Векторные диаграммы

Основные комплексные уравнения для синхронных машин:

- для неявнополюсных

- для явнополюсных

Для СД в эти уравнения подставляем вместо, т.к. термин «напряжение двигателей» не употребляется

- Построение начинаем с изображения вектора и. Затем строим вектор, активная составляющая которого совпадает с направлением вектораи определяем вектор.(Рис. А)

- Для явнополюсной машины (Рис. Б) сначала определяем направление вектора прибавив квспомогательный вектор (ВД для СГ мы заменяем эквивалентной неявнополюсной машиной у которой синхронная индукция сопротивления по обеим осям равна явнополюсной машины, следовательно, у этой машиныимеет эквивалентнуюу которой θ=const).

Рис. А Рис.Б

Работа СД при неизменном токе возбуждения.

Для определения свойств СД, рассмотрим его работу при изменении нагрузочного момента М_ВН и постоянном токе возбуждения. Для простоты пользуемся векторной диаграммой неявнополюсной машины.

Допустим, двигатель работает при Cosφ=1, чему на векторной диаграмме соответствует и θ₁.

С увеличением нагрузки увеличивается угол между идо значения θ₂, т.к. вращающийся момент М= М_ВН пропорционален . При этом конецперемещается по окружностиR=E₀ и при этих условиях (I_B – const, E₀– const, U_c– const) вектор тока так же поворачивается вокруг точки О, располагаясь перпендикулярно вектору. Токдвигателя имеетотстающую реактивную составляющую.

Если нагрузка двигателя уменьшается, то угол уменьшается с θ до θ₃. При этом ток двигателя имеетопережающую реактивную составляющую.

Изменение активной мощности СД приводит к изменению его Cosφ - при уменьшении нагрузки вектор тока поворачивается в сторону опережения и двигатель может работать с Cosφ=1 или с опережающим током; при повышении нагрузки вектор тока поворачивается в сторону отставания.

Работа СД с неизменным моментом.

Если при неизменной активной мощности изменять I_B, то будет изменяться только реактивная мощность, т.е. величина Cosφ. Векторная диаграмма для этого случая выглядит следующим образом:

Если двигатель работает при Cosφ =1, то этому режиму соответствует и некоторый угол θ₁.

- При уменьшении I_B ЭДС Е_о снижается до Е₀₂. Т.к. активная мощность остается неизменной из условий получим, что, следовательно, конец векторапри изменении тока возбуждения перемещается по прямойВС параллельной вектору U_c и проходящей через конец , следовательно, угол θ₂ > θ₁.

Аналогично строим диаграмму при увеличении I_B. Вектор возрастает дои θ₃<θ₁. Вектор поворачивается вокруг точки А и соответственно ему изменяет направление вектор тока, перпендикулярный вектору -, при этом из условия равенства активных мощностейконец вектораперемещается по прямойДЕ перпендикулярной вектору .

По этой диаграмме можно построить U-образные характеристики для двигателя . Они имеют тот же вид, что и для генераторов с отличием в том, что угол сдвига фаз φ отсчитывают от.

При перевозбуждении СД по отношению к сети является емкостью, т.е. отдает в сеть реактивную мощность, реакция якоря в СД - подмагничивающая.

Недовозбужденный двигатель потребляет из сети реактивную мощность, являясь по отношению к сети индуктивностью. Реакция якоря при перевозбуждении – размагничивающая.

На угловой характеристике область двигательного режима находится в зоне отрицательных углов θ.

Устойчивой частью угловой характеристики в двигательном режиме является область от 0 до -90⁰. Номинальный момент, соответствующий θ_ном, находится в области 20-30⁰. Двигатель с неявнополюсным ротором имеет максимум момента при θ = -90⁰.

Максимальный момент зависит от размера воздушного зазора двигателя. Чем больше зазор, тем меньше x_d и больше М_{эм max}. Но при большом зазоре растут габариты машины.

Предел устойчивости k_п = М_{эм max}/M_{эм ном}. Удельный синхронизирующий момент, как и в генераторном режиме, максимален при θ=0 и равен нулю при θ=90⁰.

Важное значение для исследования процессов преобразования энергии в СД имеют рабочие характеристики СД. Они представляют собой зависимости тока якоря ; электромощности Р₁, поступающей в обмотку якоря; КПД и Cosφ от отдаваемой механической мощности Р₂ при U_с-const, f_с-const, I_B-const.

Обычно эти характеристики строятся в относительных единицах.

С ростом нагрузки на валу двигателя увеличивается момент и ток в якоре, сначала по линейному закону, а затем, из-за изменения параметров – по нелинейному закону. Если не изменяется I_в, Cos φ может падать, расти или иметь максимум. Это зависит от значения I_в и может быть прослежено по U-образным характеристикам: при увеличении Р₂ – переходе с одной U-образной характеристики не другую Cos φ изменяется, так как из-за внутреннего падения напряжения кривая Cosφ=1 смещается в область больших нагрузок. При изменении I_в можно получить постоянное значение Cosφ при разных Р₂ .

Т.к. - частота вращения постоянна, то зависимости,не приводятся, т.к. М вращающий момент пропорционален Р₂. Зависимость имеет характер близкий к линейному.

Кривая - такая же, как и для всех электрических машин.

СД имеют предельно жесткие механические характеристики.

Синхронные двигатели могут работать и с Cosφ=1, но обычно рассчитывают их на работу при номинальной нагрузке с опережающим током и Cosφ=0,8..0,9. В этом случае улучшается суммарный Cosφ сети, от которой питаются синхронные двигатели, т.к. создаваемая ими опережающая реактивная составляющая компенсирует отстающую реактивную составляющую тока асинхронного двигателя. ЗависимостьCosφ=f (P₂) при работе машины с перевозбуждением имеет максимум в Р₂>Р_ном. При уменьшении Р₂ – значение Cosφ уменьшается, а отдавая в сеть реактивная мощность возрастает.

Достоинства:

1. возможность работать с Cosφ=1 (следовательно, улучшается Cosφ сети, уменьшаются размеры ДВ). При работе с опережающим током они служат генераторами реактивной мощности, поступающей в АД, что снижает потребление этой мощности от генераторов электростанций;

2. меньшая чувствительность к колебаниям напряжения, т.к. , а неU² как у асинхронного;

3. постоянство частоты вращения, независимо от механической нагрузки на валу.

Недостатки:

1. сложность конструкции;

2. сложность пуска и плохие пусковые свойства;

3. трудность регулирования частоты вращения, которое возможно только путем изменения частоты питающего напряжения.

Недостатки делают невыгодным использование СД до 100 кВт. При более высоких мощностях, для улучшения Cosφ и уменьшения габаритных размеров, СД лучше АД.

Синхронный компенсатор

СК представляет собой СМ, предназначенную для генерирования реактивной мощности. СК включают в электрическую систему с целью повышения ее коэффициента мощности.

Принцип действия СК заключается в том, что реактивную мощность, необходимую для работы некоторых потребителей, вырабатывает не СГ электростанции, а СК, установленный близко непосредственно у потребителя.

К потребителям реактивной мощности относятся асинхронные двигатели.

СК представляет собой СД, работающий в режиме холостого хода (Р₂=0), т.е. без нагрузки на валу. При этом он вырабатывает реактивную мощность для потребителя.

Благодаря этому реактивная мощность в синхронном генераторе и сети доведена до минимума, что способствует повышению экономических показателей всей электрической системы.

Мощность СК, необходимая для повышения коэффициента мощности на каком–либо участке электрической системы от значения Cosφ₁ до значения Cosφ₁^/ приближенно можно рассчитать

,

где S- полная мощность на данном участке электросистемы, кВА.

Обычно Cosφ повышают до значений 0,92 -0,95, так как экономия от повышения до бОльших значений не оправдывается значительными расходами.

Обычно СК работает с перевозбуждением, потребляя из сети опережающий ток, как конденсатор (иногда его называют Синхронный конденсатор).

Иногда СК работает с недовозбуждением. Это необходимо, если ток в электросистеме содержит значительную емкостную составляющую, которая не компенсируется индуктивной составляющей тока, создаваемой потребителями на данном участке.

СК применяют так же для регулирования напряжения в конце и в промежуточных точках линии электропередачи (для стабилизации напряжения в сети).

При больших индуктивных нагрузках напряжение в конце линии (у потребителей) оказывается намного меньше, чем вначале линии; при малых нагрузках наоборот, под влиянием емкостных сопротивлений линии элпередачи напряжение в конце линии может даже повышаться по сравнению с напряжением вначале. Если же у потребителя включить СК, работающий при больших нагрузках с перевозбуждением, а при малых – с недовозбуждением, то в конце линии позволит поддерживать напряжение неизменным.

Достигается это путем регулирования тока возбуждения СК, что приводит к изменению реактивной составляющей тока линии электропередачи.

Наиболее важными характеристиками СК являются U-образные, определяющие основные параметры компенсатора, значения токов в обмотке статора и в обмотке возбуждения. СК не несет активной нагрузки и работает при значении угла θ=0⁰, что обеспечивает ему большую перегрузочную способность.

Пуск СД

Принципиальных отличий в конструкции СД по сравнению с СГ нет. По сравнению с двигателями другого принципа действия (асинхронных и коллекторных СД имеют два существенных отличия: их механическая характеристика абсолютно жесткая, т.е. при изменениях нагрузочного момента на валу СД в пределах допустимого значения его частота вращения остается неизменно равной частоте синхронной n₁.

СД долгое время находили применение редко, вследствие затруднений, связанных с пуском их в ход. СД не имеет начального пускового момента.

Пуск СД может быть частотным, при помощи разгонного двигателя или СД могут включаться на полное напряжение сети (асинхронный пуск).

Разгонный пуск

Электромагнитный вращающий момент М_эм будет все время направлен в одну сторону только при синхронной скорости вращения ротора. Если же двигатель подключить к сети переменного тока, когда его ротор неподвижен, а в обмотке возбуждения имеется постоянный ток, то электромагнитный момент, получающийся от взаимодействия неподвижного поля полюсов и перемещающихся с синхронной скоростью по окружности статора токов, будет в течение периода дважды менять свое направление, т.е. М_средн за период равен нулю (ЕХ: над северным полюсом ротора будут иметь место токи то одного направления, то спустя полпериода, другого направления). Двигатель не придет во вращение, так как электромагнитный момент не сможет в течение полпериода разогнать ротор до синхронной скорости из-за его инерции.

Следовательно, для того, чтобы электромагнитный вращающий момент в синхронном двигателе был направлен все время в одну сторону, необходимо до подключения СД к сети разогнать его ротор с помощью внешнего момента (другим двигателем) до частоты вращения, близкой к синхронной. После этого, с помощью синхроноскопа подключают к сети. Т.е. как и СГ.

Пуск СД с помощью постороннего двигателя, называемого разгонным или пусковым, имеет ряд крупных недостатков. Мощность для разгонного двигателя составляет 5-15% от мощности СД, и притом только при небольших нагрузках. Т.е. установка громоздкая и неэкономичная. Применяется редко, в основном для СК.

Метод асинхронного пуска – СД пускается как АД. Для этого его ротор должен быть снабжен специальной пусковой короткозамкнутой обмоткой, по типу «беличья клетка», выполненной из латуни (чтобы повысить сопротивление стержней). Стержни пусковой обмотки закладываются в пазы полюсных наконечников и соединяются торцевыми пластинами, образующими короткозамкнутые кольца. Вместо пусковой клетки иногда используются массивные полюсные наконечники, которые на торцах тоже должны быть соединены пластинами.

При включении 3-фазной обмотки статора в сеть образуется вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с током I_п в пусковой обмотке, создает электромагнитные силы F, вращающий момент и разгоняет ротор. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной (;s ≈ 0,05), постоянный ток обмотки возбуждения создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм. Чем ниже нагрузка на валу двигателя, тем легче его вхождение в синхронизм.

Осуществляют пуск по следующей схеме: обмотку возбуждения сначала замыкают на гасящий резистор R_Доб в 8 - 12 раз больше R_ОВ. После разгона ротора до синхронной частоты вращения обмотку возбуждения отключают от гасящего резистора и подключают к источнику постоянного тока (возбудителю), и ротор втягивается в синхронизм.

1- обмотка возбуждения, 2- пусковая обмотка («беличья клетка»), 3- ротор, 4- обмотка якоря, 5- резистор, 6 – ГПТ (возбудитель), 7- кольца и щетки

Запустить двигатель с разомкнутой ОВ нельзя, т.к. во время разгона ротора при S>0 в ней вращающимся магнитным полем индуцируется ЭДС

,

где - частота изменения тока в обмотке возбуждения;

w_B - число витков обмотки возбуждения,

Ф_m - амплитуда магнитного вращающегося поля.

В начальный момент времени пуска при S=1 из-за большого числа витков ОВ Е_B может достигать больших значений и вызвать пробой изоляции.

Существует более простая схема пуска СД: ОВ постоянно подключена к возбудителю (поэтому ОВ можно считать замкнутой накоротко). С уменьшением скольжения до S=0,3…0,4 возбудитель возбуждается и в обмотку возбуждения подается постоянный ток, обеспечивающий при S = 0,05 втягивание в синхронизм. Эта схема работает не всегда, т.к. имеет худшие пусковые характеристики, чем первая. Причина ухудшения пусковых характеристик – одноосный эффект – влияние тока, индуцируемого в обмотке возбуждения при пуске, на характеристику пускового момента.

Одноосный эффект – явление одноосного включения.

При асинхронном пуске СД в ОВ индуцируется ЭДС с частотой и по обмотке проходит переменный ток, создающий пульсирующее магнитное поле (ОВ является однофазной обмоткой переменного тока). Пульсирующее магнитное поле можно разложить на 2 составляющие прямое и обратное вращающиеся магнитные поля ротора, которые характеризуется потоками Ф_пр и Ф_обр.

Частота вращения каждого из них относительно ротора:

• Прямое поле вращается синхронно с полем статора , следовательно, образуемый этим полем электромагнитный момент М_пр, изменяется в зависимости от скольжения, как в АД (кривая 2).

• Обратное поле ротора вращается относительно статора с частотой . При частотах вращения(S>0.5) обратное поле перемещается относительно статора в противоположную сторону относительно вращения ротора;

При - поле неподвижно относительно статора;

При (S<0.5) оно перемещается однонаправлено с ротором.

В обмотке статора обратным полем индуцируется ЭДС, при этом в ней проходит ток, который при взаимодействии с обратным полем ротора создает электромагнитный момент М_обр. Т.к. направление момента зависит от направления вращения поля , относительно статора, то М_обр - знакопеременная величина и изменяет направление при S=0,5 (кривая 3).

Таким образом, ток I, индуцируемый в ОВ при пуске двигателя создает электромагнитный момент, который при частоте вращения <0.5n₁ является ускоряющим, а при >0.5n₁ - тормозящим.

• На роторе размещена пусковая обмотка, которая уменьшает обратное магнитное поле и создаваемый им момент М_обр. Этот момент, складываясь с асинхронным моментом пусковой обмотки (кривая 1), создает в кривой результирующей пускового момента провал при n₂=0.5 (кривая 4). Этот провал больше, чем больше I_OB. Это ухудшает пусковые свойства СД.

Прямое включение допускается, если мощность сети достаточно велика и для нее допустимы большие пусковые токи, которые увеличиваются в 5÷6 раз от номинальных.

Следовательно, включение гасящего сопротивления в цепь обмотки возбуждения на период пуска уменьшает ток в этой обмотке и улучшает форму кривой пускового момента.

Если необходимо уменьшить пусковые токи, то пуск производится при пониженном напряжении, как в мощных АД с короткозамкнутым ротором.

Так же применяется пуск при переключении обмотки статора со Y на Δ, что дает уменьшение фазного напряжения при пуске в √3 раз, линейного тока ≈ в 3 раза. Чаще для понижения напряжения используется автотрансформатор или реактор (реактивная катушка).

Регулирование частоты вращения СД.

Частота вращения СД , следовательно, ее можно регулировать изменением частоты питающего напряжения или числом пар полюсов 2р.

Регулировать изменением числа полюсов неудобно, т.к. в отличие от АМ необходимо изменять число полюсов на статоре и на роторе, что усложняет конструкцию ротора.

Для СД, применяемых в электроприводах с большим моментом инерции приводного механизма, необходимо очень плавно изменять частоту питающего напряжения f₁, чтобы двигатель не выпал из синхронизма.

Особенно сложен пуск двигателя, когда начальная частота α составляет доли Герца, а затем повышается до максимального значения. В этих случаях используют метод частотного регулирования с самосинхронизацией, при котором двигатель не может выпасть из синхронизма.

Вентильный двигатель. Принцип такого регулирования: управление преобразователем частоты осуществляется от системы датчиков положения

ротора, и напряжение подается на каждую фазу двигателя при углах нагрузки θ<90⁰. В этом случае автоматически обеспечивается условие устойчивой работы двигателя и его перегрузочная способность.

СД, регулируемые путем изменения частоты с самосинхронизацией называют вентильными двигателями или бесколлекторными двигателями постоянного тока. Но эти двигатели могут получать питание от сети и переменного и постоянного тока. При питании ВД от постоянного тока в преобразователе частоты применяются транзисторы и тиристоры с узлами принудительной коммутации.

При питании ВД от транзисторного преобразователя частоты, преобразователь подключен к источнику постоянного тока и формирует 3-фазное напряжение изменяющей частоты, которого подается на фазы А, В, С обмотки якоря двигателя к каждой фазе можно подвести (+) и (-) напряжение.

Таким образом, изменяя частоту переключения транзисторов изменяется частота переменного напряжение, подав на фазы обмотки якоря, а следовательно и частота вращения ротора.

Для замыкания реактивной составляющей тока якоря в преобразователе имеются диоды, включенные параллельно транзисторам, в обратном направлении.