с ротором. При этом в неподвижной обмотке статора индуцируется ЭДС. При синусоидальном законе распределения индукции в воздушном зазоре изменение ЭДС во времени также синусоидально. Частота этой ЭДС пропорциональна частоте вращения ротора и числу пар полюсов.

Таким образом, синхронный генератор является симметричным трехфазным источником электроэнергии, т.е. преобразует механическую энергию турбины (приводного двигателя) в электрическую энергию трехфазного тока.

3.Работа синхронного двигателя основана на взаимодействии магнитных полей статора и ротора.

Обмотка статора синхронного двигателя подключается к трехфазному ис-

20