18. Устройство и принцип действия синхронной машины в режиме генератора двигателя и компенсатора реактивной мощности.

Рассмотрим принцип действия синхронного генератора. Если через обмотку возбуждения протекает постоянный ток, то полюсы создадут постоянное магнитное поле чередую­щейся полярности. При вращении полюсов, а следователь­но, и поля относительно проводников обмотки якоря в них будет индуцироваться переменная ЭДС, причем ЭДС от­дельных проводников фазы суммируются. Если на якоре уложены три одинаковые обмотки, сдвинутые в пространстве на электрический угол, равный 120°, то в этих обмотках будет индуцироваться трехфазная система фазных ЭДС. Частота этой ЭДС зависит от числа пар полюсов р и час­тоты вращения ротора n_р:

(1)

Для получения ЭДС необходимой частоты число пар полюсов и частота вращения должны находиться в определенной зависимости между собой. Так, для получения стан­дартной частоты f=50 Гц при р=1 нужно иметь частоту вращения n_р=3000 об/мин, а при р=24 - n_р=125 об/мин.

Если к трехфазной обмотке якоря синхронного генератора подсоединить нагрузку, то возникший ток создаст вра­щающееся магнитное поле якоря. Частота вращения этого поля

(2)

Заменяя в (2) частоту ее значением из (1), получаем

(3)

Характерной особенностью синхронной машины, обусловившей ее название, является равенство частот вращения ротора и поля якоря.

В основном конструктивном варианте поле возбуждения имеет ту же частоту вращения, что и ротор, поэтому результирующее поле, созданное совместным действием то­ков обмоток якоря и возбуждения, будет иметь частоту вращения ротора.

В обращенном варианте частоты вращения якоря (ротора) и его поля будут одинаковыми, но направ­ленными в противоположные стороны. Поэтому результирующее поле машины, как и поле возбуждения, будет неподвижным.

При работе синхронной машины двигателем трехфазная обмотка статора присоединяется к трехфазной сети, при этом образуется вращающееся магнитное поле с частотой вращения n_п. Это поле, взаимодействуя с полем полюсов ротора, создает вращающий момент. Чтобы при взаимодействии полей момент имел одно и то же направление, они должны быть неподвижными относительно друг друга.. Это будет в том случае, если ротор, а следовательно, и его магнитное поле будут вращаться с частотой вращения n_п. Поэтому в синхронном двигателе ротор как при холостом ходе, так и при нагрузке вращается с постоянной частотой вращения, равной частоте вращения поля.

В маломощных синхронных генераторах обычно используется самовозбуждение: обмотка возбуждения питается выпрямленным током того же генератора (рис.9.2).

Рис.9.2.

Цепь возбуждения образуют трансформаторы тока ТТ, включённые в цепь нагрузки генератора, полупроводниковый выпрямитель, собранный по схеме трёхфазного моста, и обмотка возбуждения ОВ с регулировочным реостатом R.

Самовозбуждение генератора происходит следующим образом. В момент пуска генератора, благодаря остаточной индукции в магнитной системе, появляются слабые ЭДС и токи в рабочей обмотке генератора. Это приводит к появлению ЭДС во вторичных обмотках трансформаторов ТТ и небольшого тока в цепи возбуждения, усиливающего индукцию магнитного поля машины. ЭДС генератора возрастает до тех пор, пока магнитная система машины полностью не возбудится.

Среднее значение ЭДС, наводимое в каждой фазе обмотки статора:

Еср = c∙n∙Φ (9.2)

n – скорость вращения ротора;

Φ – максимальный магнитный поток, возбуждаемый в синхронной машине;

c – постоянный коэффициент, учитывающий конструктивные особенности данной машины.

Напряжение на зажимах генератора:

U = E - I∙z, где

I – ток в обмотке статора (ток нагрузки);

Z – полное сопротивление обмотки (одной фазы).

Для точной подгонки амплитуды ЭДС величину магнитного потока регулируют путём изменения тока в обмотке возбуждения. Синусоидальность ЭДС обеспечивают приданием определённой формы полюсным наконечникам ротора в явнополюсных машинах. В неявнополюсных машинах нужного распределения магнитной индукции добиваются путём особого размещения обмоток возбуждения на поверхности ротора.

СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ КАК КОМПЕНСАТОРЫ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ.

Всё чаще вместе со специальными средствами компенсации реактивной мощности рекомендуется использовать синхронные двигатели, если они уже установлены у потребителя по технологическим соображениям.

Синхронные двигатели, в процессе своей работы способны генерировать реактивную мощность. По этой причине электропривод с синхронным двигателем может работать с заданным коэффициентом мощности cosФ, максимальным КПД и обеспечивать необходимый уровень показателей качества электросети, к которой он подключён. Воздействие на энергетические показатели осуществляется с помощью регулирования тока возбуждения двигателя в ручном или автоматическом режиме.

При некотором токе возбуждения реактивная составляющая тока станет равной нулю, т.е. ток статора станет чисто активным. Это состояние характеризуется минимальным значением тока статора и максимальным значением cosФ = 1. Если продолжить увеличивать ток возбуждения вновь появится, и начнёт расти реактивная составляющая тока, но она будет опережать напряжение сети на 900. За счёт этого ток статора, будет также опережать напряжение сети, и синхронный двигатель начнет работать с опережающим cosФ, уже отдавая реактивную энергию в питающую сеть. Обобщая выше сказанное, получим что, при работе синхронного двигателя с переменной нагрузкой на валу для наилучшего использования его компенсирующих свойств требуется соответствующее изменение тока возбуждения.

Рис.1. U - образная характеристика синхронного двигателя.

Принимая синхронный двигатель как компенсатор реактивной мощности необходимо отметить, что преимуществом его использования в этом качестве является плавность регулировки величины отдаваемой или принимаемой реактивной мощности, а основным недостатком является - большая удельная величина потребляемой активной мощности для выработки реактивной.

Способность перевозбуждённого синхронного двигателя потреблять кроме активной составляющей тока и активной мощности ещё и ёмкостную составляющую тока и ёмкостную мощность легла в основу создания синхронной машины под названием синхронный компенсатор. Синхронный компенсатор представляет собой синхронный двигатель облегчённой конструкции, работающие без механической нагрузки.

Практика показывает, что применение синхронного двигателя как компенсатора реактивной мощности наиболее выгодно при малом коэффициенте мощности нагрузки. Использование синхронного двигателя как компенсатора реактивной мощности наиболее выгодно на рабочем напряжении 0,4 кВ чем на 6,3 и 10 кВ.

18. Функции и принципы построения АСУ энергосбережения энергетических объектов.