Zagryadtskiy_elektr_mashiny_3

турбины остается постоянной, генератор начинает разгоняться и может выпасть из синхронизма. С целью недопущения аварийной ситуации при этом используется так называемый режим форсировки возбуждения, связанный с увеличением тока возбуждения. С ростом тока возбуждения увеличивается ЭДС генератора и, следовательно, запас электромагнитной мощности. Это приводит к уравновешиванию моментов турбины и генератора.

Если в генераторе произошли внутренние короткие замыкания, то их отрицательное воздействие на обмотки генератора можно устранить только путем уменьшения тока возбуждения. Обмотка возбуждения постоянного тока содержит много витков и при ее разрыве в ней может появиться большая наведенная ЭДС, которая может вызвать пробой изоляции. Поэтому обмотку возбуждения замыкают на сопротивление гашения такой величины, при котором перенапряжения в обмотке возбуждения были допустимой величины. Обычно сопротивление гашения в 3…5 раз больше сопротивления обмотки возбуждения.

Кроме сказанного современные цифровые системы управления позволяют упростить функции управления, диагностики и защиты, вести регистрацию аварийных процессов, обеспечить быстрейший доступ к информации о текущем состоянии системы; минимизировать размеры системы управления.

Отметим некоторые, применяемые на практике, системы возбуждения:

- статическая система возбуждения включает в себя только статические источники энергии и статические вентильные выпрямители, она применяется не только для генераторов и двигателей небольшой мощности, но и для крупных синхронных машин предельных мощностей;

-бесщеточная система возбуждения осуществляет передачу энергии от возбудителя к обмотке синхронной машины без посредства скользящего щеточного контакта; она содержит возбудитель, который обеспечивает всю энергию возбуждения за счет использования энергии самой возбуждаемой синхронной машины;

-цифровые системы управления возбуждением и т.д.

70

Статическая система возбуждения может быть выполнена как по схеме независимого возбуждения, так и с самовозбуждением. При небольшой мощности синхронных генераторов используется явление самовозбуждения. Принципиальная схема генератора с самовозбуждением приведена на рис. 1.47. При вращении ротора, за счет остаточного намагничивания, в обмотке статора индуктируется ЭДС. Под действием включенного в обмотку статора трансформатора совместно с выпрямителем переменный ток преобразуется в постоянный, который протекает через обмотку возбуждения.

В генераторе происходит усиление магнитного поля до величины, обеспечивающей на зажимах статорной обмотки номинальную ЭДС. Независимая система возбуждения осуществляется за счет возбудителя, который может быть жестко связанным с валом генератора. Возбудитель может также приводится во вращение от двигателя, получающего

питание от шин собственных нужд электростанции или вспомогательного генератора. В последнее время все шире начинают использоваться бесщеточные системы возбуждения.

На рис. 1.48 приведен один из возможных вариантов структурной схемы бесщеточного возбуждения. Она состоит из возбудителя В, вращающихся выпрямителей ВВ и синхронного генератора СГ. Роторы СГ и В жестко связаны между собой.

Возбудитель системы бесщеточного возбуждения представляет собой обращенный синхронный генератор переменного тока повышенной частоты, у которого обмотка возбуждения 3 расположена на статоре, следовательно, она неподвижна. Обмотка переменного тока 4 (обмотка

якоря) расположена на роторе

Рис. 1.48. Принципиальная схема 71синхронного генератора с бесщеточным возбуждением

и подключена к вращающимся выпрямителям ВВ, собранным по мостовой схеме. Выпрямленный ток поступает в обмотку возбуждения 2 синхронного генератора СГ. Напряжение снимается с якорной обмотки 1 синхронного генератора.

1.16. Синхронные двигатели

1.16.1. Принцип действия синхронного двигателя

Рассмотрим вначале принцип действия синхронного двигателя при работе его без нагрузки. Раскрутим ротор двигателя до номинальных оборотов с помощью постороннего двигателя и подадим в обмотку возбуждения постоянный ток. Ротор становится электромагнитом с числом пар полюсов р. В якоре двигателя возникнет ЭДС. Подключим обмотку якоря к сети переменного тока. Благодаря возникшему току якоря в обмотке образуется вращающееся магнитное поле. Если частоты вращения ротора и магнитного поля равны между собой, то вращающееся магнитное поле якоря поведет за собой ротор (полюса якоря притягивают полюса ротора). После этого можно отключить посторонний двигатель и соединить с синхронным двигателем исполнительный механизм (например, насос). Он будет являться нагрузкой. По мере увеличения нагрузки на валу двигателя полюса ротора будут отставать от полюсов поля якоря на некоторый угол при сохранении частоты вращения ротора. При слишком большой механической нагрузке ротор двигателя выпадает из синхронизма.

На практике используется асинхронный пуск синхронного двигателя. При этом отпадает необходимость применять разгонный двигатель.

1.17. Реакция якоря синхронного двигателя

Реакция якоря синхронного двигателя отличается от реакции якоря синхронного генератора. Рассмотрим качественную сторону процесса.

Активный ток якоря синхронного двигателя. На рис. 1.49 (а) по-

казана фаза А якоря синхронного трехфазного двигателя, представленная одной катушкой. Пусть двигатель приведен во вращение приводным (посторонним) двигателем. Подадим в ротор ток возбуждения I f . Для момента времени, показанного на рис. 1.49 (а), макси-

мальное значение ЭДС в фазе, наводимое потоком Фf , будет Е0 . Подключим обмотку якоря к напряжению сети U c . В этом случае по обмотке фазы будет протекать токI А.

Векторная диаграмма ЭДС E&o , напряжения сети U&c и тока I&Адана

на рис. 1.49 (б). При активном характере тока, вектор напряжения совпадает с вектором тока. Угол между векторами ϕ = 0. Угол между вектором ЭДС Е&0 и вектором тока I&А обозначим через ψ. Его значе-

ние равно приблизительно 1800 . Это означает, что вектор тока направлен противоположно направлению вектора ЭДС. Результирующая МДС Fатрехфазной обмотки направлена по оси фазы, ток в ко-

торой максимален, в данном случае слева направо по оси q, (рис. 1.49, а). Реакция якоря является поперечной.

Активно-индуктивный ток якоря синхронного двигателя. При ак-

тивно-индуктивном токе якоря (рис 1.50, б) ток отстает от напряжения на угол ϕ, а от ЭДС на угол ψ >1800. Вектор МДС якоря F&a можно разложить на две составляющие: продольную составляющую

лярно оси полюсов.

Активно-емкостной ток якоря синхронного двигателя. При ак-

тивно-емкостном токе, (рис. 1.51, б), ток опережает напряжение на угол ϕ, и отстает от ЭДС на угол ψ <1800.

Раскладывая вектор реакции якоря на продольную и поперечную составляющие, находим, что продольная реакция якоря создает поток, размагничивающий синхронный двигатель (рис. 1.51, а).

Таким образом, в двигателе при активно-индуктивном токе реакция якоря является намагничивающей, а при активно-емкостном токе

– размагничивающей.

Рис. 1.51. Реакция якоря синхронного двигателя при активно-емкостном токе

1.18.Уравнения напряжений и векторные диаграммы установившегося режима синхронного двигателя

Уравнения напряжений синхронных двигателей можно получить из уравнений синхронного генератора (1.21) и (1.25), если положить U = −Uc и взять ток с отрицательным знаком (ток направлен против

ЭДС). В этом случае, при пренебрежении активным сопротивлением якоря, уравнение для неявнополюсного двигателя будет

74

Синхронные двигатели чаще всего имеют явнополюсную конструкцию ротора. Поэтому, согласно приведенному уравнению (1.76), строим упрощенные векторные диаграммы при отстающем и опережающем токах.

На рис. 1.52 (а) приведено построение векторной диаграммы синхронного двигателя при отстающем токе. Диаграмма строится

напряжения jI&q xq . Отложим эти вектора на диаграмме. Результирующим вектором диаграммы является вектор напряжения сети U&c ,

На рис. 1.52 (б) построена векторная диаграмма при опережающем токе.

1.19.Электромагнитный момент синхронного двигателя и V-образные характеристики

На основании уравнений электромагнитного момента для синхронной машины могут быть записаны уравнения моментов для синхронного двигателя.

Для неявнополюсного двигателя

75

токе возбуждения магнитное поле ротора индуктирует в обмотке статора ЭДС - Е&0 , которую можно считать приближенно равной

напряжению сети, (рис. 1.54).

В этом случае двигатель потребляет только активный ток I&, который по фазе совпадает с напряжением.

Если же ток возбуждения двигателя меньше номинального тока возбуждения (двигатель недовозбужден), то магнитный поток ротора индуктирует в обмотке якоря ЭДС - Е&0′ меньшую, чем напряжение

сети. Помимо активной составляющей тока (рис. 1.54), в токе двигателя появляется реактивная (индуктивная) составляющая. Поэтому суммарный ток якоря I&′ отстает по фазе от напряжения на угол ϕ′. В случае, если ток возбуждения двигателя больше номинального тока возбуждения, (двигатель перевозбужден), то ЭДС - Е&0′′ становится

больше напряжения сети. Ток двигателя I&′′также имеет активную и реактивную (емкостную) составляющие. Ток опережает напряжение на угол ϕ′′.

При перевозбуждении синхронный двигатель может, подобно емкости конденсатора, улучшать общий коэффициент мощности предприятия. Зависимость тока якоря от тока возбуждения при постоянной мощности на валу и постоянном напряжении сети получила

название V-образной характеристики. На рис. 1.55 представлены V -образные характеристики двигателя при различной мощности. Регулирование тока возбуждения позволяет не только использовать синхронный двигатель как ком-

и обеспечивать при необходимости устойчивость работы двигателя при колебаниях механической нагрузки. При регулировании тока осуществляются режимы поддержания номинального напряжения в узле системы электроснабжения,

минимум потерь энергии в двигателе и т.д.

77

Пример 7. В табл. 2 приведены данные по V -образной характеристике синхронного двигателя. Мощность двигателя Р* = 0,4о.е.

Таблица 2

V-образная характеристика

Построить зависимость коэффициента мощности в функции тока возбуждения.

Решение:

Потребляемая активная мощность из сети в относительных единицах равна

P* =U *I * cosϕ.

Коэффициент мощности

сosϕ′ = P*U *I *′ = 0,4 / 0,4 1,15 = 0,87.

Относительное значение тока I *″при токе возбужденияI f = 296A равно

I *″ = 660 / 330 = 2.

Коэффициент мощности

cosϕ′′ = P* U * I *″ = 0,4 0,4 2 = 0,5.

Зависимость сosϕ = f (I f )приведена на рис. 1.56.

1.20. Рабочие характеристики синхронного двигателя

78