3.3.4. Синхронные компенсаторы
Синхронные компенсаторы (СК) – это электрические машины большой мощности (10000÷160000) кВт, предназначенные для генерирования реактивной мощности и работающие без нагрузки (P2 = 0), т. е. в режиме х. х. СК включают в электрические системы с целью повышения коэффициента мощности, обычно до cos φ = (0,92÷0,95) (рис 43). Они вырабатывают реактивную мощность Qск, необходимую для работы потребителей Z, например группы синхронных двигателей. Благодаря этому реактивная мощность в СГ и в ЛЭП доведена до некоторого минимального значения Qmin, что способствует повышению технико-экономических показателей всей системы. СК применяют также для стабилизации напряжения в сети при передаче электроэнергии по линиям большой протяжённости. При больших индуктивностях (при больших нагрузках) напряжение в конце линии (у потребителей) оказывается намного меньше, чем в начале, а при малых нагрузках – наоборот, под влиянием ёмкостных сопротивлений линии напряжение в конце линии может повышаться по сравнению с напряжением в начале. Включенный же в конце линии (у потребителей) СК, работающий при больших нагрузках с перевозбуждением (ток сети опережает напряжение), а при малых нагрузках – с недовозбуждением, позволяет поддерживать напряжение в конце линии практически неизменным.
Рис. 43. Схема включения синхронного компенсатора (СК) в электрическую систему.
Выполняют СК обычно с горизонтальным расположением вала на напряжение (6,6÷16) кВ с числом полюсов 2p = 6 или 2p = 8, что соответствует частоте вращения ротора 1000 об/мин или 750 об/мин.
3.3.5. Синхронные машины специального назначения
Синхронные машины специального назначения – это машины, имеющие узкую специфическую область применения (рис. 44). К ним относят:
Синхронные машины с постоянными магнитами (магнитоэлектрические) – не имеют обмотки возбуждения, а возбуждающий магнитный поток у них создаётся постоянными магнитами, расположенными на роторе. В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с магнитным полем постоянных магнитов, расположенных на роторе, ротор начинает вращаться с частотой n2 = n1. При питании двигателя от однофазной сети в цепь одной из фаз включают конденсатор, необходимый для создания вращающегося магнитного поля статора. Применяют синхронные машины с постоянными магнитами чаще всего в качестве двигателей малой мощности до 100 Вт, реже - до 500 Вт. В качестве генераторов их применяют реже, в основном в качестве тахогенераторов. Синхронные машины с постоянными магнитами имеют высокие энергетические показатели (КПД и cos φ), но повышенную стоимость из-за дороговизны и сложности обработки постоянных магнитов.
Рис. 44. Магнитоэлектрические синхронные двигатели с радиальным (а) и аксиальным (б) расположением постоянных магнитов: 1 – статор; 2 – короткозамкнутый ротор; 3 – постоянный магнит.
Синхронные реактивные двигатели (СРД) (рис. 45) – отличаются отсутствием возбуждения со стороны ротора. Основной магнитный поток в этих двигателях создаётся исключительно за счёт МДС обмотки статора, которая в двух - и в трёхфазных СРД является вращающейся.
Рис. 45. Принцип действия синхронного реактивного двигателя; возникновение реактивного вращающего момента) (а) Мр и изменение его до 0 (б).
Простота конструкции и высокая эксплуатационная надёжность обеспечили СРД малой мощности широкое применение в устройствах автоматики, в устройствах звуко – и видеозаписи и других устройствах, требующих строгого постоянства частоты вращения. Недостатками СРД являются низкий КПД и cos φ.
Гистерезисные двигатели (рис. 46.) – это синхронные двигатели, у которых вращающий момент создаётся за счёт гистерезиса при перемагничивании ферромагнитного материала ротора. Статор в гистерезисном двигателе выполняется, так же как и в других машинах постоянного тока, т. е. может быть двух – или трёхфазной, а ротор представляет собой цилиндр из магнитно-твёрдого материала без обмотки. Ротор двигателя намагничивается под действием магнитного поля статора, т. е. становится постоянным магнитом, и гистерезисный двигатель работает аналогично синхронному двигателю с постоянными магнитами. Гистерезисные двигатели выпускают на мощность до 2000 Вт и частоту 50, 400 и 500 Гц в двух – и трёхфазном исполнениях.
Рис. 46. Конструкция гистерезисного двигателя (а), создание гистерезисного момента (б) и векторная диаграмма магнитных потоков ротора Ф2 и статора Ф1 (в).
Индукторные (с подмагничиванием) синхронные машины - представляют собой синхронные машины, у которых статор и ротор имеют зубчатую структуру, что позволяет им работать на частотах до тысяч герц. Их применяют в установках индукционного нагрева, в гироскопических и радиолокационных устройствах и т. д. Обмотка возбуждения (или постоянный магнит) индукторной машины, расположенная на статоре и подключенная к источнику постоянного тока, создаёт постоянный магнитный поток, который изменяется от максимального до минимального значения, т. е. пульсирует за счёт смещения зубцов вращающегося ротора относительно зубцов статора. За счёт переменной составляющей магнитного потока в обмотке статора индукторного генератора наводится ЭДС высокой частоты. Индукторные генераторы большой мощности (до 270 кВ А) применяют в качестве возбудителей турбогенераторов. Индукторные двигатели применяют в качестве шаговых двигателей, а также в качестве двигателей с весьма малыми частотами вращения.
Шаговые (импульсные) двигатели (ШД) – представляют собой синхронные микродвигатели, у которых питание фаз обмотки якоря осуществляется путём подачи импульсов напряжения от какого либо коммутатора, например, электронного. Под воздействием каждого такого импульса ротор двигателя совершает определённое угловое перемещение, называемое шагом. В качестве ШД обычно применяют синхронные двигатели без обмотки возбуждения на роторе: с постоянными магнитами, реактивные и индукторные (с подмагничиванием). Наибольшее применение ШД получили в электроприводах с программным управлением.