4.13.3. Режим работы синхронного двигателя при постоянном моменте и переменном токе возбуждения

M=const, ib=var. Для анализа этого режима синхронного двигателя воспользуемся упрощенной диаграммой для неявнополюсной машины (рис. 39). Используя только верхнюю ее часть и вектор напряжения сети Uc расположим горизонтально.

Рис. 41.

Режим работы соответствует постоянству момента.

M = mUcE₀sinQ = const при mUc = const,

wXc wXc

постоянство момента получается при E₀sinQ=const, а следовательно -E₀sinQ=const, поэтому, при изменении возбуждения, конец вектора –Е₀ будет передвигаться по прямой Qq параллельно вектору Uc, т.к.

ab=E₀¹sinQ=const. Мощность также постоянная:

P=mUcIcosf=const при mUc=const, P=const при Icosf=Ia=const, т.е. активная составляющая тока будет постоянной и конец вектора тока I, при изменении тока возбуждения, будет перемещаться по прямой MN.

При недовозбужденном синхронном двигателе составляющей напряжения -Е₀ соответствует ток I, который отстает от напряжения Uc на угол f. Вектор тока I перпендикулярен продолжению вектора iIXc. Реактивная составляющая тока I будет отставать на 90⁰ от вектора напряжения Uc, т.е. этот ток чисто индуктивный. Значит при недовозбуждении двигатель будет потреблять из сети индуктивный ток, а следовательно будет потреблять из сети реактивную мощность.

При увеличении возбуждения величина –Е₀¹ увеличится, а ток I уменьшится до Ia=I¹ и будет минимальным. При этом режиме СД будет работать с cosf=1 и реактивная мощность не будет ни потребляться ни отдаваться в сеть. При дальнейшем увеличении тока возбуждения составляющая напряжения будет равна –Е₀¹¹, а ток I¹¹ , будет опережать вектор напряжения сети на угол f¹. Этот режим соответствует перевозбужденному режиму. Реактивная составляющая тока будет емкостной (опережает вектор pUc на 90⁰). Этот режим будет соответствовать отдаче реактивной мощности в сеть. Этот режим аналогичен включению статических емкостей в сеть.

Итак видим, что если изменять ток возбуждения ib, то величина тока статора I будет изменяться по величине и по фазе, т.е. можно регулировать cosf. Это ценное свойство и определяет использование синхронных двигателей. Выпускаются СД обычно с опережающим cosf=0.8. Зависимости тока статора I от тока возбуждения ib, I=A(ib) называются U-образные характеристики, рис. 42.

Рис. 42.

Р₂ > Р₁. Характеристики снимаются при P=const. Режим работы соответствующий току возбуждения оси О до пунктирной линии недовозбужденный, а за пунктирной линией – перевозбужденный с отдачей реактивной энергии в сеть. Минимум тока статора соответствует cosf=1. Посмотрим на примере, как улучшается cosf установки при использовании перевозбужденного синхронного двигателя, рис. 43.

Рис. 43.

Предприятие без СД имеет в векторной формеUc,I и угол f, где ток Il – индуктивный ток потребляемый из сети. Если теперь использовать СД в перевозбужденном режиме, получим емкостной ток Ic, который скомпенсирует частично ток Il. Результирующий реактивный ток уменьшится, а это приведет к уменьшению тока до I¹, угол f¹ уменьшится, т.е. возрастет cosf. Из этого примера видим, что используя на предприятиях СД в перевозбужденном режиме, улучшает cosf установки и уменьшает потери в сети.

ток I = \/Ia²+(Il-Ic)² , cosf = Ia/I

Для улучшения энергетических показателей в энергосистемах большой мощности используются синхронные компенсаторы. Эти машины устанавливаются в конце высоковольтных линий и служат генераторами большой мощности. Поэтому синхронные компенсаторы, как правило, работают в перевозбужденном режиме без нагрузки, т.е. в режиме холостого хода. Конструктивно, они не имеют наружного выхода вала. Воздушный зазор делается меньше, чем у генераторов, это приводит к уменьшению числа витков обмотки возбуждения. Мощность СК составляет 100-300 МВА. Идея работы СК с сетью показана на рис. 44.

Рис. 44.

Синхронный генератор вырабатывает активную и реактивную мощность, которая передается через трансформаторы и линию электропередачи предприятиям. Если установить в узле нагрузки А синхронный компенсатор в режиме перевозбуждения, то он на месте будет вырабатывать значительную часть реактивной мощности и отдавать ее потребителям предприятий разгрузив синхронный генератор и линию электропередач в значительной части от реактивной мощности. Это приведет к уменьшению общего тока ЛЭП, уменьшатся потери в СГ, тр-рах и ЛЭП.