Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические машины. Синхронные машины и микромашины. Учебное пособие
.pdf
U = E0 – jX
I. (1.5)
син
В соответствии с этим уравнением строится векторная диаграмма
синхронного генератора (рис. 1.6).
а
б
Рис. 1.6. Векторная диаграмма синхронного генератора
При активно-индуктивной нагрузке генератора вектор тока статора I отстаёт по фазе на угол θ от вектора напряжения U
пряжения jХ
ма векторов U
I опережает вектор тока на угол 90o (рис. 1.6, а). Сум-
син
и jХ
I дает вектор ЭДС Eo. Угол θ называется углом
син
, а вектор на-
нагрузки.
ЭДС Е
U
– результирующий магнитный поток машины Ф
генераторном режиме работы поток Ф
θ, чему соответствует сдвиг на такой же угол полюса ротора S
соответствует магнитный поток ротора Фо, а напряжению
о
(рис. 1.6, б). В
рез
опережает поток Ф
0
на угол
рез
отно-
o
сительно полюса N результирующего поля машины. Силовые линии
магнитного поля между полюсами показаны тонкими сплошными
линиями. В генераторном режиме в результате взаимодействия полюсов S
и N образуется противодействующий момент Mпр.
0
Работа синхронного генератора
на автономную нагрузку
Синхронные генераторы работают в автономном режиме в том случае, когда промышленная сеть имеет недостаточную мощность или вообще отсутствует. Напряжение U в большой степени зависит от нагрузки
и её характера. Зависимость U(I) при n
= соnst, Iв = const и cos φ = const
0
называется внешней характеристикой генератора (рис. 1.7).
11
I
I
ном
Рис. 1.7. Внешняя характеристика генератора в автономном режиме
Напряжение генератора при активно-индуктивной нагрузке (φ > 0)
резко падает, что объясняется размагничивающим действием реакции ротора. При активно-ёмкостной нагрузке (φ < 0) изменяется незначительно и может увеличиваться, что обусловлено намагничивающим действием реакции ротора. Для стабилизации напряжения
применяют регуляторы возбуждения.
Работа синхронного генератора параллельно
с сетью на общую нагрузку
На
электростанциях обычно устанавливается несколько синхронных генераторов, параллельно работающих на общую электрическую
сеть. При совместной работе синхронного генератора с сетью большое значение имеют вопросы включения на параллельную работу,
регулирования активной и реактивной мощностей. Принимаем, что
напряжение сети U
и частота сети fс постоянны.
с
В момент включения генератора в сеть возможен толчок тока, который может вызвать ударные электромагнитные силы и моменты.
Для устранения этих опасных явлений ток генератора должен быть
равен нулю. Это условие выполняется при равенстве напряжения
генератора и напряжения сети U
= Uc во всех трёх фазах. Это общее
требование можно разделить на четыре частных условия:
1) фазные напряжения генератора должны быть равны фазным на-
пряжениям сети: U
= UcA, UB = UcB, UC = UcC (равенство по модулю);
A
2) вектора напряжений генератора и сети должны совпадать по фазе;
3) частота напряжений генератора и сети должны быть равны;
4) порядок чередования фаз генератора и сети должен быть оди-
наковым.
12
Процесс выполнения перечисленных условий называется синхрони-
зацией. Процесс выполнения синхронизации иллюстрируется рис. 1.8.
Рис. 1.8. Схема синхронизации генератора с сетью
Синхронизацию можно осуществить, используя вольтметр и лампы Н1–Н3. Равенство частот и фаз достигается регулировкой частоты
вращения приводного двигателя ПД. Равенство фазных напряжений
устанавливается регулировкой тока возбуждения генератора. Правильность чередования фаз обеспечивается подключением фазных
обмоток генератора к соответствующим фазам сети.
1.4. Синхронный двигатель
Принцип работы синхронного двигателя (СД)
Рассмотрим
работу синхронной машины, используя теорию асинхронной машины. Возьмем асинхронный двигатель с фазным ротором,
работающий в режиме идеального холостого хода. Скорость ротора такого двигателя равна синхронной скорости поля статора. Если приложить к валу ротора нагрузку, то скорость ротора понизится и появится
вращающий момент, который уравновесит момент нагрузки.
При
синхронной скорости вращения ротора к его обмотке через контактные кольца подключим постоянное напряжение. Под действием постоянного тока в двух последовательно соединенных фазах обмотки появится магнитный поток и на поверхности ротора образуется соответст-
13
вующие полюса. Оси полюсов статора и ротора совпадают при отсутст-
вии момента нагрузки. Электромагнитные силы, действующие на обмотке ротора, уравновешиваются и вращающий момент равен нулю.
Если к валу ротора приложить нагрузку, то полюса ротора сместятся относительно полюсов статора на угол θ, и силы их взаимодействия
образуют вращающий электромагнитный момент
М. Угол θ между
осями полюсов увеличивается до тех пор, пока вращающий момент не
уравновесит момент нагрузки, но скорость вращения ротора остается
постоянной и равной синхронной скорости поля статора.
Электромагнитный момент машины зависит от угла θ, эта зависи-
мость называется угловой характеристикой.
Уравнение угловой характеристики
Подводимая к синхронной машине мощность
может быть принята
равной электромагнитной мощности, если пренебречь потерями в
активном сопротивлении обмотки статора, т.е. R
3cos
и I1 – напряжение и ток фазы статора;
где U
1
φ
– угол между векторами тока и напряжения.
1
UI M
11 1 0
, (1.6)
эм
= 0:
1
Откуда электромагнитный момент:
3cos
UIM
11 1
эм
. (1.7)
0
Уравнение электрического равновесия для фазы статора
UE jXI
0
1
. (1.8)
1
По этому уравнению построена векторная диаграмма (рис. 1.9).
Из векторной диаграммы:
cos sin ,
IX E
11 0
(1.9)
в
тогда
3
UE
10
где Е
– фазная ЭДС, наводимая в обмотке статора магнитным полем
0
MM
эм
sin sin
X
10
max
. (1.10)
ротора.
14
Рис. 1.9. Упрощённая векторная диаграмма двигателя
Максимальный момент машины:
Вращающий
момент СД пропорционален напряжению сети и ЭДС Е0.
МX
max
3UE
10
10
. (1.11)
С увеличением нагрузки угол θ возрастает. При возрастании угла
увеличивается момент машины, но это справедливо только при θ 90
(рис. 1.10). Следовательно, часть характеристики при 0 θ 90 соответствует устойчивому режиму работы двигателя.
М
эм
Рис. 1.10. Угловая характеристика
15
При θ 90 c увеличением нагрузки момент машины уменьшает-
ся, вследствие чего машина выпадает из синхронизма – неустойчи-
вая часть характеристики.
Номинальному моменту двигателя практически соответствует
угол θ = 25 … 30. При этом перегрузочный коэффициент двигателя
= М
/ Мн = 2 … 3,5.
мах
Перегрузочную способность двигателя можно повысить путем
увеличения тока возбуждения. Это позволяет обеспечить устойчивую работу привода при значительных толчках нагрузки, а также при
колебаниях напряжения сети.
Пуск в ход синхронного двигателя
Современные синхронные двигатели имеют в роторе, кроме рабочей
обмотки, специальную короткозамкнутую пусковую обмотку, с помощью которой двигатель пускается
пусковых режимах
имеет асинхронную характеристику (рис. 1.11).
в ход как асинхронный, поэтому СД в
Рис. 1.11. Пусковая характеристика
При достижении ротором скорости, равной 0,95n0, в рабочую обмотку ротора подается постоянное напряжение,
и двигатель втягива-
ется в синхронизм.
Тормозные режимы синхронного двигателя
Синхронный двигатель может работать в режиме генератора с отдачей энергии в сеть, когда момент нагрузки на его валу меняет свое
направление, т.е. становится вращающим моментом и угол θ меняет
свой знак. Но для целей торможения такой режим практического зна
чения не имеет, так как скорость двигателя при этом не снижается.
Для быстрого останова СД применяется динамическое торможе-
ние. Для этого обмотки статора отключают от сети и замыкают на
16
-
сопротивления (рис. 1.12). В цепь ротора подается постоянное напряжение. Интенсивность торможения зависит от сопротивления в
статорной цепи и тока в роторе.
Рис. 1.12. Схема динамического торможения
Торможение СД противовключением практически не применяется.
U-образные характеристики
Зависимости тока статора от тока возбуждения при U
= const и
1
Р = const называются U-образными характеристиками.
На рис. 1.13 представлены три такие характеристики для случаев
Р = 0 (режим холостого хода) и двух значений нагрузки Р
> 0 и Р2 > Р1.
1
Минимум тока соответствует активному току, потребляемому двигателем, левые ветви – недовозбуждённому двигателю и индуктивному току, а правые ветви – перевозбуждённому двигателю и ёмкостному току.
Рис. 1.13. U-образные характеристики
Наиболее экономичным для синхронного двигателя является ре-
жим работы с cos φ = 1, так как двигатель развивает заданную меха-
17
ническую мощность при наименьшем токе статора. Обычно в эксплуатации синхронный двигатель перевозбуждают с целью повышения коэффициента мощности сети. В режиме перевозбуждения возрастает перегрузочная способность двигателя, так как уменьшается
угол (см. рис. 1.10). Однако следует учитывать, что обмотки статора рассчитаны на определённый ток по нагреву. Поэтому чем больше
загрузка двигателем активным током, тем меньше возможности использования двигателя в качестве генератора реактивной мощности.
Применение синхронных двигателей
Синхронные двигатели находят широкое применение в промышленности и на транспорте, так как имеют ряд преимуществ по сравнению с другими двигателями.
Преимущество СД состоит в том, что наличие источника постоянного
тока в цепи ротора позволяет увеличивать коэффициент
мощности всей сети. Работа СД с высоким cos φ способствует
уменьшению потребляемого тока и потерь в двигателе и, следовательно, повышению КПД машины. Вращающий момент СД пропорционален напряжению сети, в то время как у асинхронного двигателя
он зависит от квадрата напряжения сети. Поэтому при
понижении
напряжения сети СД сохраняет большую перегрузочную способность, чем асинхронный двигатель.
Однако конструкция синхронного двигателя сложнее, чем асинхронного той же мощности, и поэтому дороже. Для питания СД
нужно иметь дополнительный источник постоянного тока и запуск
этих двигателей более сложный.
Преимущества синхронных двигателей достаточно велики, при
мощностях свыше 100 кВт
их целесообразно применять в механиз-
мах, где не требуются частые остановки и пуски.
Отечественная промышленность производит трёхфазные синхронные двигатели мощностью от 20 до нескольких десятков тысяч
киловатт при частотах вращения 100…1000 об/мин в явнополюсном
исполнении и 1500, 3000 об/мин – в неявнополюсном исполнении.
1.5. Синхронные компенсаторы
Особенностью СД является возможность регулирования потребляемой из сети реактивной мощности изменением тока возбуждения.
Это свойство синхронной машины используют для компенсации
реактивной мощности других потребителей. При изменении тока
18
возбуждения вектор тока двигателя может совпадать с вектором напряжения сети, отставать от него или опережать его. В случае совпадения векторов тока и напряжения двигатель потребляет из сети
только активную мощность. Когда вектор тока двигателя опережает
вектор напряжения сети, машина отдаёт в сеть реактивную мощность. Таким образом, синхронный двигатель
выполняет также
функцию синхронного компенсатора.
19
2. МИКРОМАШИНЫ
2.1. Однофазные асинхронные двигатели
Однофазные асинхронные двигатели питаются от однофазной цепи переменного тока, но обмотка статора (ОС) может быть при
этом однофазной, двухфазной или трёхфазной. Устройство ротора
однофазного двигателя такое же, как и у трёхфазного.
Промышленность выпускает асинхронные микродвигатели мощностью от 1 Вт (серия УАД) до 400 Вт (серия АВЕ) и 600 Вт (серия АОЛБ).
Рассмотрим
на статоре (рис. 2.1).
асинхронный микродвигатель с одной обмоткой ОС
Ф
Ф
–
Ф
+
б
~U
ОС
М
Ф
а
Рис. 2.1. Однофазный асинхронный двигатель
При подключении обмотки ОС к сети переменного напряжения в
ней создаётся пульсирующее магнитное поле Ф (см. рис. 2.1, а), которое
наводит переменную ЭДС и ток в короткозамкнутой обмотке ротора.
Представим магнитное поле в виде двух магнитных полей Ф
и Ф–.
+
Амплитудные значения этих вращающихся полей одинаковы. Одно
из полей, взаимодействуя с ротором, создаёт вращающий момент М
а другое поле – момент противоположного направления М
результирующий момент М = М
– М–.
+
–
+
. Тогда
На рис. 2.2 показаны механические характеристики n(M+) и n(М–).
Механическая характеристика двигателя n(M) строится графическим
сложением двух характеристик. Из графика видно, что пусковой момент равен нулю и ротор не вращается.
Для пуска однофазного двигателя, не прибегая к дополнительной силе,
на статоре устанавливают вторую пусковую обмотку ПО, сдвинутую в
пространстве на 90 относительно первой рабочей обмотки РО (рис. 2.3).
В цепь пусковой обмотки ПО включён конденсатор С, создающий
сдвиг тока по фазе. Токи в обмотках РО и ПО образуют вращающееся магнитное поле, создающее при взаимодействии с током ротора
вращающий момент.
20
,
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]