Контрольные вопросы:

1. Чем отличаются синхронные машины от асинхронных?

2. Какие вы знаете способы возбуждения синхронных машин и в чем их различия?

3. Каковы конструктивные особенности синхронных машин?

4. Как влияет нагрузка на характеристики генератора?

5. В чем заключается реакция якоря?

6. Какие виды потерь имеют место в синхронной машине?

7. Как включить генераторы на параллельную работу с сетью?

8. Как нагрузить генератор, включенный на параллельную работу?

9. Что представляет собой метод точной синхронизации?

10. Что представляет собой самосинхронизация генераторов?

Лабораторная работа №8

Тема: «Исследование работы трехфазного синхронного двигателя».

Цель: Сформировать умение пускать в ход синхронный двигатель; научиться определять его механические характеристики опытным путём.

По окончании выполнения лабораторной работы студент должен

знать:

• конструкцию, характеристики и принцип действия синхронного двигателя и компенсатора;

• способы пуска синхронного двигателя;

• безопасные условия эксплуатации;

уметь:

• производить пуск синхронного двигателя.

Основные теоретические положения:

В соответствии с принципом обратимости элек­трических машин синхронная машина может рабо­тать не только в режиме генератора, но и в режиме двигателя, т. е. потреблять из сети электрическую энергию и преобразовывать ее в механическую.

Для объяснения принципа работы синхронного двигателя представим себе синхронный генератор, включенный на параллельную работу в сеть боль­шой мощности.

Допустим, приводной двигатель вращает ротор генератора против часовой стрелки с угловой скоро­стью . При этом нагрузка генератора такова, что продольная ось полюсов ротора смещена отно­сительно оси вращающегося поля на угол в направлении вращения ротора (рисунок 42, справа). Вращающий момент приводного двигателя уравновешивается суммой электромагнитного мо­мента генератора М' и момента х.х. М₀ ( ). На угловой характеристике этому режиму генератора соответствует точка Г.

Если уменьшать вращающий момент , то на­грузка генератора начнет также уменьшаться, при этом будет уменьшаться угол , а, следовательно, и ток статора ). В итоге снизится величина электро­магнитного момента М' и при вращающем моменте угол , т. е. генератор будет работать в режиме х. х. ( = 0) и ЭДС генератора Е₀ окажется в противофазе с напряжением сети . Этому режиму на угловой характеристике соответствует точка пе­ресечения осей координат (точка О на рисунке 42). Ес­ли же вал синхронной машины отсоединить от при­водного двигателя и создать на этом валу тор­мозной момент, т.е. момент нагрузки М₂, на­правленный встречно вращению ротора машины, то произойдет смещение вектора ЭДС на угол – относительно его положения в режиме х. х. в сторону отставания (рисунок 42, слева). При этом в цепи обмотки ста­тора появится результирующая ЭДС , которая соз­даст в обмотке статора ток , отстающий по фазе от ЭДС на угол 90° (предполагается ) и отстающий по фазе от напряже­ния сети на угол (в генераторном режиме ток , отстает по фазе от ЭДС Е₀ на угол ).

Рисунок 42 – Переход синхронной машины из генераторного режима в

двигательный

Рисунок 43 – Угловая характеристика син­хронного двигателя

Ток создает магнитное поле, вращающееся синхронно с ротором, ось которого смещена относительно продольной оси полюсов ротора на угол – . Допустим, работа двигателя происходит в режиме точки Д на угловой характеристике (рисунок 42, слева), что соответствует углу – . Возникшие при этом тангенциальные составляющие сил магнитного взаимодействия полюсов создадут на роторе двигателя электромаг­нитный момент М", направленный согласно с вращающим магнитным полем и приводящий ротор во вращение с синхронной частотой . При этом синхронная машина будет потреблять из сети электрическую энергию и преобразовывать ее в механическую энергию вращения. Вращающий электромагнитный момент М" преодолевает момент х. х. и создает на валу двигателя полезный момент , под действием которого приводится во вращение исполнительный механизм:

.

Все значения момента на угловой характеристике синхронно­го двигателя откладываются в отрицательном направлении оси ординат, так как при переходе синхронной машины из генератор­ного режима в двигательный электромагнитный момент меняет свое направление. Также отрицательной становится мощность синхронного двигателя, которая поступает из сети в машину, а не из машины в сеть, как это происходит в генераторном режиме. Оперирование с отрицательными значениями мощностей и моментов крайне неудобно, поэтому при рассмотрении синхронных двигателей условно будем принимать моменты и мощности положительными, помня при этом изложенное ранее о направлении этих параметров.

Угловые характеристики электромагнитного момента и его составляющих и представлены на рисунке 43. Эти характеристики отличаются от угловых характери­стик генератора лишь тем, что располагаются в третьем квадранте осей координат, т. е. определяются отрицатель­ными значениями углов и моментов и а также момента при .

Таким образом, в общем виде угловая характеристика син­хронной машины представляет собой две полуволны результи­рующего момента М: положительную, соответствующую генера­торному режиму работы, и отрицательную, соответствующую двигательному режиму работы (рисунок 43). Переход машины из одного режима работы в другой происходит при .

Устойчивая работа синхронного двигателя соответствует участку угловой характеристики (рисунок 43) при .

Отношение максимального электромагнитного момента к номинальному определяет перегрузочную спо­собность синхронного двигателя

.

Обычно перегрузочная способность синхронных двигателей , что при номинальной нагрузке двигателя соответствует эл. град.

Ротор синхронного двигателя может вращаться только с син­хронной частотой . Чтобы убедиться в этом, достаточ­но предположить, что ротор двигателя начнет вращаться с часто­той . В какой-то момент времени намагниченные полюсы ротора расположатся против одноименных полюсов вращающего­ся магнитного поля статора, и тогда нарушится магнитная связь между намагниченными полюсами ротора и полюсами вращающе­гося поля статора, так как их одноименные полюсы будут взаимно отталкиваться, и ротор, перестав испытывать устойчивое действие вращающего электромагнитного момента, остановится.

Вращение ротора синхронных двигателей только с синхрон­ной частотой составляет характерную особенность этих двигате­лей и часто определяет область их применения (например, для привода устройств, требующих стабильной частоты вращения).

При изменениях нагрузки на валу синхронного двигателя ме­няется угол . При этом ротор вследствие инерции вращающихся масс агрегата не сразу занимает положения, соответствующие новой нагрузке, а некоторое время совершает колебательные дви­жения.

По своей конструкции синхронные двигатели в принципе не отличаются от синхронных генераторов, но все же имеют некото­рые особенности. Их изготовляют преимущественно явнополюсными с полюсов; воздушный зазор делают меньшим, чем в генераторах такой же мощности, что способствует улучше­нию ряда параметров двигателя, в частности уменьшению пускового тока; демпферную (успокоительную) обмотку выполняют стержнями большего сечения, так как при пуске двигателя она является пусковой обмоткой; ширина полюсного наконечника достигает вместо в генераторах. Поэтому, несмотря на свойство обратимости, синхронные машины, вы­пускаемые промышленностью, имеют обычно целевое назначение – либо это синхронные генераторы, либо синхронные двигатели.

Пуск синхронных двигателей.

Пуск синхронного двигателя непосредственным включением в сеть невозможен, так как ротор из-за своей значительной инерции не может быть сразу увлечен вращающимся полем статора, частота вращения которого устанавливается мгновенно. В результате устойчивая магнитная связь между статором и ротором не возникает. Для пуска синхронного двигателя приходится применять специальные способы, сущность которых состоит в предварительном приведении ротора во вращение до синхронной или близкой к ней частоте, при которой между статором и ротором устанавливается устойчивая магнитная связь.

В настоящее время практическое применение имеет способ пуска, получивший название асинхронного. Этот способ пуска возможен при наличии в полюсных наконечниках ротора пусковой обмотки (клетки), аналогичной успокоительной обмотке синхрон­ного генератора. Схема включения двигателя при этом способе пуска приведена на рисунке 44, а. Невозбужденный синхронный двигатель включают в сеть. Возникшее при этом вращающееся магнитное поле статора наводит в стержнях пусковой клетки ЭДС, которые создают токи .

Взаимодействие этих токов с полем статора вызывает появление на стержнях пусковой клетки электромагнитных сил . Под действием этих сил ротор приводится во вращение (рисунок 44, б). После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной , обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока. Обра­зующийся при этом синхронный момент втягиваем ротор двигателя в синхронизм. После этого пусковая обмотка дви­гателя выполняет функцию успокоительной обмотки, ограничивая качания ротора.

Чем меньше нагрузка на валу двигателя, тем легче его вхождение в синхронизм. Явнополюсные двигатели малой мощности, пускаемые без нагрузки на валу, иногда входят в синхронизм лишь за счет реактивного момента, т. е. даже без включения обмотки возбуждения.

Рисунок 44 – Асинхронный пуск синхронного двигателя

С увеличением нагрузочного момента на валу вхождение дви­гателя в синхронизм затрудняется. Наибольший нагрузочный момент, при котором ротор синхронного двигателя еще втягивается и синхронизм, называют моментом входа двигателя в синхронизм . Величина асинхронного момента при частоте вращения зависит от активного сопротивления пусковой клетки, т. е. от сечения стержней и удельного электрического сопротивле­ния металла, из которого они изготовлены.

Следует обратить внимание, что выбор сопротивления пуско­вой клетки , соответствующего значительному пусковому моменту , способствует уменьшению момента входа в синхронизм и, наоборот, при сопротивлении , соответствующем небольшому пусковому моменту ( ), момент входа в синхронизм увеличивается (рисунок 45).

– основной момент; – дополнительный момент,

– момент входа в синхронизм.

Рисунок 45 – Асинхронные моменты при пуске синхронного двигателя

В процессе асинхронного пуска обмотку возбуждения нельзя оставлять разомкнутой, так как магнитный поток статора, пересекаю­щий ее в начальный период пуска с синхронной скоростью, наводит в ней ЭДС. Вследствие большого числа витков обмотки возбуждения эта ЭДС достигает значений, опасных как для целости изоляции са­мой обмотки, так и для обслуживающего персонала. Для предотвра­щения этого обмотку возбуждения на период разгона ротора замыкают на активное сопротивление , примерно в десять раз большее сопротивления обмотки возбуждения. Переключение зажимов И1 и И2 обмотки возбуждения с сопротивления на зажимы возбудителя осуществляют переключателем П (см. рисунок 44, а).

Замыкание накоротко обмотки возбуждения на время пуска двигателя нежелательно, так как при этом обмотка ротора образует однофазный замкнутый контур, взаимодействие которого с вращающимся полем статора также создает дополнительный асинхронный момент . Однако при частоте вращения, равной половине синхронной, этот момент становится тормозящим (рисунок 45) и создает «провал» в характеристике пускового (асинхронного) момента (пунктирная кривая). Это заметно ухудшает пусковые свойства синхронного двигателя.

При асинхронном пуске синхронного двигателя возникает значительный пусковой ток. Поэтому пуск синхронных двигателей непосредственным включением в сеть на номинальное напряже­ние применяют при достаточной мощности сети, способной вы­держивать без заметного падения напряжения броски пускового тока пяти- или семикратного значения (по сравнению с номиналь­ным током). Если же мощность сети недостаточна, то можно при­менить пуск двигателя при пониженном напряжении: автотрансформаторный или реакторный.

Рабочие характеристики.

Рабочие характеристики синхрон­ного двигателя представляют собой зависимость частоты враще­ния ротора , потребляемой мощности , полезного момента , коэффициента мощности , и тока в обмотке статора от полезной мощности двигателя (рисунок 46). Частота вращения рото­ра всегда равна синхронной частоте , поэтому гра­фик имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс. Полезный момент на валу синхронного двигателя . Так как рабочие характеристики снимают при условии , то график имеет вид прямой, выходящей из начала координат. Мощность на входе двигателя . С ростом нагрузки на валу двигателя увеличиваются также и потери , поэтому потребляемая мощность растет быстрее полезной мощ­ности и график имеет несколько криволинейный вид.

Рисунок 46 – Рабочие характеристики синхронного двигателя

Вид графика зависит от вида настройки тока возбуждения: если в режиме х. х. ток возбуждения установлен та­ким, что = 1, то с ростом нагрузки коэффициент мощности снижается, если же установить =1 при номинальной на­грузке, то при недогрузке двигатель будет забирать из сети реак­тивный опережающий ток, а при перегрузке — отстающий. Обыч­но устанавливают ток возбуждения таким, чтобы =1 при средней нагрузке (рисунок 46). В этом случае коэффициент мощно­сти во всем диапазоне нагрузок остается достаточно высоким. Ес­ли же установить ток в обмотке возбуждения синхронного двига­теля таким, чтобы =1 был при нагрузке несколько превышающей номинальную, то при номинальной нагрузке и двигатель будет потреблять из сети опережающий по отношению к напряжению сети ток, что приведет к повышению коэффициента мощности этой сети. В этом отношении синхрон­ные двигатели выгодно отличаются от асинхронных, работающих с отстающим по фазе током (особенно при недогрузке двигателя) и снижающих энергетические показатели питающей сети.

Ток в обмотке статора двигателя . Из этого выражения видно, что ток с увеличением нагрузки на валу дви­гателя растет быстрее, чем потребляемая мощность , вследствие уменьшения .

Так как ротор синхронного двигателя вращается в ту же сторону, что и поле статора, то направление вращения ротора определяется порядком следования фаз линейных проводов, подведенных к обмотке статора, и порядком расположения фаз обмотки статора. Для изменения направления вращения трехфазного синхронного двигателя необходимо переключить два линейных привода, подведенных из сети к выводам обмотки статора.

В заключение необходимо отметить, что синхронные двигатели по сравнению с асинхронными имеют преимущество, заключающееся в том, что они могут работать с = 1, не создавая в щей сети индуктивных токов, вызывающих дополнительные потери энергии. Более того, при работе с перевозбуждением син­хронные двигатели создают в сети емкостный ток, чем способст­вуют повышению коэффициента мощности энергосистемы в це­лом. Другое достоинство синхронных двигателей состоит в том, что основная составляющая электро­магнитного момента пропорциональна напряжению сети , а у асинхронных двигателей электромагнитный момент пропорциона­лен . По этой причине при понижении напряжения в сети синхронные двигатели сохраняют большую перегрузочную способность, чем асинхронные.

К недостаткам синхронных двигателей относятся их более сложная конструкция и повышенная стоимость по сравнению с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Кроме того, для работы синхронного двигателя требуется устройство для питания постоянным током обмотки возбуждения.

Опыт эксплуатации показал, что применение синхронных двигателей общего назначения наиболее целесообразно при мощности 200 кВт и более в установках, не требующих частых пусков и регулирования частоты вращения (мощные насосы, вентиляторы, компрессоры и т. п.).