Тема 12 синхронні електричні машини icon

Тема 12 синхронні електричні машини




Скачати 376.29 Kb.
НазваТема 12 синхронні електричні машини
Дата03.06.2013
Розмір376.29 Kb.
ТипДокументи

ТЕМА 12

СИНХРОННІ ЕЛЕКТРИЧНІ МАШИНИ

Ключові поняття: збудник, неявнополюсний ротор, явнополюсний ротор, індуктор, якір, характеристика холостого ходу СМ, зовнішня характеристика СГ, номінальний струм збудження, електромагнітна потужність, кутова характеристика, синхронізація.

Синхронні машини (СМ) застосовують як генератори на електричних станціях і як двигуни змінного струму в нерегульованому електроприводі про­мислових установок (насосів, компресорів, повітродувок, млинів різного при­значення, прокатних станів, дизель-генераторних установок та ін.). Основна по­зитивна якість синхронних двигунів полягає в можливості працювати з високим коефіцієнтом потужності, що приводить до поширеного їхнього застосування.

Кутова швидкість синхронного двигуна при роботі в сталому режимі із зростанням навантаження на валу до певного значення, що не перевищує мак­симальний момент Мmах, залишається строго постійною і дорівнює синхронній кутовій швидкості:




^ 12.1. Будова синхронних машин

СМ, як і інші електричні машини, може використовуватися як генератор і як двигун. За будовою СМ мають багато загального з асинхронними. Статор СМ не відрізняється від статора асинхронної (рис. 12.1) - таке ж зібране з листової сталі осердя, той же принцип виконання і з'єднання його обмотки. Ротор СМ являє со­бою електромагніт постійного струму. Його обмотка живиться від стороннього джерела. Вона називається обмоткою збудження. З'єднання обмотки ротора з джерелом постійного струму здійснюється за допомогою двох контактних кілець на валу і нерухомих щіток. Як джерело постійного струму для живлення обмотки збудження ротора використовують генератор постійного струму, який монтують на одному валу з ротором. Такий генератор називають збудником. Потужність, необхідна для живлення обмотки збудження, невелика і відповідно потужність збудника становить близько 0,3 ÷ 5% від номінальної потужності СМ. Для вели­ких СМ встановлюють ще резервний збудник. Можливе також живлення обмотки збудження від мережі змінного струму, підключеної до статора через випрямлячі.

Застосовують два типи ротора синхронних машин - ротор неявнополюс­ний, або з неявно вираженими полюсами, і ротор з явно вираженими полюса­ми, або явнополюсний. У першому випадку осердя ротора являє собою масивне циліндричне тіло з сталі (бочка ротора) з поздовжніми пазами, в які розміщу­ють обмотку збудження (рис. 12.1,а). Пази й обмотка збудження розміщаються так, щоб одержати синусоїдальний розподіл індукції в зазорі між осердями ро­тора і статора. Загальний вигляд неявнополюсного ротора показаний на рис. 12.1,б. Такий ротор застосовують при числі пар полюсів р ≤ 2.





Рис.12.1 - Ротор неявнополюсної СМ: а - поперечний переріз;

б - загальний вигляд



Явнополюсний ротор складається з масивного сталевого колеса, насаджено­го на вал. На зовнішній поверхні колеса кріпляться виготовлені з листової сталі осердя полюсів (рис. 12.2,а). Для малих машин і при не занадто великому числі полюсів замість колеса на вал встановлюють сталеву втулку, до якої кріпляться полюси. Обмотка збудження у вигляді котушок розміщується на осердях полюсів. Для одержання синусоїдального розподілу індукції зазор між поверхнею полюс­ного наконечника і внутрішньою поверхнею статора робиться нерівномірним за рахунок особливої форми полюсних наконечників. Синусоїдальний розподіл ін­дукції в зазорі необхідний для одержання синусоїдальної ЕРС в обмотках статора. Загальний вид явнополюсного ротора показаний на рис. 12.2,6.


Таким чином, синхронна машина, як і асинхронна, складається з магніто- провода, обмоток і механічних частин. Магнітопровід містить осердя полюсів, обід ротора, або просте тіло неявнополюсного ротора, осердя статора і зазор між ротором і статором (рис. 12.3). Обмотка змінного струму СМ розміщується в пазах осердя статора. Для трифазних машин - це три фазні обмотки, зміщені у просторі на 120 електричних градусів. Ротор несе на собі обмотку збудження, що живиться по­стійним струмом. Механічні частини включають литий або зварений корпус, вал, підшипникові щити або стояки та інші деталі, необхідні для монтажу і зборки ма­шини. У машин з неявнополюсним ротором вал звичайно відковують заодно з осе­рдям ротора. Ротор синхронної машини як джерело магнітного поля називають ін- дуктором. Частину машини, в обмотці якої при роботі індуктується ЕРС, прийнято називати якорем. У СМ звичайної конструкції якорем є статор.

^ 12.2. Синхронний генератор

У синхронному генераторі (СГ) відбувається перетворення механічної енер­гії на електричну. Ротор генератора з постійним магнітним полем приводиться в обертання первинним двигуном (паровою або гідравлічною турбіною, дизелем та ін.). Внаслідок електромагнітної індукції в обмотках статора (якоря) індуктуються змінні ЕРС. Оскільки в статорі трифазного генератора розміщуються три однакові, симетрично зміщені у просторі на 120 електричних градусів обмотки, їхні ЕРС однакові за своїми діючими і амплітудними значеннями і симетрично зміщені за фазою на 120°. Частота ЕРС якоря визначається швидкістю обертання і числом пар полюсів ротора (12.1). Частота струму стандартизована і повинна бути постій­ною. З виразу (12.1) видно, що для одержання заданої частоти змінного струму необхідно забезпечити постійну, таку що не залежить від навантаження і дорівнює ю0 швидкість обертання. З цією метою первинні двигуни на електричних станціях обладнують автоматичним регулюванням швидкості.

Необхідна для заданої частоти швидкість обертання ротора тим менша, чим більше число пар полюсів р. Тому генератори, що працюють від тихохід­них первинних двигунів, роблять багатополюсними.

За родом первинного двигуна розрізняють два типи синхронних генера­торів - турбогенератори і гідрогенератори. Перші встановлюють на теплових електричних станціях, вони працюють від парових турбін, другі застосовуються на гідроелектростанціях. Потужності сучасних турбо- і гідрогенераторів часто досягають кількох сотень (500 і більше) тисяч кіловат.

Для парових турбін на теплових електростанціях характерна висока шви­дкість обертання (звичайно 3000 об/хв). Турбогенератор стандартної частоти f = 50 гц, який працює з такою швидкістю, повинен мати число пар полюсів




тобто його ротор повинен бути двополюсним. Крім того, при великій швидкості обертання дуже істотним є забезпечення механічної міцності ротора. Тому турбогенератори виготовляють з неявнополюсним ротором. Вони характе­ризуються порівняно невеликими радіальними і значними осьовими розмірами.

Гідрогенератори звичайно мають невеликі швидкості обертання (50÷300 об/хв). Щоб одержати змінний струм стандартної частоти f = 50 Гц, гідрогенератори виконують на велику кількість пар полюсів. Так, при швидко­сті п = 50 об/хв число пар полюсів повинне дорівнювати


Для їхнього розміщення доводиться збільшувати поперечні розміри гене­ратора. Гідрогенератори виконують явно полюсними, вони мають великі раді­альні розміри при помірних осьових. Як правило, їх виготовляють для вертика­льної установки. СГ виготовляють на напруги 0,4; 6,3; 10,5; 15; 20 кВ.

При холостому ході генератора струм якоря дорівнює нулю і магнітне поле створюється тільки обмоткою збудження ротора. За рахунок розподілу обмоток статора і ротора неявнополюсної машини, а також за рахунок додання особливої форми полюсним наконечникам явнополюсного ротора домагаються того, що зміна потокозчеплення обмоток якоря при обертанні ротора є практи­чно синусоїдальною. Це необхідно для одержання синусоїдальної ЕРС у якорі. Така форма кривої ЕРС є вимогою стандарту до генераторів змінного струму. В цьому випадку діюче значення ЕРС в обмотках якоря визначається з формули, аналогічної для обмоток асинхронної машини (11.7), тобто




де Е0 - ЕРС фазної обмотки якоря; f - частота ЕРС якоря; w- число витків фазної обмотки; к - обмоточний коефіцієнт обмотки якоря; Ф0 - проникає до осердя статора.

При постійній частоті f на вели­чину ЕРС якоря можна впливати пото­ком Ф0, що створюється струмом збу­дження ротора Iзб. Залежність ЕРС яко­ря від струму збудження при номіналь­ній швидкості обертання і відсутності навантаження якоря (I = 0) називається характеристикою холостого ходу. Звичайний її вигляд представлений на рис. 12.4. Оскільки Е0 = Ф0, то Е0 = f (Iзб) визначається властивостями магні­тного кола машини і в іншому масштабі повторює криву Ф0 = f (Iзб)

Характеристика холостого ходу може бути побудована за даними розра­хунку магнітного кола або на підставі досліду холостого ходу. Останній прово­дять при номінальній швидкості і відключеному навантаженні. Напруга на яко­рі вимірюється при поступовому зростанні струму збудження з нуля, а потім при його зменшенні. Внаслідок гістерезису ці напруги можуть не збігатися. Для побудови характеристики холостого ходу приймають середні значення.

^ 12.3. Зовнішня характеристика синхронного генератора

Зовнішньою характеристикою генератора називається залежність напруги від струму навантаження U = f(I) при n = const, Ізб = const, cosφ = =const. Найбільший інтерес представляє зовнішня характеристика U = f(I) при номінальній швидкості, cosφ і струмі збудження в діапазоні струмів наванта­ження від I = 0 до I = Iном.

Струм збудження при номінальному навантаженні, тобто при Uн, Iн, cosφH, називається номінальним струмом збудження.

Генератори розраховують для роботи з номінальним коефіцієнтом поту­жності cosφH = 0,8÷0,9 для змішаного активно-індуктивного навантаження. Зов­нішня характеристика для цього випадка має вид кривої 1 (рис.12.5), яка при зменшенні навантаження від Iн до холостого ходу досить швидко зростає. Від­носна зміна (підвищення) напруги при цьому може досягати декількох десятків відсотків. Під відносною зміною напруги розуміють виражене у відсотках до номінального підвищення напруги при переході від режиму номінального на­вантаження до холостого ходу. Воно дорівнює







Оскільки cosφ навантаження може відрізнятися від номінального, то це, у свою чергу, відбивається на зовнішній характеристиці генератора. На рис. 12.5 крива 2 зображує зовнішню характерис­тику при активному навантаженні (φ = 0), крива 3 при активно-ємнісному наванта­женні (φ<0). Зовнішню характеристику можна побудувати за допомогою вектор­них діаграм або за даними досліду.


Для підтримки напруги генератора постійною при зміні навантаження за величиною і характером регулюють струм збудження ротора

.

^ 12.4. Електромагнітний момент синхронного генератора

Механічна потужність, що надходить на вал генератора за винятком втрат, перетворюється на електричну. Корисна електрична потужність генера­тора дорівнює


де m - число фаз якоря; U - зовнішня напруга; I - струм якоря; соsφ - коефіцієнт потужності.

Частина електричної потужності витрачається в обмотках якоря у вигляді електричних втрат: РЕЯ = т·I2·R. Повна електрична потужність якоря, яка до­рівнює сумі корисної електричної потужності генератора і потужності втрат у якорі, називається електромагнітною потужністю генератора:


Так само виражається і електромагнітна потужність двигуна. Тільки для двигуна вона являє собою ту частину підведеної електричної потужності, що перетворюється у механічну.

Формула електромагнітного моменту СМ має вигляд




де ω - кутова швидкість обертання ротора; Е0 - ЕРС, створювана основним по­током ротора; X - індуктивний опір якоря; sinθ - фазовий кут між ЕРС Е0 і на­пругою U.

На рис. 12.6 наведена спрощена векторна діаграма генератора (без урахування активного падіння напруги в якорі I·R, оскільки активний опір якоря досить малий).




Із співвідношення (12.6) видно, що електромагнітний момент залежить від ЕРС Е0, напруги U і sinθ. У генератора електромагнітний момент є проти­діючим, він урівноважує момент первинного двигуна. Для СД електромагніт­ний момент буде обертовим. Обов'язковою умовою перетворення енергії в СМ (механічної на електричну в генераторі й електричної на механічну у двигуні) є наявність фазового зрушення між ЕРС Е0 і напругою U на кут θ. При θ = 0 кут ψ = 90°, оскільки Іх і I взаємно перпендикулярні (рис. 12.6). Електромагнітний момент М і потужність РЕМ при цьому дорівнюють нулю.

Фазовий кут θ на векторній діаграмі напруг генератора (рис. 12.6) відпо­відає просторовому зсуву між осями поля ротора і результуючого поля на кут θ/р при випереджаючому полі ротора. У синхронного двигуна навпаки, поле ротора відстає від результуючого на кут θ/р.

Якщо прийняти ЕРС Е0 і напругу U постійними, такими що не залежать від навантаження (такий режим можливий, наприклад, при паралельній роботі синхронної машини з мережею), то електромагнітний момент буде залежати тільки від sinθ. Залежність моменту від кута θ називають кутовою харак­теристикою синхронної машини (рис. 12.7). Її використовують для оцінки статичної стійкості машини при паралельній роботі з мережею.

Як видно з формули (12.6) і графіка (рис. 12.7), максимальний момент машина розвиває при θ = 90°. Він дорівнює

Величина максимального моменту, як і для асинхронної машини, характери­зує перевантажувальну здатність. Його можна розглядати як межу статичної стійко­сті синхронної машини в умовах її паралельної роботи з мережею. Чим менший мо­мент відповідає даному навантаженню в порівнянні з максимальним, тим більшим є запас стійкості. Одночасно для усталеної роботи необхідно, щоб при збільшенні ку­та θ зростав електромагнітний момент. Ця умова виконується лише при θ < 90.

^ 12.5. Паралельна робота синхронної машини з електричною мережею

У сучасній практиці автономна робота СГ на своє навантаження поза зв'яз­ком з іншими джерелами трифазного струму зустрічається рідко. Звичайним є електропостачання споживачів енергією від енергетичних систем. Енергосистема по лініях високої напруги поєднує для паралельної роботи електричні станції. На­явність енергосистем дає істотні економічні вигоди, головні з яких - підвищення надійності енергопостачання і зниження вартості виробництва електроенергії.

Потужності сучасних енергосистем обчислюються мільйонами і десятка­ми мільйонів кіловат. Кожний з генераторів, включених до енергосистеми, пра­цює в режимі паралельної роботи з загальною мережею великої потужності. При цьому можна вважати, що режим роботи окремого генератора не впливає на режим роботи мережі, оскільки частота і напруга на його затискачах жо­рстко задаються зовнішньою мережею і не залежать від струму збуджен­ня, навантаження і потужності даного генератора. Синхронний двигун завжди включається паралельно мережі живлення.

Для включення генератора на паралельну роботу з мережею необхідно виконати наступні умови:

а) рівність частот - генератор повинен обертатися із строго синхронною швидкістю, при якій частота ЕРС якоря точно збігається з частотою мережі;

б) режим до комутації співпадає з режимом після комутації (режим холо­стого ходу, струм якоря в момент комутації відсутній);

в) рівність напруг - фазні напруги генератора (напруги рівні ЕРС Е0) по­винні дорівнювати відповідним фазним напругам мережі, а за фазою вони по­винні бути протилежними.

^ Створення зазначених умов з наступним включенням до мережі назива­ють синхронізацією.

На підставі рівняння напруг струм якоря визначається за виразом




Оскільки напруги генератора і мережі рівні і протилежні за фазою, можна записати




де UМ - напруга мережі.

Генератор після включення до мережі працює в режимі холостого ходу. Векторна діаграма, що відповідає цьому випадку, зображена на рис. 12.9,а. При збільшенні струму збудження зростає абсолютне значення ЕРС якоря Е0. Оскі­льки напруга на затискачах задається мережею і залишається постійною, різни­ця напруг, що з'явилася, викличе струм у якорі






Струм якоря при цьому відстає за фазою від ∆U і Е0 на кут ψ = 90° (рис. 12.9,б). Режим виходить таким же, як немовби при автономній роботі ге­нератора його навантажили на чисто індуктивне навантаження. Відносно мере­жі генератор в цьому режимі є джерелом реактивної потужності. Навпаки, при зменшенні струму збудження (недозбудження) знижується ЕРС Е0, що приво­дить до зміни фази ∆U і струму I на протилежну (рис. 12.9,в). Струм якоря при цьому випереджає напругу U і ЕРС Е0 на 90°, а відносно напруги мережі UМ ви­явиться відстаючим на такий же кут.

У цьому режимі генератор споживає від мережі реактивну потужність, необхідну для підтримки результуючого поля на одному рівні, оскільки напруга на затискачах жорстко задана. Реакція якоря при цьому буде поздовжньо - намагнічуючою. Навантаження на первинний двигун в обох випадках залиша­ються на рівні холостого ходу, оскільки електромагнітна потужність при ψ = 90° дорівнює нулю. Таким чином, регулювання струму збудження викликає зміну лише реактивного навантаження генератора.

Щоб навантажити генератор активною потужністю, необхідно впливати на первинний двигун так, щоб додати ротору деяке прискорення. З цією метою збільшується впуск пару або води до турбіни. При прискоренні ротора з'явиться зрушення фаз між ЕРС Е0 і напругою U на кут θ, що є наслідком просторового




зрушення між осями поля ротора і результуючого поля на кут


Фазове зрушення між ЕРС і напругою обумовить різницю напруг ∆U, що, в свою чергу, викличе струм якоря:





Цей струм, відстаючи від ∆U за фазою на 90°, матиме фазове зрушення стосовно ЕРС Е0 на кут ψ < 90° (рис. 12.10,а). Оскільки θ > 0, а ψ < 90°, генера­тор при цьому буде розвивати електромагнітну потужність яка надходить у мережу, і електромагнітний момент:




в який зрівноважить момент первинного двигуна при синхронній швидкості обе­ртання.

Із збільшенням моменту первинного двигуна будуть зростати кут θ, електро­магнітна потужність і протидіючий момент. Швидкість обертання буде зберігатися синхронною доти, поки момент первинного двигуна буде врівноважуватися елект­ромагнітним моментом генератора. При куті θ = 90° електромагнітний момент вияв­ляється максимальним (див. співвідношення 12.7). Його величина є тією межею на­вантаження генератора за моментом (відповідно і за потужністю, що віддається), при якій генератор ще здатний працювати синхронно з мережею. Якщо момент первин­ного двигуна перевищить це значення, то генератор не зможе його зрівноважити і випадає з синхронізму. Паралельна робота з мережею стає неможливою.

Якщо після включення на

паралельну роботу синхронної

машини не збільшити обертовий

момент первинного двигуна, а, на-

впаки, зменшити або навіть при-

класти до вала гальмовий момент,

то ротор трохи сповільниться і

відстане від результуючого поля

на кут Θ/p. При цьому ЕРС Е0 буде

відставати від напруги U на кут Θ.

Це викличе зміну фази ΔU і стру-

му якоря майже на протилежну

(рис. 12.10,б). Внаслідок цього

зміниться напрямок потоку елект-

ромагнітної потужності і електро-

магнітного моменту, який з про-

тидіючого стане обертовим.

^ Машина перейде до режиму синхронного двигуна. Обертовий електромагнітний момент зрівноважить гальмовий момент опору і швидкість обертання зали­шиться синхронною.

Таким чином, синхронна машина, включена паралельно з мережею великої потужності, протидіє в межах її статичної стійкості як прискоренню, так і упові­льненню ротора і зберігає швидкість обертання постійною. Змінюється лише кут між осями поля ротора і результуючого поля в межах ±90 електричних градусів. Для усталеної роботи синхронні машини проектують і виготовляють так, що при номінальному навантаженні кут Θ звичайно не перевищує 20±30°. Синхронна машина протидіє також зміні струму збудження відповідною зміною реактивного навантаження, оскільки напруга на затискачах є жорстко заданою.

^ 12.6. Синхронний двигун

У синхронному двигуні (СД) електрична енергія змінного струму, що надходить з мережі на статор, перетворюється на механічну на валу. За прин­ципом будови СД не відрізняється від генератора. В основі створення обертово­го моменту синхронного двигуна лежить взаємодія змінного струму статора з постійним магнітним полем ротора.


Для того щоб напрям си­ли, що діє на ротор при цьому зберігся, необхідно, щоб за той же час ротор повернувся на один полюс і зайняв положен­ня, показане на рис. 12.11,б. Однак внаслідок інерції ротор за час Т/2 при частоті f = 50 Гц практично залишиться на місці і тому у наступний напівперіод часу на нього діятиме сила зво­ротного напрямку. Внаслідок

цього СД не може самостійно розкрутитися. Але якщо за рахунок зовнішньої сили ротору попередньо додати таку швидкість, при якій забезпечується зазна­чена умова, то двигун зможе продовжувати обертатися з синхронною швидкіс­тю за рахунок власного електромагнітного моменту. Якщо ротор має р пар по­люсів, то час одного повного оберту складе рТ секунд, а швидкість обертання струм.
Для з'ясування особливостей цієї взаємодії скористаємося рис. 12.11. На ньому зображені елементи дуги статора і ротора. Нехай у деякий момент часу напрям струму в провідниках статора і положення полюсів відповідають рис. 12.11,а. Відповідно до правила лівої руки [2.9] кожний з провідників стато­ра буде відчувати механічну силу від взаємодії його струму з полем ротора, спрямовану проти годинникової стрілки. Сила, що діє на полюси ротора, буде






б

Рис. 12.11 - Принцип дії СД

протилежною. Через півперіоду змінного струму Т/2 у провідниках статора встановиться такий же за величиною, але протилежно спрямований

Напрям обертання трифазного СД визначається чергуванням фаз живиль­ної мережі.

Таким чином, робота двигуна здійснюється при синхронній швидкості обер­тання, що не залежить від навантаження. Зміни навантаження позначаються лише на куті просторового зсуву між осями результуючого поля

якоря і поля ротора. На від­міну від генератора ротор СД відстає від результуючого поля якоря на θ електрич­них градусів. У двигуні ведучим є поле якоря, за ним слідкує ротор. Обертовий елек­тромагнітний момент СД виражається такою ж формулою, як і для генератора, тобто




Якщо момент опору навантаження перевищить максимальне значення (при θ=90°), то рівновага моментів виявляється неможливою, двигун випадає з синхронізму і зупиняється. При швидкості обертання меншій за синхронну неминучі положення ротора, коли 360>θ>180. При цьому момент двигуна змі­нить свій напрямок і ще більше сповільнить ротор, прискорюючи його зупинку.

Для включення СД у мережу він повинен бути попередньо синхронізова­ний з нею. Вимоги при цьому такі ж, як і при включенні на паралельну роботу генераторів.

Щоб надати ротору двигуна, що синхронізується, синхронну швидкість до включення до мережі, необхідний спеціальний розгінний двигун. Ця незручність значною мірою стримувала застосування СД. Сучасні СД як правило пускаються в хід способом асинхронного пуску, при якому розгінний двигун не потрібний.

^ 12.7. Пуск синхронного двигуна

Для самостійного пуску (без розгінного двигуна) у роторі СД укладається спеціальна короткозамкнена пускова обмотка по типу білячої клітки. Її елемен­ти показані на рис. 12.11,в. Вона складається із стежнів 1, які укладаються в пе­редбачені для цього пази, полюсних наконечників і двох замикаючих кілець 2, якими по торцях ротора стрижні з'єднуються між собою. Стрижні виготовляють з латуні, алюмінієвої бронзи та інших сплавів з підвищеним питомим опором. Іноді обходяться без пускової обмотки, але в цьому випадку полюсні наконеч­ники роблять суцільними. По торцях вони електрично з'єднуються накладками, що утворюють короткозамкнений контур, який виконує роль пускової клітки. У швидкохідних двигунах з неявнополюсним ротором функції білячої клітки ви­конують поверхневі шари масивного циліндричного осердя ротора. При цьому СД пускається в хід за способом асинхронного пуску. Схема такого пуску по­дана на рис. 12.12,а.

Статор двигуна 1 включається в мережу трифазного струму на повну на­пругу (прямий пуск) або на знижену напругу, якщо необхідно зменшити вплив пускового струму. Обертове магнітне поле статора індуктує у пусковій корот- козамкненій обмотці 2 ЕРС і струм, який взаємодіє з полем і створює обертовий момент. Ротор приходить в обертання, як і в АД. За рахунок асинхронного мо­менту він досягає швидкості обертання, при якій ковзання звичайно не переви­щує 0,05. Виконання пускової обмотки із збільшеним активним опором дозво­ляє одержати достатній пусковий момент. На час розгону ротора до зазначеного ковзання (s = 0,05) обмотка збудження 3 замикається на зовнішній опір Rп, який повинен бути в 10 - 15 разів більшим за її власний. Це необхідно тому, що обер­тове поле індуктує також в обмотці збудження ЕРС, яка в початковий момент пуску може виявитися значною, небезпечною для ізоляції обмотки і для персо­налу. Після досягнення ротором швидкості, близької до синхронної (s ≈ 0,05), обмотка збудження перемикається на живлення постійним струмом від збудни­ка. При цьому, крім асинхронного моменту, пропорційного ковзанню, з'явля­ється синхронний момент від взаємодії струму якоря з постійним магнітним полем ротора, який залежить від струму збудження (ЕРС Е0) і кута θ.

Внаслідок ковзання кут θ безупинно змінюється і в проміжки часу, коли 0 < θ< 180°, синхронний момент, додаючись до асинхронного, прискорює ро­тор, і ковзання зменшується. При досягненні s = 0 двигун після деяких хитань біля синхронної швидкості входить у синхронізм і продовжує працювати як синхронний. Кут θ при цьому більший за нуль і менший за 90°. В робочому режимі струм і ЕРС пускової обмотки дорівнюють нулю, дорівнює нулю і її асинхронний момент, оскільки ротор обертається з синхронною швидкістю.

Однак при змінах навантаження, коли відбувається зміна кута θ і кута між осями полів θ/р , пускова клітка позитивно впливає, зменшуючи хитання рото­ра біля нового положення, що відповідає навантаженню, яке змінилося.

Використовують також асинхронний пуск СД з наглухо підключеним збудником. Схема такого пуску показана на рис. 12.12,б. У цьому випадку об-мотка збудження 3 підключається до якоря збудника 4 (змонтованого на одно­му валу з ротором СД) з самого початку пуску. В міру розгону двигун збуджу­ється і по досягненні швидкості, близької до синхронної, входить у синхронізм.

Асинхронному пуску СД властиві ті ж недоліки, що й пуску асинхронних короткозамкнених двигунів, головним з яких є великий пусковий струм. Для обмеження пускового струму великих двигунів прибігають до зниження на час пуску напруги, яка подається на статор, за допомогою реакторів (індуктивних опорів), що включаються послідовно до кола статора (реакторний пуск) або за допомогою автотрансформаторів (автотрансформаторний пуск). Керування пу­ском СД у сучасних установках звичайно автоматизують.

^ 12.8. Регулювання коефіцієнта потужності синхронного двигуна

У розділі 12.5 було зазначено, що при регулюванні струму збудження СМ, включеної паралельно з мережею, змінюється реактивна потужність. Оскільки син­хронний двигун завжди працює в режимі паралельного підключення до мережі, то до нього повністю відноситься сказане. Зміна реактивної потужності при заданій активній означає також зміну коефіцієнта потужності Звідси випливає можли­вість регулювання струмом збудження ротора коефіцієнта потужності СД.

Пояснимо це за допомогою векторних діаграм СД, представлених на рис.12.13. Нехай при даному навантаженні струм збудження встановлений та­ким, що кут φ = 0, cosφ = 1, струм статора збігається з напругою за фазою. На­звемо цей струм збудження нормальним. Відповідно до цього режиму векторна діаграма зображена на рис. 12.13 векторами



Якщо, не змінюючи навантаження на валу, змінювати струм збудження, буде змінюватися ЕРС якоря Е0 і кут θ, але момент


залишається незмінним, тобто




Звідси випливає, що кінець вектора0 при зміні струму збудження переміщу­ється по прямій А'А", яка паралельна вектору напруги Uс. За цим слідкує зміна величини й фази індуктивного падіння напруги I·Х і струму статора I. Оскільки




Отже активна складова струму статора зберігається незмінною. Кінець вектора струму^ I при регулюванні струму збудження переміщується по прямій С'С", перпендикулярній до вектора напруги Uс (рис. 12.13).

Таким чином, за рахунок струму збудження виявляється можливим зада­ти СД будь-який режим за коефіцієнтом потужності. При збільшенні струму збудження, в порівнянні з нормальним, струм статора випереджає напругу. Від­носно мережі двигун поводиться при цьому як активно-ємнісне навантаження. Двигун в такому режимі називається перезбудженим.

Перезбудженому двигуну відповідає векторна діаграма, представлена векторами0', ГХ, Uс і I на рис. 12.13. Навпа­ки, при зменшенні струму збу­дження (недозбудження) дви­гун споживає відстаючий струм і являє собою активно- індуктивне навантаження ме­режі (вектори

).


Най­більший інтерес представляє режим нормальної роботи з соsφ = 1 і режим перезбудження, коли двигун споживає випе­реджаючий струм. В останньо­му випадку за рахунок реактив­ної (ємнісної) складової струму двигуна досягається підвищен­ня соsφ у мережі в цілому, оскільки основне навантаження ме­режі найчастіше має активно-індуктивний характер.

СД звичайно розраховують для роботи при номінальному навантаженні в перезбудженому режимі з соsφ = 0,8. Із зміною струму збудження змінюється не тільки фаза, але й величина струму статора. Залежність струму статора від струму збудження при даному навантаженні зображується U-подібною кривою (рис. 12.14). Мінімум струму статора має місце при нормальному струмі збу­дження, коли соsφ = 1. Із зростанням навантаження мінімум U-подібних кривих зміщується у бік більших струмів збудження.

При зменшенні механічного навантаження на валу знижується активна складова струму статора, що розширює можливий діапазон регулювання реак- тивної складової. СД, який працює на хо­лостому ходу без навантаження, може бу­ти використаний як регульоване джерело реактивної потужності мережі. Для цього застосовують спеціальні СМ, які назива­ються синхронними компенсаторами.




На відміну від двигуна й генерато­ра синхронний компенсатор не відчуває механічних навантажень, тому розрахо­ваний лише на невелику механічну по­тужність, пов'язану з втратами холостого ходу. Синхронні компенсатори застосовують в електричних мережах енергосистем для регулювання напруги.

^ 12.9. Робочі характеристики синхронного двигуна

Під робочими характеристиками СД розуміють залежності швидкості, момен­ту на валу, коефіцієнта потужності, соsφ, ККД, споживаних потужності й струму від корисної потужності Р2, що знімається з вала двигуна, при постійних напрузі мережі і струмі збудження. Графіки залежностей мають вигляд кривих, поданих на рис. 12.15.

Оскільки швидкість обертання двигуна постійна, швидкісна характе­ристика п = f(Р2), так само як і меха­нічна п = f(Р), зображується прямою, яка паралельна осі абсцис, а лінія мо­менту на валу М - прямою, що прохо­дить через початок координат.

Характер залежності соsφ=f(Р2) обумовлюється встановленим стру­мом збудження двигуна. Якщо дати за рахунок струму збудження соsφ = 1 при номінальному навантаженні, то при недовантаженні двигун буде спо­живати випереджуючий струм (перезбудження), при перевантаженні-від­стаючий струм (недозбудження). В обох випадках коефіцієнт потужності знижується.

Крива ККД має такий же вигляд, як і для АД. В зоні навантажень від 0,3 до 1,3РН зміни ККД невеликі. Характеристика η = f(Р2) визначає залежність спожива­ної потужності Р1 = f(Р2), оскільки Р1 = Р2/η . В свою чергу з Р1 = f(Р2) і соsφ = f(Р2) випливає залежність для струму, споживаного статором з мережі, І = f(Р2), оскільки




^ 12.10. Порівняння синхронних і асинхронних двигунів

За будовою СД складніше асинхронного, вартість його більша. Відносна різниця у вартостях вище при невеликій потужності машин. Для роботи СД по­трібні два роди струму. Слід зазначити, що в даний час мають поширення дви­гуни з самозбудженням від живильної мережі змінного струму через напівпро­відникові випрямлячі.


За пусковими властивостями синхронний і асинхронний двигуни приблизно однакові. Перший має меншу чутливість до коливань напруги мережі, тому що його обертовий момент, у тому числі й максимальний, пропорційний першому степеню на­пруги. У другого ця залежність квадратична. Крім того, використовуючи в необхідних випадках автоматичне форсування (збільшення) струму збудження СД, виявляється можливим зберегти стійкість його роботи навіть при значних короткочасних знижен­нях напруги мережі. За регулюванням швидкості обертання СД поступається асинх­ронному, хоча регулювальні властивості останнього також не можна вважати гарни­ми.

^ Найважливішою перевагою СД є можливість його роботи з соsφ = 1 або навіть з випереджуючим (ємнісним) струмом статора. Це особливо суттєве для двигунів, розрахованих на невелику швидкість обертання, оскільки АД з малими швидкостями характеризуються низьким коефіцієнтом потужності.

За сукупністю властивостей СД конкурентоспроможні або навіть переве­ршують асинхронні при потужності порядку 100 кВт і вище.

Контрольні запитання з теми 12

  1. У чому полягає основна особливість СМ і яка область їхнього застосування?

  2. Будова і призначення основних частин СМ.

  3. Які відмінності в будові магнітопроводу й обмоток СМ у порівнянні з асинхронною?

  4. У чому полягає принцип роботи синхронного генератора?

  5. Конструктивні відмінності турбо- і гідрогенераторів.

  6. Що розуміють під характеристикою холостого ходу генератора?

  7. На підставі яких даних будують характеристику холостого ходу гене­ратора?

  8. Що розуміють під зовнішньою характеристикою синхронного генера­тора і як вона залежить від характеру навантаження?

  9. Що розуміють під електромагнітною потужністю генератора і двигу­на? Роль електромагнітного моменту в генераторі й у двигуні.

  10. Що являє собою кутова характеристика? Яким діапазоном кута 0 об­межується її стійка частина?

  11. Умови включення СМ паралельно до мережі.

  12. Як впливає на режим роботи СМ регулювання струму збудження?

  13. Як змінюється активне навантаження генератора, включеного парале­льно мережі великої потужності?

  14. При яких умовах СМ переходить у режим СД? В якому діапазоні нава­нтажень зберігається усталена робота СМ, ввімкненої паралельно з мережею?

  15. Як впливає струм збудження ротора на коефіцієнт потужності СД? Проаналізуйте цей вплив за допомогою векторної діаграми.

  16. Для яких цілей використовують синхронні компенсатори й у чому їхня відмінність від звичайних СМ?

  17. Які залежності називаються робочими характеристиками СД і який ха­рактер вони мають?

  18. Дайте порівняльну оцінку електромеханічних властивостей СД віднос­но асинхронного.

  19. Обгрунтуйте доцільність застосування СД?




1,



Схожі:

Тема 12 синхронні електричні машини iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної дисципліни "електричні машини", з розділу "синхронні машини" для студентів денної та заочної форм навчання
Електричні машини”, розділ “Синхронні машини” для студентів денної та заочної форм навчання за напрямами 050702 – «Електромеханіка»...
Тема 12 синхронні електричні машини iconІ систем управління методичні вказівки
Електричні машини”, розділ “Синхронні машини” для студентів денної та заочної форм навчання за напрямами 050702 – «Електромеханіка»...
Тема 12 синхронні електричні машини iconЕлектричні машини тема 10 електричні машини постійного струму
Ключові поняття: номінальні параметри, зовнішня характеристика, характе­ристика холостого ходу, швидкісна характеристика, механічна...
Тема 12 синхронні електричні машини iconЗ навчальної дисципліни "спеціальні електричні машини"
Конспект лекцій з навчальної дисципліни "Спеціальні електричні машини" для студентів денної форми навчання зі спеціальності 092200...
Тема 12 синхронні електричні машини iconЕкзаменаційні питання з дисципліни “Електричні машини (постійного струму)” для студентів спеціальності „Електричні машини та апарати”
Побудова механічних характеристик дпс з рівнобіжним збудженням з використанням паспортних даних
Тема 12 синхронні електричні машини iconІ. О. Махов електричні машини
Електричні машини: Методичні вказівки до практичних занять (для студентів, які навчаються за напрямом 050702 – "Електромеханіка")...
Тема 12 синхронні електричні машини iconДоцента кафедри електротехніки І світлотехніки фсу
Написання навчальних, робочих навчальних програм з дисциплін: «Електричні машини та апарати», «Електричні машини» для факультету...
Тема 12 синхронні електричні машини icon”електричні машини”
Електричні машини”, розділ “Трансформатори” для студентів денної та заочної форм навчання за напрямами 050702 – «Електромеханіка»...
Тема 12 синхронні електричні машини iconДо практичних занять з курсу «електричні машини»
«Електричні машини» (для студентів 3 курсу заочної форми навчання напрямів підготовки 050701 «Електротехніка та електротехнології»,...
Тема 12 синхронні електричні машини iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної дисципліни "електричні машини", з розділу "асинхронні машини" для студентів денної та заочної форм навчання
Електричні машини” з розділу “Асинхронні машини” для студентів денної та заочної форм навчання за напрямами 050702 – «Електромеханіка»...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи