Параллельная работа синхронных генераторов

• Название: Параллельная работа синхронных генераторов
• Дата: 17.05.2023
• Размер: 3.19 Mb.
• Имя файла: mashiny_2_chast_ (1).doc
• Тип: Документы; #1138650
• страница: 2 из 11

§ 7.2. Влияние величины тока возбуждения на работу синхронных двигателей
При постоянной нагрузке на валу синхронного двигателя (Р=3UI =const) с изменением возбуждения двигателя будет изменяться величина э. д. с, наводимой в обмотке статора (рис. 7.3). При этом концы векторов э. д. с. E₀₁ ,E₀₂ и E₀₃ будут перемещаться по прямой АА, а концы векторов тока — по прямой ББ так, как это было уже показано на рис. 6.32 для генератора.

Когда э. д. с. машины определяется вектором E₀₂, вектор тока I₀₂,сдвинутый относительно вектора э.д.с. на 90 , сов­падает по фазе с вектором напряжения (угол ⁼0) и ток имеет наименьшую величину. При увеличении тока возбуж­дения, а следовательно, и э.д.с. до величины E₀₁ (E₀₁>Е₀₂)вектор тока I₀₁, опережает вектор напряжения U_Cна некоторый угол , зависящий от величины э. д. с, т. е. образуется отрицательный угол сдвига фаз. Двигатель в этом случае является емкостной нагрузкой и будет отдавать в сеть излишнюю индуктивную мощность, которая может быть использована для намагничивания потребите­лей индуктивной мощности.

Такой режим работы двигателя называется перевозбужденным.

При уменьшении тока возбуждения двигателя его э. д. с. так­же уменьшается (E₀₃<E₀₂) и между вектором тока I₀₃ и вектором напряжения U_Cсоздается положительный сдвиг фаз на угол , вектор напряжения U_Cопережает вектор тока I₀₃. Двигатель потребляет из сети индуктивную нагрузку, и его режим является недовозбужденным.







Рис. 7.3. Угловые ха­рактеристики синхрон­ных машин
Таким образом, воздействуя на величину возбуждения двига­теля, можно менять угол сдвига фаз между его векторами тока и напряжения. Двигатель может работать не только с коэффициен­том мощности, равным единице ( ), но и отдавать в сеть реактивную индуктивную мощность, способствуя этим повышению общего коэффициента мощности сети.

Для каждой нагрузки синхронного двигателя можно получить расчетным или опытным путем зависимости величины потребляе­мого тока I от тока возбуждения I_B (рис. 7.4). Эти зависимости на­зываются U-образными кривыми. Ток I_BH соответствует работе дви­гателя при коэффициенте мощности .

Левые ветви характеристик соответствуют индуктивному току (ф>0), а правые ветви — емкостному току (ф<0). Синхронные дви­гатели, работающие с перевозбуждением, используются для по­вышения коэффициента мощности электрических установок и называются синхронными компенсаторами.

§ 7.3. Рабочие характеристики синхронных двигателей

Синхронные двигатели обладают рядом особенностей, о которых лучше всего судить по их рабочим характеристикам (рис. 7.5). Эти характеристики показывают зависимость I, п, М, М₂, P₁ и от мощности Р₂при U=const и f=const. Скорость вращения ротора п₂всегда равна синхронной ско­рости n₂=n₁=f₁60/pи не зависит от нагрузки, поэтому она име­ет вид прямой, параллельной оси абсцисс.

Момент двигателя М=М₀+М₂, где М_о— момент холостого хода, М₂— полезный тормозной момент. Так как M₀=const, а М₂=P₂/ изменяется пропорционально полезной мощности Р₂ на валу, то момент М₂будет выражаться прямой, проходящей через начало координат, а момент М — прямой, расположенной не­сколько выше характеристики М₂.

Кратковременная перегрузочная способность синхронного дви­гателя, так же как и синхронного генератора, зависит от величины угла . При работе двигателя с номинальной нагрузкой и номи­нальным током возбуждения угол обычно не превышает 25-30°.

При этих значениях кратковре­менная перегрузочная способ­ность синхронного двигателя (см. рис. 7.2)




Рис. 7.5. Рабочие характерис­тики синхронного двигателя
Подведенная к двигателю мощ­ность P₁включает в себя потери (Р₁=P₂+ P_пот).

Поэтому увеличение потребля­емой мощности Р₁ происходит не­сколько в большей мере, чем полез­ной мощности Р₂ и характери­стика Р₁=f(Р₂) имеет некоторую кривизну в сторону оси абсцисс. Ток пропорционален враща­ющему моменту и он будет выра­жаться той же прямой, что и момент М. При изменении нагрузки от 0 до 1/2 P_н кривая к. п. д. быстро возрастает, а затем ее рост пре­кращается, и к. п. д. машины даже понижается.

Изменение зависит от характера возбуждения двигателя. Если обеспечить номинальное постоянное возбуждение машины при ее работе на холостом ходу, при котором =1, то с увели­чением нагрузки получится недовозбужденный режим работы дви­гателя. При этом возникнут реактивные токи, отстающие от напряжения на угол . Наоборот, если установить номинальное постоянное возбуждение двигателя при номинальной нагрузке, то при уменьшении нагрузки двигатель начнет забирать из сети реактивные опережающие токи, а при перегрузке-реактивные отстающие токи. Кривая =f(P₂) дана для некоторого проме­жуточного значения тока возбуждения.

Синхронные двигатели применяются главным образом для при­вода механизмов значительной мощности (свыше 100 кет), требую­щих постоянства числа оборотов.

В судовых условиях они используются в основном на судах тех­нического флота (земснарядах), в электрических приводах компрес­соров, центробежных насосов, лебедок, а также в системах генера­тор-двигатель.

§ 7.4. Пуск синхронных двигателей


Рис. 7.6. Схема пуска синхрон­ного двигателя
Пуск синхронных двигателей осложняется тем, что при включе­нии двигателя в сеть трехфазного переменного тока в обмотке его статора возникает вращающееся магнитное поле, сразу приобретающее синхронную скорость п₁= 60f/p, в то время как поле полюсов неподвижно. Вследствие этого каждые полпериода перед полюсом ротора проходят то северный, то южный полюса вращающегося поля статора и возникающий в результате взаимодействия полей электромагнитный момент в течение периода дважды меняет свое направление. Ротор остается неподвижным, так как он обладает значительной инерцией и в течение полупериода ему не может быть сообщена синхрон­ная скорость, при которой электромагнитный вращающий момент будет иметь строго оп­ределенное постоянное направ­ление. Поэтому, чтобы осу­ществить пуск синхронного двигателя, необходимо сначала сообщить ему с помощью не­большого постороннего двига­теля скорость вращения, близ­кую к синхронной. Такой спо­соб пуска синхронных двигате­лей, во-первых, требует допол­нительной электрической ма­шины, а, во-вторых, возмо­жен лишь при незначительной нагрузке на валу двигателя.



В настоящее время чаще все­го применяется так называемый асинхронный пуск синхронных двигателей (рис. 7.6, а), для чегo в пазы полюсных наконечников ротора закладывается специальная л пусковая обмотка в виде стержней, соединенных между собой поторцам так, что образуется короткозамкнутая клетка. При включении двигателя в сеть трехфазного тока в его статорной обмотке создается вращающееся магнитное поле, которое пересекая короткозамкнутые стержни пусковой обмотки, наводит в ней ток. Магнитное поле пусковой обмотки, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем статора, создает вращающий момент и быстро развивает скорость, близкую к синхронной. После этого включают питание обмотки возбуждения (от возбудителя В), и двигатель втягивается в синхронизм. Во время разгона обмотка возбуждения двигателя должна быть замкнута на сопротивление R, так как иначе в ней наводилась бы большая э. д. с, опасная для состояния изо­ляции обмотки.

Непосредственный пуск синхронных двигателей возможен лишь при достаточно мощных электрических сетях, так как пусковой ток двигателей равен 5—6-кратной величине номинального тока. Для снижения пускового тока применяют пуск с переключением обмотки статора со звезды на треугольник, что дает снижение линейного тока в 3 раза. Однако чаще пуск синхронных двигателей произ­водят при пониженном напряжении, для чего используется авто­трансформатор или реактор.

Автотрансформаторный пуск (рис. 7.6, б) производится тремя ступенями. Вначале к двигателю подводится напряжение U= =40—60%U_H. Когда двигатель разовьет соответствующее число оборотов, размыкается выключатель В₂у автотрансформатора, и он используется как реактивная катушка. При этом к двигателю подводится напряжение U=70—80% U_H. Наконец, замыкается выключатель В₁ и к двигателю подается номинальное напряжение U_H а к его обмотке возбуждения — постоянный ток. При автотранс­форматорном пуске пусковой ток в сети (ток первичной обмотки трансформатора) пропорционален квадрату напряжения.

Реактивный пуск синхронных двигателей проще и дешевле, но при нем пусковые токи в сети имеют большую величину.

§ 7.5. Реактивный двигатель

Реактивный синхронный двигатель не имеет обмотки возбуж­дения. Ротор реактивной машины выполняется с явновыраженными полюсами. Возбуждение машины происходит вследствие на­магничивания ротора вращающимся магнитным полем статора. При этом ротор стремится занять по отношению к статору такое положение, при котором его магнитное сопротивление было бы наименьшим. Так как поле статора вращается с синхронной ско­ростью, то начинает вращаться с той же скоростью и ротор, втяги­ваясь в синхронизм. Возбуждение машины происходит за счет ,реактивной составляющей тока, поступающего из сети. реактивная со­ставляющая тока создает продольный магнитный поток, который и является потоком возбуждения машины. _

Исходя из уравнения электромагнитной мощности для явно-полюсной синхронной машины и полагая Е₀=0, получаем урав­нение для Р_ЭМ реактивного двигателя:


Отсюда следует, что максимальное значение Р_эм имеет при sin2 =l, т. е. при 45°:



Для получения наибольшей электромагнитной мощности надо, чтобы разность х_d x_q, была как можно больше. Это достигается соответствующим конструктивным исполнением ротора. Обычно у реактивных синхронных двигателей отношение.

Пусковой момент у реактивных двигателей создается за счет взаимодействия вращающегося магнитного поля с вихревым током в массивных частях ротора.

Реактивные синхронные двигатели небольшой мощности в на­стоящее время имеют весьма широкое распространение в схемах сигнализации, телемеханики, связи и т. д. Недостатками двигате­лей являются сравнительно небольшой к. п. д. и коэффициент мощ­ности, большие размеры и масса. В то же время простота конструк­ции, отсутствие скользящих контактов, малая стоимость в зна­чительной степени компенсируют их недостатки.

§ 7.6. Потери и коэффициент полезного действия синхронных машин

У синхронных машин так же, как и у машин постоянного тока, имеются электрические Р_M, магнитные Р_СТ потери на возбуждение Р_B, механические Р_MEX и добавочные Р_ДОБ потери. К добавоч­ным относятся потери в полюсных наконечниках или в поверхност­ном слое бочки ротора.

На рис. 7.7, а дана энергетическая диаграмма синхронного гене­ратора. Часть мощности первичного двигателя P₁, подводимой к генератору, затрачивается на покрытие механических потерь Р_MEX потерь в стали Р_СТ и потерь на возбуждение Р_В. Мощность, получающаяся за вычетом этих потерь, является электромагнитной мощностью P_ЭM. Она передается в статор в результате взаимодей­ствия основного магнитного потока с токами в статоре, т. е - элек­тромагнитным путем.
Полезная мощность Р₂получается в результате вычитания из электромагнитной мощности P_ЭM потерь в меди Р_М, возникающих в обмотке статора при работе машины под нагрузкой. Эти потери у машин средней мощности составляют менее 1% и практически ими можно пренебречь, тогда Р₂=Р_ЭМ.

Потери на возбуждение складываются не только из потерь в обмотке возбуждения синхронного генератора, но и из потерь в возбудителе, когда он установлен на одном валу с генератором, и потерь в реостатах возбуждения.

Механические потери включают в себя потери на трение в под­шипниках и вращающихся частей о воздух, а также потери на вентиляцию. У быстроходных машин эти потери значительно возрастают за счет увеличения потерь на трение о воздух и дос­тигают 50—60% всех потерь. Добавочные потери складыва­ются из потерь от потоков рассея­ния в статоре, а также потерь, вызванных высшими гармоничес­кими полями статора.

На рис. 7.7, б дана энергетичес­кая диаграмма синхронного дви­гателя. Часть мощности P₁под­водимой к двигателю из сети, за­трачивается на покрытие потерь в меди и стали статора (Р_Ми Р_СТ), остальная часть составляет элек­тромагнитную мощность Р_ЭМ, передаваемую со статора на ротор. Полезная мощность на валу двигателя Р₂ получается в результате вычитания из электромаг­нитной мощности механических потерь на трение и вентиляцию и добавочных потерь. Кроме того, из электромагнитной мощности вычитается мощность, потребляемая возбудителем, если он нахо­дится на одном валу с двигателем.

Коэффициент полезного действия синхронных машин опреде­ляется по формулам:

для двигателя

для генератора



для генератора


У мощных синхронных машин к. п. д. достигает 96—99%. У
синхронных машин небольшой мощности (от 2 до 100 кет) к. п. д. составляет 85—90%.