Способность синхронного двигателя изменять сдвиг фаз между током и напряжением.

(Использование СД для повышения cos электроустановок).

К чему приводит снижение «cos».

1). Электродвигатели, работающие с низким «cos», непроизводительно загружают генераторы, трансформаторы подстанций и электрические сети.

2). Низкий «cos» свидетельствует о недоиспользовании двигателя по мощности и снижении его КПД.

3). Увеличиваются потери энергии в проводах или необходимо увеличивать сечение проводов, т.к. потери определяются

Р = I²R / cos² (38)

Факторы, понижающие «cos» асинхронных двигателей:

1. – недогрузка двигателя резко снижает «cos». Лучше всего «cos» при номинальной нагрузке.

Тип двигателя 4А90L2У	Загрузка (%) от номинальной мощности (Рн)
	25	50	75	100	125
cos	0.51	0.73	0.83	0.87	0.89

2. – износ подшипников увеличивает зазор между ротором и статором, следовательно, снижается «cos».

3. – «cos» выше у быстроходных двигателей.

Для маломощных двигателей, наиболее распространенных в сельском хозяйстве, номинальный «cos» находится в пределах 0.7 – 0.9. Поэтому, для повышения его прибегают к искусственным способам, которые сводятся к компенсации реактивной мощности.

Такими способами могут быть:

а) – использование конденсаторов. Способ рассмотрен в учебнике Назарова “Электропривод и использование эл.энергии в с/х”;

б) – использование синхронного двигателя.

Во втором способе используется ценное свойство синхронного двигателя – возможность регулирования у него реактивного тока, а следовательно, изменения «cos» посредством изменения тока возбуждения.

Рассмотрим влияние изменения тока возбуждения на реактивный ток синхронного двигателя .

Активный ток двигателя I_а = I cos при постоянном напряжении сети пропорционален моменту, приложенному к валу машины (тормозящему – двигатель, вращающему – генератор). Пока этот момент постоянный, активный ток не изменяется.

Путем изменения постоянного тока возбуждения можно изменять ЭДС, индуктируемую в обмотке переменного тока статора. Напряжение сети поддерживается постоянным, поэтому изменения ЭДС (Е) согласно выражению

jĪ·x = Ē – Ū^ = Ū (39)

где j – вектор (-1);

Ī – вектор тока статора;

х – индуктивное сопротивление;

Ē – вектор ЭДС, индуктируемая магнитным потоком ротора;

Ū^ - вектор напряжения сети;

Ū - вектор падения напряжения в статоре,

должны вызывать изменения тока в статоре (I).

При постоянной нагрузке активная составляющая тока (I_а) постоянна. Поэтому изменяться может лишь его реактивная составляющая – реактивный ток. Следовательно, на векторной диаграмме синхронного двигателя геометрическим местом конца вектора полного тока “ I ” должна служить прямая, проведенная перпендикулярно вектору напряжения (Ū) на расстоянии от начала координат, равном «I_а» (рис.48).

Чтобы уточнить положение вектора полного тока « I » относительно вектора ЭДС « Е », обратимся к уравнению мощности, потребляемой двигателем

Р = 3 U I cos (40)

Постоянству момента “М” соответствует постоянство мощности “Р”. Кроме того, также постоянно отношение U/x = const. Поэтому, умножив и разделив выражение мощности (40) на “х” – индуктивное сопротивление двигателя, определим, что величина

I х cos = const,

т.к. Р = const и U/x = const

При изменении тока возбуждения I_в изменяется и угол .

Поэтому, при всех изменениях ЭДС (Е), вызываемых изменением тока возбуждения (при регулировании), конец вектора Ē должен перемещаться по прямой, проведенной параллельно вектору Ū на расстоянии (Ixcos).

I при Р = сonst

Облсть А - недовозбуждения

Область Б - перевозбуждения

I 1 2 I_в.ном- номинальный ток

I возбуждения, при котором

I_min область А область Б  = 0, cos = 1

При I_min I = I_а, I_р= 0.

I_в^ I_в.ном I_в^ I_в

Рис.47 График зависимости полного тока двигателя от тока

возбуждения обмотки ротора

Теперь, чтобы найти положение вектора тока Ī, нужно сначала построить прямые, определяющие геометрические места векторов Ī и Ē. Затем, на основании заданного значения «Е» следует отложить этот вектор так, чтобы его конец лежал на прямой, определяющей его геометрическое место.

Вектор «jĪx» должен на диаграмме соединять концы векторов Ē и Ū. Он опережает вектор Ī на 90. Поэтому, строим вектор Ī из начала координат под углом 90 к вектору «jĪx”.

Из графика (рис.48) видно, что ток двигателя опережает по фазе напряжение сети когда Еcos  U - двигатель перевозбужден, и отстает от напряжения когда Еcos  U - двигатель недовозбужден.

Ū Ē

Ū= Ū Ū_н

90^ Ū

^

^ 90

Ē^

Ī ^_х(L) Ī_{x(c )}

индуктивность ^  емкость

Ī ^ Ī_а=Ī_min Ī

Область недовозбуждения Область перевозбуждения

Ū

Рис.48 Векторная диаграмма синхронного двигателя

Если двигатель недовозбужден, он потребляет реактивный намагничивающий ток, необходимый для усиления его магнитного поля до величины соответствующей равновесию Ē = Ū + jĪx.

Если двигатель перевозбужден, мгновенные значения его ЭДС (е) больше мгновенных значений напряжения сети (u) и избыток ЭДС создает реактивный ток, опережающий по фазе напряжение сети. При этом, соответствующая мгновенная мощность будет увеличиваться пока возрастает (по модулю) ЕДС, и уменьшаться, когда эта ЭДС убывает.

Таким образом, перевозбужденный синхронный двигатель может, подобно емкости, улучшать «cos» сети предприятия, снижаемый индуктивными токами асинхронных двигателей.

Работа двигателя в области перевозбуждения позволяет увеличить «cos» производственных сетей. Он включается в сеть параллельно с асинхронными двигателями, у которых, особенно маломощных, низкий «cos» (рис.49).

Тр

_ _ _ __ I

I_ас I_ас I_синхр

АД

АД СД

Рис.49 Схема включения синхронного двигателя в сеть с

асинхронными для повышения «cos»

Ī_x(общ)

Ī_x(ас) Ī_х(синх)

_ас _синх

 Ī Ī_а(синх) Ī_синх

Ī_ас Ī_а(ас)

Ī_общ Ī_а(общ)

Ū

Рис.50 Векторная диаграмма компенсации реактивного тока в сети

синхронным перевозбужденным двигателем

Для сельского хозяйства синхронные двигатели мощностью 10 – 30 кВт весьма перспективны.

Лекция № 8