Угловая характеристика синхронного двигателя

Синхронная машина обратима, т.е. можно работу синхронного генератора перевести в режим двигателя. При этом угол θ (если для генератора его считать положительным) изменит свой знак.

Выражение электромагнитной мощности и момента для синхронного двигателя аналогичны генератору. На рис. 40 представлены угловые характеристики для неявнополюсной машины режима генератора и двигателя.

Как было указано выше, если машина работает в режиме генератора, то под действием момента турбины Мт угол θ (угол между осью индуктора и осью результирующего потока Фδ) возрастает. Электромагнитный момент – тормозной. Ось индуктора опережает ось потока Фδ, и угол θ считается положительным. Если разгрузить генератор до θ=0, то напряжение генератора уравновешено ЭДС генератора и ток статора I=0. Если теперь нагрузить машину внешней нагрузкой, то машина перейдет в двигательный режим. При этом, электромагнитный момент будет движущим, а момент тормозной Мв – момент на валу. Как видим из рис. 40 при двигательном режиме результирующий поток Фδ будет тянуть за собой индуктор. Угол θ будет отрицательным. Двигатель будет работать устойчиво в диапазоне угла θ=0-90 0 .

Уравнения электромагнитной мощности и момента неявнополюсного синхронного двигателя запишутся:

Работа синхронного двигателя в режиме угловых характеристик соответствует режиму: iB=const, M=var.

13. Режим работы синхронного двигателя при постоянном моменте и переменном токе возбуждения (M=const, iB=var)

Для анализа этого режима синхронного двигателя воспользуемся упрощенной диаграммой для неявнополюсной машины (рис. 39). Используя только верхнюю ее часть и вектор напряжения сети Uc, расположим горизонтально.

Режим работы соответствует постоянству момента.

при

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

ab=E 1 sinθ=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 -Е соответствует ток I, который отстает от напряжения Uc на угол φ. Вектор тока I перпендикулярен продолжению вектора jIXc. Реактивная составляющая тока IL будет отставать на 90 0 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 –Е 1 увеличится, а ток I уменьшится до Ia=I 1 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 –Е 11 , а ток I 11 , будет опережать вектор напряжения сети на угол φ 1 . Этот режим соответствует перевозбужденному режиму. Реактивная составляющая тока будет емкостной (опережает вектор Uc на 90 0 ). Этот режим будет соответствовать отдаче реактивной мощности в сеть. Этот режим аналогичен включению статических емкостей в сеть.

Итак 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 iB, I=f(iB) называются U-образные характеристики, рис. 42.

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. 43.

Предприятие без СД имеет в векторной форме Uc,I и угол φ, где ток IL – индуктивный ток, потребляемый из сети. Если теперь использовать СД в перевозбужденном режиме, получим емкостной ток Ic, который скомпенсирует частично ток IL. Результирующий реактивный ток уменьшится, а это приведет к уменьшению тока до I 1 , угол φ 1 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 перевозбужденном 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. 44.

Читайте также:  Рисунки для росписи мебели

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, тр-рах и ЛЭП.

14. 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. Статор этого генератора включается параллельно в сеть с соблюдением всех необходимых условий этого соединения. После включения статора в сеть 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 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. 45, 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. 46. 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. 46. На этом заканчивается второй этап пуска.

Зависимости представленные графически, называются угловыми характеристиками синхронной машины.

Данная характеристика активной мощности получена при условии:

1- основная составляющая электромагнитного момента (изменяется пропорционально синусу θ)

2- реактивная составляющая момента (изменяется пропорционально синусу 2θ)

3- итоговая (результирующая) кривая момента и соответственно электромагнитной мощности.

Значения составляющих тока якоря исходя из векторной диаграммы:

Подставляя это в ранее определенное выражения для мощности получим:

Читайте также:  Оливковое масло холодного отжима для чего использовать

.

Уравнение для угловой характеристики активной мощности явнополюсной СМ имеет две составляющие. Первая составляющая зависит как от напряжения, так и от ЭДС, созданной магнитодвижущей силой обмотки возбуждения. Вторая составляющая не зависит от возбуждения машины. Она возникает вследствие различия в индуктивных сопротивлениях по продольной и поперечной осям. За счет этой составляющей явнополюсный генератор может работать параллельно с сетью и при отсутствии тока возбуждения, когда Е=0. В этом случае магнитный поток будет создаваться только реакцией якоря. При номинальном возбуждении амплитуда второй составляющей мощности составляет 20-35% амплитуды первой, основной составляющей.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Рис. 16.3. Векторная диаграмма явнополюсного синхронного двигателя

Аналогично можно показать, что при отстающем токе продо льная реакция якоря оказывает намагничивающее действие.

Синхронный двигатель потребляет электрическую мощность Р1 сети. Часть этой мощности расходуется на электрические потер и в обмотке якоря Р эл1 и магнитные потери в стали якоря Р м , оставшаяся часть — электромагнитная мощность Рэм — передается вращающимся магнитным полем на ротор:

Частично мощность Рэм расходуется на покрытие механичес ких Рмех и добавочных РД потерь, оставшаяся же ее часть Р2 явля­ ется полезной механической мощностью на валу двигателя.

Уравнения для электромагнитной мощности синхронного дви гателя можно получить из векторных диаграмм. Если пренебречь потерями в статоре эл1 и Рм), то для двигателя с независимой системой возбуждения будут справедливы те же выражения, что и генератора (см. гл. 15). Так, если принять, что Р 1 = Р эм = Р, то для явнополюсного и неявнополюсного двигателей можно соот­ ветственно записать

Электромагнитный момент получают делением электромагнит­ ной мощности на угловую скорость поля ω 1 .

Поскольку большая часть синхронных двигателей — машины явнополюсные, далее будем рассматривать именно этот конст­ руктивный вариант двигателя. Тогда

В двигателе электромагнитный вращающий момент направлен в сторону вращения ротора, а за счет составляющей момента М" (реактивного момента) двигатель может работать и при отсутствии возбуждения (т. е. при I в = 0 и E 10 = 0).

Рис. 16.4. Угловая характеристика электромагнитного момента явнополюсной синхронной машины

На рис. 16.4 показана угловая моментная характеристика М= f (θ) синхронной машины, работающей параллельно с сетью. Как и в синхронном генераторе, устойчивой является часть характери­ стики двигателя от начала координат до точки максимального мо мента M ma х , характеризующего ее перегрузочную способность. Угловая моментная характерис­ тика представляет собой меха­ ническую характеристику синх­ ронного двигателя. При номи­ нальном моменте на валу угол θном = 20…30°.

Отношение k м = М m ах /Мном называется кратностью макси­ мального момента и характери­ зует перегрузочную способ­ ность двигателя. Согласно ГОСТ 183—74** кратность максималь­ ного момента должна быть не менее 1,65.

Как видно из уравнения (16.4), момент, развиваемый синхронным двигателем, про­ порционален первой степени подводимого напряжения U 1 т. е. синхронный двигатель менее чув­ ствителен к изменению напряжения сети, чем асинхронный дви­ гатель. Кроме того, максимальный момент можно увеличивать пу­ тем увеличения тока возбуждения (в формуле момента ему соот­ ветствует ЭДС E 10 ). Все это позволяет уменьшить расчетную пере­ грузочную способность k м c инхронного двигателя по сравнению с асинхронным.

Рис. 16.5. U -образные характеристики синхронного двигателя и соответствующие им зависимости коэффициента мощности от тока возбуждения:

I – P = 0 ; II – P = 0 ,25 Р ном ; III – P = 0 ,5 Р ном

U -образные характеристики двигателя, которые так же, как и для генератора, можно построить по векторным диаграммам (см. гл. 15), при разных значениях активной мощности двигателя Р представлены на рис. 16.5 ( U 1 = const , f 1 = const ). При работе с опережающим током синхронный двигатель перевозбужден, а при работе с отстающим током — недовозбужден. При перевоз­ буждении двигатель генерирует реактивную мощность, что спо­ собствует повышению cosφ в узле нагрузки. Кроме того, умень­ шение потребления реактивной мощности позволяет снизить ре­ активную мощность, вырабатываемую синхронными генераторами на электрических станциях, уменьшить ток и потери в линиях электропередачи. Возможность генерировать реактивную мощность выгодно отличает синхронные двигатели от асинхронных, кото­ рые потребляют реактивную мощность из сети для возбуждения. Поэтому синхронные двигатели проектируются для работы при номинальной мощности с перевозбуждением (опережающим то­ ком) и cosφ ном = 0,9. Работа с перевозбуждением предпочтитель­ на также и для повышения максимального момента двигателя.

Читайте также:  Как делать подлив без мяса

Уменьшение тока возбуждения приводит к уменьшению пе­ регрузочной способности неявнополюсного двигателя, так как Р max 1 U 1 Е 10 /хс. Предел уменьшения тока возбуждения в зоне не- довозбуждения показан на рис. 16.5 штриховой линией, для котор ой справедливо соотношение Р m ах = Р i где Р i = const — постоян ная мощность на валу, при которой строится i -я U -образная ха­ рактеристика. Если и дальше уменьшать ток возбуждения, то Р max станет меньше мощности приводимого механизма и двигатель выпадает из синхронизма. Иными словами, штриховой линией на этом рисунке показан предел статической устойчивости двигателя.

На рис. 16.5 приведены также зависимости со sφ = f ( I в ) при разли чных значениях Р (или М). Эти кривые показывают, что при изменении нагрузки синхронные двигатели могут работать с за­ данным значением со sφ (в том числе и при со sφ = 1) за счет регулирования тока возбуждения.

Как видно из U -образной характеристики, соответствующей холостому ходу двигателя (кривая I ), ток в ее минимальной точке (в отличие от тока холостого хода генератора — см. рис. 15.9) равен не нулю, а активной составляющей тока холостого хода двигателя I 10 a . Соответствующая этому току мощность Р10, потребляемая из сети, расходуется на покрытие потерь холостого хода двигателя.

16.3. Рабочие характеристики синхронного двигателя

Рабочие характеристики синхронного двигателя могут быть построены или при постоянном возбуждении ( I в = const ), или при постоянном коэффициенте мощности ( со sφ = const ). На рис. 16.6 показаны рабочие характеристики синхронного двигателя — за­ висимости M , Р1, I в , I 1 , η= f ( P 2 ) при f 1 = const и со sφ = cosφ ном = const .

Рис. 16.6. Рабочие характеристики синхронного двигателя при со sφ = const

Зависимость нагрузочного момента на валу М2 от полезной мощности Р2 имеет линейный характер, так как угловая ско­ рость ротора ω2 = ω1= const и M 2 = Р 2 / ω2 = const . Как следует из рис. 16.5, для поддержания со sφ = с onst с увеличением нагрузки ток возбуждения I в следует увеличивать.

При холостом ходе 2 = 0) двигатель потребляет из сети мощ­ ность, необходимую для покрытия собственных потерь (в основ­ ном магнитных и механических). Следовательно, при холостом ходе ток статора не равен нулю. С возрастанием мощности нагруз­ ки Р2 увеличивается и потребляемая мощность Р1 так как Р1 = Р2 +Р, где ∑Р — суммарные потери в двигателе.

С увеличением Р2 возрастает и ток I 1 . Зависимость КПД от Р2 имеет такой же характер, как и для асинхронных двигателей, а максимум КПД достигается при нагрузке, меньше номинальной.

Существуют следующие способы пуска синхронных двигателей: асинхронный, частотный и с помощью разгонного двигателя.

Наибольшее распространение получил асинхронный пуск, ко­ торый аналогичен пуску асинхронного двигателя. Предусмотрен­ ная для этой цели в полюсных наконечниках ротора пусковая обмотка выполняется по типу короткозамкнутой обмотки рото­ ра асинхронного двигателя и имеет ту же конструкцию, что и демпферная обмотка синхронных генераторов (см. подразд. 12.1).

При пуске трехфазная обмотка статора синхронного двигателя включается в сеть, при этом протекающий по ней ток создает круговое вращающееся магнитное поле, которое, перемещаясь относительно ротора, наводит в его короткозамкнутой пусковой обмотке ЭДС и ток. В результате взаимодействия тока пусковой обмотки ротора с вращающимся магнитным полем якоря образуется асинхронный момент, под действием которого ротор начи­ нает ускоряться и достигает частоты вращения п2, близкой к час­ тоте вращения магнитного поля п 1 .

Рис. 16.7. Механическая характеристика синхронного двигателя при асин­ хронном пуске с разомкнутой обмоткой возбуждения

Механическая характеристика синхронного двигателя при асин­ хронном пуске (рис. 16.7) аналогична механической характерис­ тике асинхронного двигателя (см. подразд. 11.1).

Ненагруженный двигатель может втянуться в синхронизм под действием реактивного момента. Если же реактивного момента оказывается недостаточно, то втягивание в синхронизм происхо­ дит после подачи постоянного тока в обмотку возбуждения за счет возникающего при этом синхронизирующего момента. С этого времени машина начинает работать как синхронный двигатель.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *