1.5.2. Синхронные электродвигатели
Рассмотрим зависимости рабочих характеристик СД от напряжения. В СД преобразование электроэнергии в энергию вращения вала (механическую) происходит за счет магнитных сил притяжения между разноименными полюсами вращающегося статора и постоянного электромагнита ротора. Зависимость мощности на валу СД от угла ( - угол между осями магнитных полей статора и ротора) для неявнополюсной машины выражается формулой
(1.4)
где E - ЭДС в обмотке статора за счет вращающегося магнитного потока ротора; U - напряжение сети; Х - сопротивление реакции якоря.
Как видно, реактивная мощность СД имеет две составляющие. Если первая больше второй, СД работает в режиме перевозбуждения, если наоборот - в режиме недовозбуждения.
Изменение напряжения U влияет на работу СД (рис. 1.3). Примем неизменными мощность на валу и ток возбуждения, следовательно, Р = const и Q = const . При уменьшении U СД переходит на другую, более низкую характеристику, увеличивается угол , растет активная составляющая тока статора, уменьшается запас по статической устойчивости двигателя (2 >1).
З
ависимость
Q СД от U
сети определяется выражением (1.4).
Конкретный вид этой зависимости
обусловлен конструкцией СД, его загрузкой
и током возбуждения. На рис. 1.4 построены
четыре характерные кривые:
1
- холостой ход при перевозбуждении. При
снижении U
и неизменной Е
увеличивается
вектор
,
т.е. реактивная мощность, отдаваемая СД
в сеть. При этом в выражении (1.4) cos
1
и первая
составляющая Q
уменьшается медленнее второй;
2
- нагрузочный режим при перевозбуждении.
При уменьшении U
возрастает ,
увеличивается вектор
.
Уменьшение cos
приводит
к тому, что первая составляющая Q
в (1.4)
уменьшается быстрее, чем в режиме
холостого хода и величина Q
увеличивается
медленнее, быстрее достигая своего
максимума в сравнении с режимом холостого
хода;
3 - нагрузочный режим, отличающийся от предыдущего большей загрузкой СД. При уменьшении U cos снижается быстрее и происходит уменьшение вырабатываемой СД реактивной мощности (область больших );
4 – нагрузочный режим при недовозбуждении. При уменьшении U вторая составляющая Q в (1.4) снижается быстрее первой и Q , потребляемая из сети, уменьшается. Этот режим на практике не используется из-за условий устойчивости СД. Следует отметить, что кривые на рис. 1.4 характеризуют качественно рассматриваемые явления для наиболее распространенных СД, например серии СДН и СТД. При увеличении нагрузки СД максимум кривой 2 смещается вправо, поэтому возможны случаи, когда при уменьшении U относительно Uн реактивная мощность, отдаваемая СД в сеть, неизменна или уменьшается.
Несинусоидальность и несимметрия питающего напряжения не оказывают столь существенного влияния на работу СД по сравнению с АД, хотя они и вызывают увеличение потерь электроэнергии и нагрева двигателей 7.
Вопросы, связанные с пуском СД, подробно рассматриваются в курсе «Электрические машины» и в учебниках по электрическим машинам и электроприводу.
1.5.3. Вентильные преобразовательные установки
Для преобразования трехфазного тока в постоянный или трехфазного тока промышленной частоты 50 Гц в трехфазный ток пониженной, повышенной или высокой частоты на территории промышленных предприятий сооружаются преобразовательные установки.
В зависимости от типа преобразователей тока преобразовательные установки делятся на следующие группы:
1. Преобразовательные установки с ртутными выпрямителями (в основном в старых установках).
2. Преобразовательные установки с полупроводниковыми выпрямителями.
3. Преобразовательные установки с двигатель-генераторами.
4. Преобразовательные установки с механическими выпрямителями.
По своему назначению преобразовательные установки служат:
- для питания электролизных ванн;
- питания внутризаводского транспорта;
- питания электрофильтров.
Преобразовательные установки для целей электролиза широко применяются в цветной металлургии для получения цветных металлов. В таких установках ток промышленной частоты напряжением U = 6-35 кВ при помощи, как правило, вентильных выпрямителей преобразуется в постоянный ток необходимого по технологическим условиям напряжения (до 825 В).
Перерыв в питании электролизных установок не приводит к тяжелым авариям с повреждением основного оборудования и может быть допущен на несколько минут, а в некоторых случаях и на несколько часов. Здесь перерыв в питании связан в основном с недоотпуском продукции. Однако вследствие обратной ЭДС электролизных ванн в некоторых случаях могут иметь место перемещения выделившихся металлов обратно в раствор ванн и, следовательно, дополнительные затраты электроэнергии на новое выделение этого же металла.
Электролизные установки должны снабжаться электрической энергией как приемники 1-ой категории, но допускающие кратковременный перерыв в питании. Режим работы электролизных установок дает достаточно равномерный и симметричный по фазам график нагрузки. Коэффициент мощности электролизных установок равен примерно 0,85-0,9. Особенностью электролизного процесса является необходимость поддержания постоянства выпрямленного тока, и в связи с этим возникает необходимость регулирования напряжения со стороны переменного тока.
Преобразовательные установки для внутрипромышленного электротранспорта (откатка, подъем, различные виды перемещения грузов и т.п.) по мощности относительно невелики. Коэффициенты мощности таких установок колеблются в пределах 0,7-0,8. Нагрузка на стороне переменного тока симметрична по величине за счет пиков тока при работе тяговых двигателей. Перерыв в питании приемников этой группы может повлечь за собой порчу продукции и даже оборудования (особенно на металлургических заводах). Прекращение работы транспорта вообще вызывает серьезные осложнения в работе предприятия и поэтому эта группа потребителей должна снабжаться как приемники 1-й или 2-й категорий, допускающие кратковременный перерыв в питании (до 10 минут). Питание этих установок производится переменным током промышленной частоты напряжением 0,4-35 кВ.
Преобразовательные установки для питания электрофильтров до 100-200 кВт имеют широкое применение для очистки газов. Питаются эти установки переменным током частотой 50 Гц от специальных трансформаторов, имеющих на стороне первичного напряжения 6-10 кВ, а на стороне вторичного - до 110 кВ. Нагрузка на стороне первичного напряжения симметрична и равномерна, cos = 0,67-0,8. Перерывы в питании допустимы, их длительность зависит от технологического процесса. На химических заводах эти установки относятся к потребителям 1-й и 2-й категорий.
Принципы преобразования трехфазного тока в постоянный ток и переменный различных частот подробно изучаются в курсе «Силовые преобразователи в электроснабжении» и изложены в 16.