Угловая характеристика синхронной машины
|
Mэм |
|
неявнополюсной |
|
|
Mmax |
|
синхронной машины |
|
|
Mн |
|
Генератор |
|
|
|
|
явнополюсной |
|
- |
- кр |
|
|
синхронной машины |
кр |
|
|||
|
н |
/2 |
|
|
|
|
Максимальное значение Mэм соответствует |
||
Двигатель |
|
критическому значению угла кр |
||
|
-Mmax |
При изменении нагрузки СМ, соответствующем |
||
|
углу 0 < < кр, машина работает устойчиво. |
|||
|
|
|||
При этом любой нагрузке соответствует равенство вращающего момента первичного двигателя M1 сумме противодействующих моментов, т.е.
M1 =Mэм +M0
В результате частота вращения остается неизменной, равной синхронной частоте n1.
Угловая характеристика синхронной машины
При нагрузке СМ, соответствующем углу > кр, электромагнитный
момент уменьшается, что ведет к нарушению равенства вращающего и противодействующего момента; частота вращения при этом увеличивается,
машина выходит из синхронизма. |
Mmax к |
Отношение максимального электромагнитного момента |
номинальному Mн называется перегрузочной способностью синхронной
машины Мmax
Мн
Работа синхронной машины в режиме двигателя
В режиме двигателя СМ потребляет энергию из сети и преобразует ее в механическую энергию.
Электромагнитный момент Mэм при этом является движущим, а не
тормозящим, как в режиме генератора.
Угол между осью ротора и продольной осью магнитного поля
машины становится отрицательным < 0, т.е. полюсы ротора отстают от вращающего поля.
Однако частота вращения остается постоянной, равной синхронной частоте n1.
Работа синхронной машины в режиме двигателя
Если момент нагрузки на валу будет больше Mmax, то поддерживание
синхронной частоты вращения n1 будет невозможно, и двигатель выпадет из
синхронизма:
– скорость начнет падать, возникнут недопустимые колебания тока и вращающего момента, при этом двигатель необходимо отключить от сети.
Обычно при номинальной нагрузке угол н= (20-30)0, номинальный момент Mн 0,5Mmax
|
Механическая характеристика синхронного двигателя |
n |
является абсолютно жесткой |
|
n1
Частота вращения синхронного
двигателя не зависит от момента нагрузки и равна синхронной частоте n1.
0 |
Mн |
Mmax M |
|
Пуск в ход синхронного двигателя
Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента
При неподвижном роторе за период изменения тока в статоре (0,02 с при f1=50 Гц) электромагнитный момент Mэм будет дважды менять свое направление, т.е. Mэм=0.
Ротор, обладающий определенной инерцией, не может разогнаться в течении полупериода (0,01 с) до синхронной частоты вращения n1.
Следовательно, для пуска СД необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до скорости близкой к синхронной.
Для этой цели применяют метод асинхронного пуска:
СД запускают как асинхронный, для чего снабжают ротор специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой, выполненной из латуни по типу беличьей клетки.
После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной n2
= n1(1-S), подают ток в обмотку возбуждения и ротор втягивается в синхронизм.
Пуск в ход синхронного двигателя
А |
В |
С |
Перед включением обмотки статора в сеть |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
обмотка ротора замыкается на сопротивление, а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
постоянный ток в нее не подается. |
S1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
После включения обмотки статора в сеть возникает |
||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
вращающееся магнитное поле, которое индуктирует |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
токи в пусковой обмотке. |
|
|
|
|
|
|
|
|
В результате возникает асинхронный вращающий |
|
|
|
|
|
|
|
|
момент, разгоняющий ротор до частоты вращения |
n2 = n1(1-S), близкой к синхронной.
Затем ОВ ротора отключается от сопротивления и подключается к источнику постоянного тока.
|
|
|
|
|
|
|
При этом возникает обычный для синхронной |
||
|
|
|
|
|
|
|
машины момент взаимодействия вращающегося |
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
S2 |
поля статора и полюсов ротора и СД втягивается |
||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
в синхронизм. |
|||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
При вращении ротора с частотой n1 токи в пуско- |
||
|
|
|
|
|
|
|
вой обмотке не наводятся и она не участвует в |
||
|
|
+ |
|
||||||
|
|
работе машины. |
|
|
|||||
Пускать СД с разомкнутой ОВ нельзя, т.к. при S=1 и значительном числе
витков в ОВ в ней наводится ЭДС, которая может достигать больших значений, что может вызвать пробой изоляции.
Потери энергии и КПД синхронных машин
Потери энергии P : основные и добавочные.
Основные потери: электрические, магнитные, механические.
1)Электрические потери возникают при протекании электрического тока по обмоткам статора и ротора и приводят к их нагреву
2)Магнитные потери: Pм Pгист Pв.т. - потери на гистерезис и вихревые токи имеют место только в сердечнике статора при его перемагничивании.
Ротор вращается синхронно с магнитным полем и не перемагничивается.
3) Механические потери Pмех - потери на преодоление сил трения в подшип- никах, в скользящем контакте и сил трения вращающихся частей о воздух, т.е. вентиляционные потери.
Добавочные потери Pдоб - включают в себя все виды трудноучитываемых потерь, вызванных пульсациями магнитного поля, действием высших гармоник, вихревыми токами в ряде частей машины и другими причинами.
Коэффициент полезного действия |
|
г 1 |
P |
. |
|
|||
для синхронного генератора |
|
P1ном P |
|
|||||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где P1 |
m1U1 |
I1 |
cos 1 |
- активная мощность на нагрузке. |
||||
ном |
ном |
ном |
|
|
|
|
|
|
Потери энергии и КПД синхронных машин
Коэффициент полезного действия |
г |
1 |
P |
. |
|
для синхронного двигателя |
P1 |
||||
|
|
|
|||
|
|
|
ном |
|
|
|
|
|
|
|
где P1ном - активная мощность потребляемая синхронным двигателем из сети.
Коэффициент полезного действия синхронной машины зависит как от
величины нагрузки (коэффициента нагрузки ), так и от ее характера (cos 1)
max |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos 1=1 |
У синхронных машин с P <100 кВт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ном |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos 1<1 |
max= (80÷90)%. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
У синхронных машин с Pном>100 кВт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
max= (90÷99)%.
0,6÷0,8
Параллельная работа синхронных машин
Включение синхронных генераторов на параллельную работу
-На каждой электростанции установлено несколько генераторов, которые включаются параллельно на одну сеть.
-В современных энергосистемах на общую сеть работают целый ряд электростанций.
Благодаря такой параллельной работе нескольких СГ достигается
-большая надежность энергоснабжения,
-снижение мощности аварийного резерва и т.д.
Все параллельно работающие синхронные генераторы должны отдавать
в сеть ток одинаковой частоты f. Следовательно их частоты вращения должны быть обратно пропорциональны числу пар полюсов:
n 60f |
, n |
2 |
60f , n |
3 |
60f |
и т. д. |
|
1 |
p1 |
|
p2 |
p3 |
|
||
|
|
|
|
|
|||
если p1 = p2 = p3, |
|
то и n1 = n2 = n3 |
|
||||
Условие синхронизации:
Чтобы избежать при включении СГ на параллельную работу с сетью
чрезмерно большого броска тока и возникновения ударных электро- магнитных моментов необходимо отрегулировать режим работы СГ на
холостом ходу перед его включением.
Параллельная работа синхронных машин
Совокупность этих подготовительных операций называют синхронизацией генератора.
Идеальные условия включения:
1) напряжение включаемого генератора Uг должно быть равно напряжению
сети Uс;
2) частота генератора fг должна равняться частоте сети fс;
3) чередование фаз генератора и сети должно быть одинаково;
4) напряжения генератора Uг и сети Uс должны совпадать по фазе.
|
|
|
|
|
При этом векторы напряжений генератора и сети |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
UcА |
|
UгА |
|
|
совпадают и вращаются с одинаковой скоростью: |
|||||||||
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
UгА |
UсА 0, |
|
UгВ |
UсВ 0, |
|
UгС |
UсС |
|
|||
|
|
с |
г |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
UcС |
|
|
|
|
Неправильная синхронизация может привести |
|||||||||
|
|
Uг |
В |
к серьезной аварии: |
|
|
|
|
|
|
||||
|
UcВ |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
UгС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если напряжения генератора Uг и сети Uс в момент включения находятся в |
||||||||||||||
противофазе, то это эквивалентно КЗ при удвоенном напряжении |
и при |
|||||||||||||
включении ток достигает 2Iкз, возникают ударные электромагнитные силы и
моменты.
Параллельная работа синхронных машин
Синхронные режимы параллельной работы синхронных машин
Предположим, что сеть имеет бесконечную мощность, Uс = const и fс = const.
Тогда напряжение параллельно работающего генера- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тора Uг = Uс и если СГ – неявнополюсная машина, |
I |
|
Е |
Uс |
|
U , |
|
|
|||||
то пренебрегая rя получим |
|
|
jxd |
|
jxd |
|
|
|
|
|
|
|
|
1) Изменение реактивной мощности. Режим синхронного компенсатора
а) Если условия синхронизации выполнены и СГ включен на параллельную
|
|
и , следовательно, I = 0 и машина не принимает |
работу с сетью, то Е Uс |
||
никакой нагрузки. |
|
|
E 
U 
Uс
900
|
б) Если после синхронизации увеличить ток возбуждения у |
||||||||
|
СГ (перевозбудить машину), то |
Е |
U |
и, следовательно, |
|||||
|
возникает ток, отстающий от |
U |
и от |
Е |
Uс |
на 900. |
|||
|
|
|
с и |
|
|||||
|
|
|
|
||||||
I |
Машина будет отдавать в сеть индуктивный ток |
||||||||
и реактивную мощность |
|
|
|
|
|
|
|
||