Угловые характеристики синхронного двигателя

Синхронная машина обратима, т.е. можно работу синхронного генератора перевести в режим двигателя. При этом угол θ (для генератора его считают положительным) изменит свой знак. Выражения электромагнитной мощности и момента для синхронного двигателя аналогичны генератору. Запишем для неявнополюсной машины:

На рис. 307 представлены угловые характеристики неявнополюсной машины режима генератора и двигателя.

Рис. 307

У генератора ось индуктора опережает ось потока Фδ. Если разгрузить генератор до θ=0, напряжение генератора уравновешено ЭДС генератора и ток статора I равен нулю. Если теперь нагрузить машину внешней нагрузкой, то машина перейдет в двигательный режим. При этом, электромагнитный момент будет движущим, а момент тормозной – М_В – момент на валу.

Результирующий поток Фδ будет тянуть за собой индуктор. Угол θ будет отрицательным. Двигатель будет работать устойчиво в диапазоне угла θ=0÷90^о.

5-9-2. Режим работы синхронного двигателя при постоянном моменте и переменном токе возбуждения

M=const, iв=var. Для анализа этого режима синхронного двигателя воспользуемся упрощенной диаграммой для неявнополюсной машины. Используя только верхнюю ее часть и вектор напряжения сети Uc, расположим горизонтально, рис. 308.

Рис. 308

Режим работы соответствует постоянству момента.

при

постоянство момента получается при E₀sinθ=const, а следовательно -E₀sinθ=const, поэтому, при изменении возбуждения, конец вектора –Е₀ будет передвигаться по прямой θq параллельно вектору Uc, т.к.

ab=E₀¹sinθ=const. Мощность также постоянная:

P=mUcIcosφ=const при mUc=const, P=const при Icosφ=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 φ. Вектор тока I перпендикулярен продолжению вектора jIXc. Реактивная составляющая тока I_L 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 и 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 cosφ=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 φ¹. Этот режим соответствует перевозбужденному режиму. Реактивная составляющая тока будет емкостной (опережает вектор Uc на 90⁰). Этот режим будет соответствовать отдаче реактивной мощности в сеть. Этот режим аналогичен включению статических емкостей в сеть.

И так видим, что если изменять ток возбуждения iB, то величина тока статора I будет изменяться по величине и по фазе, т.е. можно регулировать cosφ. Это ценное свойство и определяет использование синхронных двигателей. Выпускаются СД обычно с опережающим cosφ=0.8. Зависимости тока статора I от тока возбуждения iв, I=f(iв) называются U-образные характеристики, рис. 309.

Р₂ > Р₁. Характеристики снимаются при P=const. Режим работы соответствующий току возбуждения от 0 до пунктирной линии недовозбужденный, а за пунктирной линией – перевозбужденный с отдачей реактивной энергии в сеть. Минимум тока статора соответствует cosφ=1. Посмотрим на примере, как улучшается cosφ установки при использовании перевозбужденного синхронного двигателя, рис. 310.

П редприятие без СД имеет в векторной форме Uc,I и угол φ, где ток I_L – индуктивный ток, потребляемый из сети. Если теперь использовать СД в перевозбужденном режиме, получим емкостной ток Ic, который скомпенсирует частично ток I_L. Результирующий реактивный ток уменьшится, а это приведет к уменьшению тока до I¹, угол φ¹ уменьшится, т.е. возрастет cosφ. Из этого примера видим, что используя на предприятиях СД в перевозбужденном режиме, улучшается cosφ установки и уменьшаются потери в сети.

ток , cosφ = Ia/I

Для улучшения энергетических показателей в энергосистемах большой мощности используются синхронные компенсаторы. Эти машины устанавливаются в конце высоковольтных линий и служат генераторами реактивной мощности. Поэтому синхронные компенсаторы работают в

п еревозбужденном 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. 311.

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, трансформаторах и ЛЭП.

5-9-3. Пуск синхронного двигателя

Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока, электромагнитный момент будет дважды изменять свое направление, т.е. средний момент за период равняется нулю. При этих условиях двигатель не сможет прийти во вращение, т.к. его ротор обладающий определенной инерцией, не может быть в течении одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

В виду отсутствия пускового момента в синхронном двигателе для пуска его используют следующие способы:

Пуск с помощью вспомогательного двигателя.

Асинхронный пуск двигателя.

Пуск с помощью вспомогательного двигателя.

Пуск в ход синхронного двигателя с помощью вспомогательного двигателя может быть произведен только без механической нагрузки на его валу, т.е. практически вхолостую. В этом случае на период пуска двигатель временно превращается в синхронный генератор, ротор которого приводится во вращение небольшим вспомогательным двигателем до n=0,95n₁. Статор этого генератора включается параллельно в сеть с соблюдением всех необходимых условий этого соединения. После включения статора в сеть, с небольшой выдержкой, включают обмотку возбуждения, и двигатель втягивается в синхронизм, а вспомогательный приводной двигатель механически отключается. Этот способ пуска сложен и имеет к тому же вспомогательный двигатель.

Асинхронный пуск двигателя.

Наиболее распространенным способом пуска синхронных двигателей является асинхронный пуск, при котором синхронный двигатель на время пуска превращается в асинхронный. Для возможности образования асинхронного пускового момента в пазах полюсных наконечников явнополюсного двигателя помещается пусковая короткозамкнутая обмотка. Эта обмотка состоит из латунных стержней, вставленных в пазы полюсных наконечников и соединяемых накоротко с обоих торцов медными кольцами.

При пуске в ход двигателя обмотка статора включается в сеть переменного тока. Обмотка возбуждения (3) на период пуска замыкается на некоторое сопротивление Rг, рис. 312, ключ К находится в положении 2, сопротивление Rг = (8-10)Rв. В начальный момент пуска при S=1, из-за большого числа витков обмотки возбуждения, вращающее магнитное поле статора наведет в обмотке возбуждения ЭДС Ев, которая может достигнуть весьма большого значения и если при пуске не включить обмотку возбуждения на сопротивление Rг произойдет пробой изоляции.

Процесс пуска синхронного двигателя осуществляется в два этапа. При включении обмотки статора (1) в сеть в двигателе образуется вращающее поле, которое наведет в короткозамкнутой обмотке ротора (2) ЭДС. Под действием, которой будет протекать в стержнях ток. В результате взаимодействия вращающего магнитного поля с током в коротко замкнутой обмотке создается вращающий момент, как у асинхронного двигателя. За счет этого момента ротор разгоняется до скольжения близкого к нулю (S=0,05), рис. 313. На этом заканчивается первый этап.

Чтобы ротор двигателя втянулся в синхронизм, необходимо создать в нем магнитное поле включением в обмотку возбуждения (3) постоянного тока (переключив ключ К в положение 1). Так как ротор разогнан до скорости близкой к синхронной, то относительная скорость поля статора и ротора небольшая. Полюса плавно будут находить друг на друга. И после ряда проскальзываний, противоположные полюса притянутся, и ротор втянется в синхронизм. После чего ротор будет вращаться с синхронной скоростью, и частота вращения его будет постоянной, рис. 313. На этом заканчивается второй этап пуска.