Электрические машины. Давидчук, Лебедев. Конспект лекций

вает взаимодействие полей обмотки статора и обмотки ротора

ром, определяющим работу СМ, является угол сдвига между вектором

именуемый углом нагрузки . Угол весьма близок в силу малости пара-

. .

метров ra и xa к углу сдвига между векторами Eв и E , характеризую-

щему угол сдвига поля ротора относительно результирующего поля в зазоре. Из представленной на рис.4.4. упрощенной векторной диаграммы ЭДС можно составить следующие соотношения:

, Id Ia sin , Iq Ia cos ,

U1 sin Iq xq Iq U1 sin / xq ,U1 cos Eв Id xd Id (Eв U1 cos ) / xd

Тогда, проведя несложные преобразования, получим выражение для мощности синхронной машины

131

Первая составляющая момента называется основной и обусловлена процессами взаимодействия поля возбуждения ротора (посредством ЭДС Eв )

и результирующего поля в зазоре (посредством напряжения U1 ). Вторая

Рис.4.5. Угловые характеристики СМ: 1-основной, 2-параметрический и 3-результирующий моменты.

составляющая называется параметрической и обусловлена различной магнитной проводимостью воздушного зазора по продольной и поперечной осям. Параметрический момент возникает только в явнополюсных машинах и не зависит от наличия тока в обмотке возбуждения. Синхронные явнополюсные машины без обмотки возбуждения на роторе получили название синхронные реактивные двигатели. На рис.4.5 представлены зависимости M f ( ) в двигательном и генераторном режимах работы для основного, параметрического и результирующего моментов. Учитывая условие устойчивой работы dM d dMСТ d (аналогичное условию

dM dn dMСТ dn в асинхронных двигателях), можно определить зону устойчивой работы синхронной машины: / 2 р / 2 – для неявнополюсных и / 2 р / 2 – для явнополюсных. Предел стати-

132

ческой перегружаемости неявнополюсной СМ: Pm mU1Eв / xd , а коэффициент статической перегружаемости: kП Pm / Pн .

Потери и КПД синхронной машины. Потери СМ можно разделить на основные и добавочные. К основным относятся электрические потериpэл.1 в обмотке статора, электрические потери pв в обмотке ротора (на

возбуждение), магнитные потери pмг в сердечнике статора (на вихревые токи и на гистерезис) и механические потери pмх (трение в подшипниках,

ротора о воздух, щеток о контактные кольца, вентиляционные). К добавочным pд следует отнести потери от высших гармоник, от несовершен-

ства изготовления и т.д.. Сумма потерь: p pэл.1 pв pмг pмх pд . КПД синхронной машины в зависимости от режима:

4.2. Работа синхронной машины в режиме генератора.

При анализе генераторных режимов СМ обычно предполагается, что приводной двигатель обладает достаточным запасом мощности и при любых изменениях нагрузки обеспечивает постоянную частоту вращения

n n1 const .

cos 0 ). В режиме холостого хода

(3.8) ЭДС обмотки при f1 const n n1 const определяется магнитным потоком в воздушном зазоре. Поэтому вид характеристики холостого хода

наилучшего использования магнитной цепи машины (зона перехода к ре-

133

жиму насыщения). В режиме короткого замыкания U1 0 , поэтому магнит-

ный поток Ф ~ E ~ U мал, магнитная цепь ненасыщенна и характеристика в области 0 Iк Iн линейна. При коротком замыкании zнг 0 , поле возбуж-

дения и поле реакции якоря направлены встречно друг к другу, и, прене-

индукционную нагрузочную характеристику синхронного генератора, при этом разница между i'вн и iв 0 в точке U1 Uн будет израсходована на ком-

пенсацию размагничивающего действия продольной реакции якоря и полей рассеяния обмотки статора. На основании опытных характеристик могут быть определены некоторые параметры синхронного генератора: коэффициент насыщения магнитной цепи k , ненасыщенное значение син-

хронного индуктивного сопротивления по продольной оси xd , индуктив-

ное сопротивление Потье, близкое по своему значению индуктивному сопротивлению рассеяния обмотки статора xp xa , отношение короткого

замыкания kокз [1,2,3,4] и некоторые другие. Эти данные позволяют судить

о свойствах СГ в различных режимах работы (при нагрузке, при коротких замыканиях и т.д.), а также производить расчеты эксплуатационных характеристик и получать показатели эксплуатационных режимов не проводя в заводских условиях опытов под нагрузкой, что особенно важно для крупных машин (например, турбо- и гидрогенераторов ).

ствует условию iв const . Вид внешних характеристик (рис.4.7.а) зависит

от характера нагрузки. При активной нагрузке снижение напряжения с ростом тока якоря обусловлено падением напряжения на внутреннем сопротивлении обмотки ( ra и xa ). Появление индуктивной или емкостной со-

ставляющей в токе якоря приводит к появлению размагничивающей или

134

намагничивающей продольной реакции якоря и соответствующему изменению U1 . Номинальным изменением напряжения под нагрузкой называ-

стика (зависимость iв f Ia при U1 Uн const ) показывает, как нужно ре-

гулировать ток возбуждения СГ при изменении тока нагрузки, чтобы напряжение на зажимах оставалось неизменным. На рис.4.7.б представлены зависимости iв f Ia при различном характере нагрузки. Регулирова-

ние тока возбуждения определяется в данном случае видом внешних характеристик (см. рис.4.7.а). Вследствие насыщения магнитной цепи ток возбуждения при номинальной нагрузке iвн может превышать ток возбуж-

дения при холостом ходе iв 0 в 2,0 – 2,5 раза. На практике поддержание по-

стоянного напряжения на выходе СГ осуществляется с помощью автоматических систем регулирования тока возбуждения.

Особенности работы СГ на выпрямительное устройство. При организа-

ции питания автономных сетей постоянным током (например, тяговых двигателей тепловозов) генератор постоянного тока (ГПТ) можно заменить СГ, на выходе которого включен полупроводниковый выпрямитель. В этом случае целесообразным становится применение 6-фазных обмоток (две 3-фазные, сдвинутые в пространстве на 30 эл.градусов) статора , обеспечивающих на выходе выпрямителя меньшие амплитуды переменной составляющей напряжения. Замена ГПТ синхронным позволяет выполнить машину более быстроходной (из-за отсутствия коллектора и процесса коммутации), следовательно, существенно уменьшить ее массу и габариты. Однако при работе СГ на выпрямитель ток в фазах обмотки статора будет несинусоидальным. При этом использование СГ ухудшается (т.е. реализуемая мощность становится меньше номинальной) и появляются дополнительные потери мощности от высших гармоник тока якоря, т.е. несколько возрастают тепловые нагрузки и снижается КПД.

Работа СГ на сеть большой мощности. Включение СГ на сеть меметодом точной синхронизации. При подключении СГ к сети необходимо, чтобы напряжение генератора соответствовало сетевому по порядку следования фаз, величине и частоте. Невыполнение первого условия является наиболее тяжелым по последствиям (встречное включение), однако грубое

Рис.4.8 Включение СМ на сеть методом точной синхронизации

нарушение второго и третьего условий может вызвать выпадение из синхронизма, всплеск токов и динамических нагрузок на валу. На рис.4.8 представлена простейшая схема точной синхронизации СГ с сетью. Для этого необходимо иметь вольтметр и синхроноскоп, собранный на трех лампах. На рис.4.8 лампы синхроноскопа включены по схеме «на погасание». Если лампы зажигаются и гаснут неодновременно, то следует поменять порядок следования фаз СГ. Частота мигания ламп определяется разницей частот сети и СГ. Равенство частот достигается путем регулирования частоты вращения приводного двигателя. Равенство напряжений сети и СГ проверяется вольтметром, достигается регулированием тока возбуждения СГ. Наилучший момент для включения рубильника П1 наступает при прохождении кривой uСГ uсети f t через ноль (полное погасание

ламп).

Изменение реактивной мощности происходит при регулировании

.

тока возбуждения iв и соответствующем изменении величины вектора E в на рис.4.4. При этом реактивная составляющая тока Id Eв U cos / xd будет меняться, а активная составляющая Iq U1 sin / xq останется неизменной при постоянстве момента на валу ( const ). При перевозбуждении (

. .

Eв U1 ) СГ будет отдавать в сеть индуктивный ток и реактивную мощность (т.е. вести себя по отношению к сети как емкость), а при недовоз-

. .

буждении ( Eв U в ) СГ будет отдавать в сеть емкостной ток и потреблять из сети реактивную мощность (т.е. вести себя по отношению к сети как индуктивность).

Изменение активной мощности СГ, работающего на сеть, происходит при изменении момента приводного двигателя. С ростом момента увеличивается угол нагрузки . При уменьшении момента приводного двигателя угол нагрузки уменьшается до нуля, становится отрицательным и СГ переходит в режим двигателя (см. рис.4.5).

Параллельная работа СГ на сеть ограниченной мощности харак-

теризуется непостоянством напряжения и частоты сети. Если одновременно регулировать токи возбуждения всех СГ в одном направлении, то будет изменяться напряжение сети, но, если регулировать токи возбуждения в противоположных направлениях, то будет происходить перераспределение реактивной энергии между отдельными СГ. Аналогично, при регулировании момента приводных двигателей в одном направлении будет изменяться активная мощность и частота сети, но, при регулировании в разных направлениях произойдет перераспределение активной мощности между отдельными генераторами.

4.3. Работа синхронной машины в режиме двигателя

136

Рис 4.9. U-образные характеристики (а) и векторная диаграмма (б) cинхронного двигателя (P2=const).

Регулирование реактивной мощности СД осуществляется путем изменения тока возбуждения. На рис 4.9.а представлены U-образные характеристики СД (зависимости I a f (iв ) при

P const(M const) ), смысл построения которых ясен

из векторной диаграммы на рис.4.9б для какой-то конкретной U-образной

че U-образной кривой на рис.4.9а) соответствуют параметры на векторной диаграмме со штрихом, а режиму недовозбуждения ( iв iвн ) - параметры

без штриха. Как видно из диаграммы на рис.4.9б, при перевозбуждении СД

хронный двигатель вырабатывает реактивную мощность и отдаёт её в сеть. При недовозбуждении реактивная составляющая тока носит отстающий

138

характер относительно U1 , следовательно СД , также как и асинхронный

двигатель , потребляет реактивную мощность из сети.

Для поддержания нормального уровня напряжения сети поблизости от потребителя (чтобы не загружать линии электропередач реактивным током) могут быть установлены СД, работающие на холостом ходу и компенсирующие путем регулирования тока возбуждения недостаток реактивной мощности. Такие СД называются синхронными компенсаторами.

Так как синхронные компенсаторы не развивают активной мощности, то вопрос о статической устойчивости работы (смотри раздел выше “Угловая характеристика синхронной машины” ) для них теряет остроту. Поэтому они изготавливаются с меньшим зазором, чем генераторы и двигатели , и значения xd и xa у них больше. Уменьшение зазора позволяет вы-

полнить обмотку возбуждения с меньшим числом витков и удешевить машину.

Регулирование активной мощности СД осуществляется путем из-

менения нагрузки на валу. Зависимости основных параметров СД при из-

Рис.4.10. Рабочие характеристики явнополюсного синхронного двигателя с P2н=560 кВт, cos =0,9 (перевозбуждение)

139

хронного двигателя частота вращения n const , то развиваемый двигателем момент M пропорционален P2 и обычно не приводится.

В режиме холостого хода ( P2 0 ) ток двигателя I a является практиче-

ски реактивным. По мере роста нагрузки на валу увеличивается активная составляющая тока, поэтому зависимость I a f (P2 ) является нелинейной .

Кривая КПД имеет характер общий для всех электрических машин. Синхронные двигатели могут работать с cos 1, но обычно их рас-

считывают на работу при номинальной нагрузке с опережающим током (с перевозбуждением) при cos Н 0.8 0.9. В этом случае улучшается cos

сети, от которой питаются СД, так как отдаваемая ими реактивная составляющая тока I a компенсирует потребляемою реактивную составляющую

тока асинхронными двигателями, питаемыми из этой сети [1-5]. Зависимость cos f (P2 ) при работе машины с перевозбуждением имеет макси-

мум в области P2 . P2Н (рис. 4.10). При снижении P2 величина cos

уменьшается, а отдаваемая в сеть реактивная мощность возрастает.

Регулирование частоты вращения СД возможно осуществить только изменением частоты питающего напряжения. Для обеспечения устойчивой работы СД необходимо соблюдать условие кр , поэтому по-

рядок переключения вентилей преобразователя частоты определяется угловым положением ротора относительно фаз обмотки статора. Информация о положении ротора снимается с датчика положения ротора и поступает в систему формирования сигналов управления силовыми элементами, подключающими соответствующие фазы обмотки статора к источнику питания. Такую машинно-вентильную систему называют «вентильным двигателем». Также как и в асинхронном двигателе при желательно соблюдать условие U1 / f1 const при f1 var .

Краткий сопоставительный анализ основных свойств синхронных и асинхронных двигателей. Синхронные двигатели по сравнению с асинхронными имеют следующие преимущества:

- возможность работать благодаря возбуждению постоянным током с cos 1 и не потреблять реактивную мощность из сети или с перевозбуждением при cos Н 0.8 0.9 , отдавая реактивную мощность в сеть, тем самым улучшая cos сети;

- меньшую чувствительность к колебанию напряжения сети, так как развиваемые СД M и M MAX пропорциональны напряжению сети, а не его

квадрату как у АД;

140