Синхронных машин

Электромагнитная мощность – это мощность, которая передается с индуктора на статорную обмотку. Так как потери в обмотке статора, как правило, невелики, то и невелики потери в стали статора. Поэтому практически считают, что электромагнитная мощность равна полезной отдаваемой мощности:

Рэм = Рr = mUIcosφ, r = 0 (1)

Для вывода формулы электромагнитной мощности воспользуемся преобразованной диаграммой для явнополюсной машины, рис. 105.

Рис. 105

Выразим угол φ через ψ и θ.

Из диаграммы видно, что

cosφ=cos(ψ-θ)=cosψcosθ+sinψsinθ

Подставим cosφ в уравнение (1) электромагнитной мощности

Pэм = mUIcosψcosθ+mUIsinψsinθ (2)

Найдем из векторной диаграммы величины Icosψ, Isinψ

OB=E₀–IdXd=E₀–IsinψXd, с другой стороны:

OB=Ucosθ, Ucosθ=E₀–IsinψXd, откуда

, далее

BC = IqXq = IcosψXq = Usinθ, откуда

Подставим произведение Isinψ и Icosψ в уравнение (2)

, сгруппируем

.

Воспользуемся формулой sin2θ=2cosθsinθ, откуда

cosθsinθ=1/2sin2θ, тогда окончательно получим выражение электромагнитной мощности синхронного генератора (явнополюсн.)

Pэм = mUE₀sinθ/Xd + (1/Xq – 1/Xd)sin2θ,

т.е. электромагнитная мощность состоит из основной и добавочной. Если машина неявнополюсная, где Xd=Xq, выражение электромагнитной мощности запишется:

Pэм = mUE₀sinθ/Xd

Получим выражение электромагнитного момента для явнополюсной машины. Так как Pэм = Mω, откуда M = Pэм/ω,

, т.е. момент состоит из основной части и добавочного (реактивного) момента. Если генератор неявнополюсной, то выражение электромагнитного момента запишется:

M = mUE₀sinθ/ωXd

Зависимости Pэм=f(θ) и M = f(θ) называются угловыми характеристиками синхронной машины. Покажем на рис. 106 угловые характеристики для явнополюсного генератора, а на рис. 107 угловые характеристики для неявнополюсной машины.

Рис. 106 Рис. 107

Из рис. 106 видно, что θкр<90⁰. Устойчиво машина работает в диапазоне угла θ = 0-θкр, рис. 106 а для неявнополюсной машины устойчивая работа соответствует углу θ = (0-90)⁰, рис. 107

Угол θ на векторных диаграммах синхронного генератора – это угол между вектором напряжение и ЭДС.

В пространстве угол θ- это угол между осью ротора ( индуктора) и результирующим полем машины, рис.108.

Г де: М_т- момент со стороны турбины

М- электромагнитный момент генератора.

В режиме генератора электромагнитный момент является тормозным.

V-8. Синхронные двигатели

В электроприводах, где не требуются частые пуски и регулирования скорости целесообразно применять синхронные двигатели вместо короткозамкнутых. При мощности выше 300 КВт, синхронные двигатели имеют по сравнению с асинхронными большое преимущество, заключающееся в том, что благодаря возбуждению постоянным током они могут работать с cosφ = 1 и не потребляют при этом реактивной мощности из сети, а при работе с перевозбуждением даже отдают реактивную мощность в сеть. В результате улучшается коэффициент мощности сети и уменьшается падение напряжения и потери в ней. С другой стороны, конструкция синхронных двигателей сложнее, чем короткозамкнутых асинхронных двигателей, кроме того, синхронные двигатели должны иметь электромагнитный возбудитель для питания обмотки возбуждения постоянным током. Вследствие этого синхронные двигатели в большинстве случаев дороже асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, однако, при мощности более 300 КВт они экономически выгодны при совместной работе с сетью. Пуск синхронных двигателей намного сложнее асинхронных.

V-8-1. Векторные диаграммы и угловые характеристики синхронного двигателя

При работе синхронной машины в режиме генератора напряжение на его зажимах равно разности между ЭДС Е₀ и падениями напряжений на различных индуктивных сопротивлениях, а при работе в режиме двигателя напряжение Uс равно сумме ЭДС и падений напряжения на индуктивных сопротивлениях. Покажем векторную диаграмму для явнополюсного синхронного двигателя в перевозбужденном режиме при известных параметрах r, Xd, Xq, рис. 109.

Рис. 109 Рис. 110.

При перевозбужденном режиме (рис. 109) ток опережает напряжение на угол φ. Ток якоря I разложим по осям d,q относительно вектора Е₀. Токи Id, Iq создают потоки, а они создают ЭДС Ea = -Ir, сумма ЭДС дает нам вектор напряжения Uc. Угол θ – угол между вектором напряжения сети Uc и составляющей напряжения, -Е₀ которая уравновешивает ЭДС Е₀.

На рис. 110 представлена упрощенная диаграмма синхронного двигателя для неявнополюсной машины.

В синхронном неявнополюсном двигателе ток по осям не разлагается. Синхронное индуктивное сопротивление Xc=Xd=Xs+Xad. Ток статора создает поток рассеяния и поток якоря. Оба этих потока создают ЭДС – jIXc отстающей от вектора тока на 90⁰. Напряжение сети Uс уравновешивается суммой ЭДС. ΣЕ=-Uc. Если из этой суммы вычесть ЭДС – jIXc, то получим вектор ЭДС Е₀. ЭДС Е₀ и –jIXc уравновешиваются составляющими напряжения –Е₀ и jIXc. Угол θ есть угол сдвига между вектором напряжения сети Uc и составляющей напряжения –Е₀.

Угловые характеристики синхронного двигателя.

С инхронная машина обратима, т.е. можно работу синхронного генератора перевести в режим двигателя.

При этом угол θ (для генератора его считают положительным) изменит свой знак. Выражения электромагнитной мощности и момента для синхронного двигателя аналогичны генератору Запишем для неявнополюсной машины

На рис.111 представлены угловые характеристики для неявнополюсной машины режима генератора и двигателя.

.

У генератора ось индикатора опережает ось потока .Если разгрузить генератор до θ=0, напряжение генератора уравновешенно ЭДС генератора и ток статора I равен нулю. Если теперь нагрузить машину внешней нагрузкой, то машина перейдет в двигательный режим.

При этом, электромагнитный момент будет движущим (рис. 112), а момент тормозной – М_в – момент на валу. Как видно из рис.112 в двигательном режиме результирующий поток будет тянуть за собой индуктор. Угол θ будет отрицательным. Двигатель будет работать устойчиво в диапазоне угла θ=0 .

V-8-2. Режим работы синхронного двигателя при постоянном моменте и переменном токе возбуждения

M=const, iB=var. Для анализа этого режима синхронного двигателя воспользуемся упрощенной диаграммой для неявнополюсной машины (рис. 110). Используя только верхнюю ее часть и вектор напряжения сети Uc, расположим горизонтально, рис.113.

Рис. 113.

Режим работы соответствует постоянству момента.

при

постоянство момента получается при E₀sinθ=const, а следовательно -E₀sinθ=const, поэтому, при изменении возбуждения, конец вектора –Е₀ будет передвигаться по прямой θq параллельно вектору Uc, т.к.

ab=E₀¹sinθ=const. Мощность также постоянная:

P=mUcIcosφ=const при mUc=const, P=const при Icosφ=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 φ. Вектор тока I перпендикулярен продолжению вектора jIXc. Реактивная составляющая тока I_L 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 и 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 cosφ=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 φ¹. Этот режим соответствует перевозбужденному режиму. Реактивная составляющая тока будет емкостной (опережает вектор Uc 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 cosφ. Это ценное свойство и определяет использование синхронных двигателей. Выпускаются СД обычно с опережающим cosφ=0.8. Зависимости тока статора I от тока возбуждения iB, I=f(iB) называются U-образные характеристики, рис. 114.

Рис. 114.

Р₂ > Р₁. Характеристики снимаются при P=const. Режим работы соответствующий току возбуждения от 0 до пунктирной линии недовозбужденный, а за пунктирной линией – перевозбужденный с отдачей реактивной энергии в сеть. Минимум тока статора соответствует cosφ=1. Посмотрим на примере, как улучшается cosφ установки при использовании перевозбужденного синхронного двигателя, рис. 115.

Рис. 115.

Предприятие без СД имеет в векторной форме Uc,I и угол φ, где ток I_L – индуктивный ток, потребляемый из сети. Если теперь использовать СД в перевозбужденном режиме, получим емкостной ток Ic, который скомпенсирует частично ток I_L. Результирующий реактивный ток уменьшится, а это приведет к уменьшению тока до I¹, угол φ¹ уменьшится, т.е. возрастет cosφ. Из этого примера видим, что используя на предприятиях СД в перевозбужденном режиме, улучшается cosφ установки и уменьшаются потери в сети.

ток , cosφ = Ia/I

Для улучшения энергетических показателей в энергосистемах большой мощности используются синхронные компенсаторы. Эти машины устанавливаются в конце высоковольтных линий и служат генераторами реактивной мощности. Поэтому синхронные компенсаторы 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. 116.

Рис. 116.

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.

V-8-3. 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.

Пуск с помощью вспомогательного двигателя.

Пуск в ход синхронного двигателя с помощью вспомогательного двигателя 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 до n=0.95n₁. Статор этого генератора включается параллельно в сеть двигатель втягивается в синхронизм, 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.

1. 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 полюсных 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. 117, ключ К находится 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. 117 Рис. 118.

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. 118. 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. 118. На этом заканчивается второй этап пуска.

92