2.1.12.Синхронные генераторы с внешними стабилизаторами напряжения

На статоре генератора расположена 3-фазная обмотка якоря, нулевая точка выведена через первичную обмотку компаундирующего трансформатора. Обмотка возбуждения, расположенная на роторе, в режиме холостого хода получает питание через дроссель холостого хода, выпрямитель, токосъемные щетки и кольца.

Процесс самовозбуждения протекает за счет остаточной намагниченности полюсов. Варистор, подключенный параллельно обмотке возбуждения, дает добавочную нагрузку, уменьшая нелинейное сопротивление диодов выпрямителя в процессе самовозбуждения, и предохраняет выпрямитель от перенапряжений в переходных режимах (при резком изменении тока нагрузки).

В режиме холостого хода напряжение на зажимах генератора равно ЭДС холостого хода U0 = E00, зависящей от тока возбуждения IB, который равен выпрямленному току 3-фазного дросселя холостого хода. На вход выпрямителя поступает ток дросселя Iд, величина тока зависит от индуктивного сопротивления хд, которое можно регулировать изменением воздушного зазора в магнитопроводе дросселя. Напряжение на входе выпрямителя равно

UВХ =U − jIдхд .

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора UКТ в режиме холостого хода составляет малую величину, так как ток возбуждения, протекающий по первичной обмотке, несравнимо меньше, чем ток нагрузки.

При подключении нагрузки возникает реакция якоря, которая размагничивает магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, что приводит к падению напряжения генератора. Этому препятствует работа компаундирующего трансформатора, так как при возрастании тока якоря Iя = Iд + Iн растет напряжение UКТ на выходе компаундирующего трансформатора. В результате ток нагрузки приводит к увеличению напряжения на входе выпрямителя UВХ и тока возбуждения IВ, возникает дополнительный поток возбуждения ∆ФВ, который компенсирует размагничивающее действие реакции якоря и индуктирует в обмотке якоря добавочную ЭДС ∆Е0, компенсирующую составляющие падения напряжения в обмотке якоря Id xd и Iq xq.

Напряжение генератора определится выражением

U = E00 + ∆E0 − jId xd − jIq xq ,

34

где jIdxd и jIqxq – продольная и поперечная составляющие вектора ЭДС реакции якоря.

При изменении тока нагрузки ток якоря Iя также изменяется по величине и по фазе, соответственно изменяется напряжение на вторичной обмотке трансформатора UКТ, а следовательно, напряжение на входе выпрямителя UВХ и ток возбуждения IВ изменяется таким образом, что напряжение на зажимах генератора U остается неизменным – стабилизированным. При изменении тока нагрузки в пределах до Iн и коэффициента мощности cosϕ от 0,5 до 0,9 обеспечивается автоматическая стабилизация напряжения в пределах ±2,5 %.

2.1.13. Синхронные электродвигатели

Синхронные электрические машины, так же как и другие электрические машины, обратимы и могут работать в режимах генератора и двигателя в зависимости от соотношения моментов на валу машины и напряжения сети.

Электрическая мощность 3-фазного генератора при симметричной (одинаковой по фазам) нагрузке

P = 3UI cosϕ ,

где U и I – действующие фазные напряжение и ток.

Механическая мощность, сообщаемая генератору первичным двигателем:

Pмх = ωрМ ,

где М – момент сопротивления вращению ротора; ωр – угловая частота вращения ротора.

Пренебрегая потерями в машине, получим момент, преодолеваемый первичным двигателем:

M = 3UI cosϕ .

ω

Формула справедлива и для случая работы машины двигателем. Из векторной диаграммы, следует

М = Ммакс sinθ ,

где Ммакс – максимальный момент

Ммакс = 3ωрUIк ;

здесь Iк – ток короткого замыкания генератора.

35

В режиме двигателя синхронная машина потребляет электрическую энергию из сети и преобразует ее в механическую. Момент машины при этом становится движущим, это соответствует тому, что в формуле угол нагрузки становится меньше нуля θ < 0.

При работе в режиме генератора угол нагрузки θ условно имеет положительное значение А, в режиме двигателя – отрицательное. Устойчивая работа машины возможна при изменении угла нагрузки в пределах от – π/2 до + π/2, так как при – π/2> θ > + π/2 нарушается равновесие моментов на валу машины и синхронизм работы.

Особенностью синхронного электродвигателя является абсолютно жесткая механическая характеристика, так как скорость вращения ротора не зависит от момента нагрузки и равна синхронной скорости n0. Синхронный двигатель обычного исполнения имеет пусковой момент, равный нулю, что объясняется инерцией ротора, в то время как вращающееся магнитное поле безынерционно. Практически пуск синхронного двигателя осуществляют двумя способами: с помощью вспомогательного двигателя, разгоняющего ротор до синхронной скорости, и путем а синхронного пуска, когда в роторе располагают короткозамкнутую обмотку.

Ценным свойством синхронного электродвигателя является способность работать с любым коэффициентом мощности, который можно изменять, регулируя его ток возбуждения. В случае перевозбуждения синхронного двигателя ток является опережающим для напряжения сети, это свойство используется для компенсации реактивной мощности потребителей потребляющих ток, отстающий по фазе от напряжения, такие машины называются синхронными компенсаторами. Эти машины имеют облегченную механическую конструкцию, так как не несут механической нагрузки. По сравнению с конденсаторами, которые также используются для повышения cos φ сети, синхронные компенсаторы имеют меньшие габариты и стоимость при той же мощности.

2.1.14. Асинхронные машины. Устройство и принцип работы асинхронного электродвигателя

Асинхронная трехфазная машина состоит из статора и вращающегося ротора. Статор представляет собой полый цилиндр с пазами, в которых расположена трехфазная обмотка, состоящая из трех отдельных обмоток (фаз), сдвинутых в пространстве относительно друг друга на угол 120º. Обмотки фаз соеди-

36

няются между собой звездой или треугольником. Обмотка ротора асинхронной машины может быть короткозамкнутой и фазной, фазы и нулевой провод которой выведены на контактные кольца. Короткозамкнутый ротор представляет собой ферромагнитный цилиндрический сердечник, в пазах которого расположена обмотка, состоящая из медных или алюминиевых стержней. Эти стержни соединяются между собой торцевыми кольцами, что напоминает «беличью клетку». С целью сокращения потерь мощности в стали за счет вихревых токов, статор и ротор собирают из изолированных между собой листов электротехнической стали.

Фазный ротор имеет трехфазную обмотку, которая, как правило, соединяется в звезду. Свободные концы обмотки подсоединены к контактным кольцам, по которым при вращении ротора скользят токосъемные щетки, соединенные с пусковыми или регулировочными реостатами. Протекание тока по фазной обмотке статора создает магнитный поток, меняющийся по величине и направлению, суммарный магнитный поток представляет собой вращающееся в пространстве магнитное поле.

Прямые провода витков фазных обмоток обозначены А, В, С, а обратные провода – А', В', С'. В начальный момент времени t1 в фазе А ток равен нулю, в фазе В ток имеет отрицательное значение, при этом условно принято обозначение направления тока в прямом проводе точкой, а в обратном – крестиком. В фазе С ток имеет положительное значение, при этом условно принято обозначение направления тока в прямом проводе крестиком, а в обратном – точкой. При таком направлении токов результирующий магнитный поток Ф1 направлен вертикально вниз. По величине результирующий магнитный поток Ф=3/2Фm, где Фm – магнитный поток одной фазы при амплитудном значении тока. В следующий момент времени t2 в фазе В ток равен нулю, в фазе С ток имеет отрицательное значение, а в фазе А – положительное. При таком направлении токов результирующий магнитный поток Ф2 повернут в направлении часовой стрелки относительно первоначального на 120º. Аналогичный поворот будет к моменту времени t3. Через период Т магнитный поток совершает полный оборот, пересекая при этом витки обмотки ротора.

В момент пуска ротор неподвижен и вращающееся магнитное поле пересекает витки ротора со скоростью

n1 = 60pf1 ,

37

где f1 – частота тока в обмотке статора;

р1 – число пар полюсов обмотки статора.

При промышленной частоте питающего напряжения f1 = 50 Гц – максимальное число оборотов магнитного поля статора будет равно 3000 об/мин при р1 = 1. Так как вдоль окружности статора может быть размещено р пар полюсов, то в общем случае 360 геометрических градусов равны 360р электрическим градусам. Принято обозначать параметры, относящиеся к статору, индексом 1,

апараметры ротора – индексом 2.

Врезультате взаимодействия магнитного поля статора с током в проводах

обмотки ротора возникает электромагнитный момент Мэм, вращающий ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Электромагнитный момент, действующий на ротор, сохраняется при разности скоростей вращающегося

магнитного поля статора n1 и ротора n2, разность этих скоростей оценивается скольжением s:

s = n1 − n2 . n1

Вращающий момент асинхронной машины с учетом изменения нагрузки зависит от магнитного потока Ф, тока в обмотке якоря I2 и косинуса угла ψ2 между векторами тока и ЭДС обмотки ротора:

Мэм = сФI2 cosψ2 ;

с = 2,p22 pm2k2w2 ,

где с – постоянная машины; р – число пар полюсов;

m2 – число фаз обмотки ротора;

k2 – обмоточный коэффициент обмотки ротора; w2 – число витков одной фазы обмотки ротора.

Используя соотношения

38

пренебрегая активным сопротивлением статора r1 и принимая ЭДС статора, равной напряжению сети E1 ≈U , имеем момент на валу асинхронного электродвигателя, как функцию одной переменной – скольжения s:

где r2 – активное сопротивление обмотки ротора; x2 – полное сопротивление обмотки ротора.

При малых значениях скольжения вращающий момент двигателя растет пропорционально скольжению. Если скольжение превышает критическое значение sкр, момент начинает уменьшаться, так как знаменатель растет быстрее числителя. Для определения критического скольжения sкр и максимального момента Ммакс приравниваем нулю производную от момента по скольжению:

При работе в режиме двигателя sкр принимает положительное значение. Максимальный момент пропорционален квадрату напряжения сети. Это свидетельствует о том, что асинхронные двигатели чувствительны к напряжению сети. Характерно, что максимальный момент не зависит от активного сопротивления ротора.

Из кривой зависимости М (s) можно получить механическую характеристику асинхронного двигателя – зависимость числа оборотов ротора n1 от вращающего момента M, так как n1 = n0 (1 – s). На участке характеристики АВ возрастание момента сопротивления механизма приводит к снижению скорости ротора и росту скольжения, при этом увеличивается электромагнитный момент до тех пор, пока не установится режим равновесия.

Предположим, что двигатель работает в точке 1 характеристики, развивая скорость n11 и вращающий момент М1, равный моменту сопротивления механизма Мс1. Если момент сопротивления возрастет до Мс2, это приведет к сниже-

39