ответы на вопросы синхронные машины. Устройство и принцип действия синхронной машины

• Название: Устройство и принцип действия синхронной машины
• Дата: 19.10.2022
• Размер: 1.44 Mb.
• Имя файла: ответы на вопросы синхронные машины.docx
• Тип: Документы; #741966
• страница: 3 из 4

Синхронные режимы параллельной работы синхронных машин

Режим работы синхронной машины параллельно с сетью при синхронной частоте вращения называется синхронным.

Рассмотрим включенную на параллельную работу неявнополюсную машину, пренебрегая активным сопротивлением фаз обмотки якоря ( ).

Ток обмотки якоря будет равен

Изменение реактивной мощности. Режим синхронного компенсатора.

В случае, если выполнены все условия включения генератора на параллельную работу, ток якоря равен нулю, машина работает на холостом ходу. Если ток возбуждения генератора после синхронизации увеличен, то , и возникает ток , отстающей от на 90 эл.град. (рис.3.23,а). Машина будет отдавать в сеть индуктивный ток и реактивную мощность. Если ток возбуждения генератора уменьшить, то , возникает опережающий ток относительно и (рис.3.23,б). Машина будет отдавать в сеть емкостной ток и потреблять из сети реактивную мощность.

С инхронная машина не несущая активную нагрузку и загруженная реактивным током называется синхронным компенсатором.

Изменение активной мощности. Режим генератора и двигателя.

Чтобы включенная на параллельную работу машина вырабатывала активную мощность, работала в режиме генератора, необходимо увеличить механический вращающий момент на валу (рис.3.23,в). При этом возникает ток , отстающий от на . Значение активной мощности генератора равно
Если, наоборот, притормозить ротор машины, создав на его валу механическую нагрузку, то ЭДС будет отставать от на угол , ток от - на угол (рис.3.23,г). При этом активная мощность будет равна , машина будет работать в режиме двигателя, потребляя активную мощность из сети.

Синхронный компенсатор

Синхронные компенсаторы предназначены для повышения коэффициента мощности сети и поддержания нормального уровня напряжения сети в районах сосредоточения потребительских нагрузок. Нормальным является перевозбужденный режим работы синхронного компенсатора, когда он отдает в сеть реактивную мощность.

Синхронные компенсаторы не имеют приводных двигателей и поэтому сами являются синхронными двигателями, работающими на холостом ходу, при этом из сети потребляя небольшую активную мощность для покрытия своих потерь. Пуск синхронных компенсаторов осуществляется также, как и синхронных двигателей.

Так как у синхронного компенсатора не ставится вопрос статической устойчивости, они выполняются с малым воздушным зазором, что позволяет облегчить обмотку возбуждения и уменьшить стоимость машины.

Регулирование активной мощности синхронной машины, включенной в сеть

После включения в сеть методом точной синхронизации синхронная машина работает в режиме холостого хода (I1 =0). ЭДС Eo находится в противофазе с напряжением сети Uc (рис. 5.33, а). Для того, чтобы синхронная машина отдавала в сеть активную мощность, необходимо увеличить внешний момент на валу Мвн в направлении вращения ротора. Тогда ротор начнет ускоряться. Вектор Ёo сместится на угол Θ в направлении вращения ротора и возникнет ЭДС ΔE=Eo+Uc, под действием которой потечет ток

При этом вектор напряжения синхронной машины

сохранит свое положение в противофазе с вектором напряжения сети Uс Проекция тока статора I1; на напряжение U1 положительна, а на напряжение Uc отрицательна, поэтому активная мощность.

P1=mU1I1cosφ = mU1Iα будет вырабатываться синхронной машиной в отдаваться в сеть. Синхронная машина работает в режиме генератора. Соответствующий активной мощности электромагнитный момент

будет девствовать против направления вращения ротора. При равенстве моментов

увеличение угла в прекратится и ротор вновь будет вращаться с синхронной частотой.Если к валу двигателя приложить внешний момент в направлении против вращения ротора, то ротор начнет тормозиться. Вектор E0 сместится на угол Θ в отрицательном направлении (против направления вращения). Под действием возникшей ЭДС ΔЕ = Ёо + Uс потечет ток

проекция которого на вектор напряжения синхронной машины U1 будет отрицательной, а на вектор напряжения сети Uс - положительной (рис. 5.33, в). Следовательно, направление потока активной мощности изменится на обратное.

Синхронная машина переходит в режим двигателя, потребляя из сети активную мощность. Развиваемый ею электромагнитный момент будет действовать в направлении вращения ротора. При равенстве моментов Ме = Мвн торможение ротора прекратится, и он вновь будет вращаться с синхронной частотой.

Таким образом, синхронная машина обладает свойством саморегулирования (автоматического поддержания синхронной частоты вращения).

Регулирование реактивной мощности синхронной машины, включенной в сеть

Регулирование реактивной мощности в энергосистемах имеет такое же важное значение, как и регулирование активной мощности. Реактивная мощность необходима для создания магнитных полей во многих электротехнических устройствах, работающих в энергосистеме. Регулирование реактивной мощности позволяет повысить перегрузочную способность этих устройств, поддерживать постоянство напряжения в сети, снизить ее перетоки по линиям и тем самым обеспечить устойчивую и экономичную работу энергосистемы.

Вернемся вновь к режиму холостого хода синхронной машины (рис. 5.34, а).

В том режиме по обмотке возбуждения протекает ток If = Ifo, соответствующий по

характеристике холостого хода напряжению сети Uc = Eo . Увеличим ток возбуждения If, тогда модуль ЭДС Eo возрастет и возникнет ток

По отношению к напряжению синхронной машины U1 ток I1 будет индуктивным, а по отношению к напряжению сети Uc - емкостным (рис. 5.34, б), поэтому синхронная машина вырабатывает и отдает в сеть реактивную мощность При уменьшении тока возбуждения (If

Таким образом, изменение тока возбуждения синхронной машины обуславливает изменение в обмотке якоря реактивного тока и, следовательно, происходит регулирование реактивной мощности.

Синхронная машина, загруженная только реактивным током и не несущая активной нагрузки, называется синхронным компенсатором.

Регулирование реактивной мощности возможно при работе синхронной машины в режимах генератора и двигателя. Согласно векторным диаграммам (рис. 5.35), в генераторном режиме при увеличении тока возбуждения (рис. 5.35, а) синхронная машина отдает в сеть реактивную мощность, а при уменьшении тока возбуждения (рис. 5.35, б) потребляет из сети реактивную мощность.

Аналогичные явления имеют место и в двигательном режиме (рис. 5.36).
Рис 5.35 рис 5.36

Угловая характеристика синхронной машины

Угловой характеристикой синхронной машины называют зависимость Р1 = f(Θ) при постоянных токе возбуждения, напряжении и частоте сети (If = const, Uc = const, fc = const). Знание этой характеристики позволяет установить ряд важных свойств синхронной машины, определяющих устойчивость ее работы параллельно с сетью.

Найдем эту зависимость для синхронной машины с явнополюсным ротором, полагая, что сопротивление якоря равно нулю (ra= 0) и машина не насыщена.

Активная мощность синхронной машины определяется выражением

Д ля преобразования этого выражения в искомую зависимость Р1 = f(Θ) воспользуемся векторной диаграммой синхронной машины, включенной в мощную сеть с напряжением Uс = const и fс = const и работающей в режиме генератора с выдачей реактивной мощности в сеть (рис. 5.37).

Согласно векторной диаграмме

φ=ψ-Θ

С учетом этого соотношения выражение для активной мощности преобразуется к виду

Учитывая, что

выразим активную мощность через продольную I1d и поперечную I1q составляющие тока якоря:

Из векторной диаграммы находим выражения для продольной I1d. и подаренной I1q составляющих тока якоря:

Подставляя эти выражения в формулу для активной мощности, получим



Е сли синхронная машина имеет неявнололюскый ротор (xd = xq), то второе слагаемое обращается в нуль и

С
рис 5.38
огласно этому выражению угловая характеристика неявнополюсной машины является синусоидальной функцией угла Θ (рис. 5.38). При Θ > 0 мощность Р1 > 0, машина работает в генераторном режиме. При Θ<0 мощность Р1 <0, машина работает в режиме двигателя.

При Θ= ±π/2 синхронна машина развивает максимальную по модулю мощность

Величина максимальной мощности Р1m прямо пропорциональна току возбуждения If (определяющему ЭДС Ео) и обратно пропорциональна полному индуктивному сопротивлению якоря по продольной оси xd. При проектировании синхронной машины сопротивление xd выбирают так, чтобы
при номинальном токе возбужденна If = Ifн кратность максимального момента была не менее 1,7






Выражение для угловой характеристики Р1 = f(0) явнополюсной синхронной машины содержит составляющую, зависящую от sin2Θ (рис. 5.39). Эта составляющая обусловлена магнитной несимметрией ротора и появлением в связи с этим в явнополюсной машине чисто магнитного вращающего момента из-за стремления ротора ориентироваться по оси магнитного поля (подобно магнитной стрелке компаса) Этот эффект существует даже при отсутствии возбуждения (Ео=0).

Синхронные машины, работающие без возбуждения, называются реактивными. Они имеют небольшую мощность (несколько киловатт). С целью повышения мощности в них стремятся конструктивными мерами увеличить разницу между сопротивлениями xd и xq, так чтобы отношение xd/xq =3-4. В синхронных машинах нормального исполнения отношение xd/xq ≈1,5. Поэтому амплитуда второй гармоники мощности не превышает 25% от амплитуды первой гармонической составляющей.

U-образные характеристики

Для анализа свойств синхронной машины, работающей параллельно с сетью, наряду с угловой характеристикой Р1 = f(Θ) важное значение имеют U-образные характеристики, представляющие зависимость тока якоря в функции тока возбуждения I1 =f(If) при постоянных активной мощности, напряжении и частоте сети (Р1= const, Uc= const, fc = const). U-образные характеристики могут быть построены с помощью векторных диаграмм, учитывающих насыщение стали. На рис. 5.41 приведены векторные диаграммы неявнополюсного синхронного генератора (τа = 0).
В соответствии с условием Р1 =m1U1I1 cosφ = const активная составляющая тока якоря

поэтому концы вектора тока I1 будут лежать на линии I, перпендикулярной вектору напряжения U1, а концы вектора результирующей ЭДС



будут лежать на линии П, параллельной вектору напряжения. Цифрами на этих линиях отмечены расчетные точки U-образной характеристики для мощности Р1, соответствующей току Ia =0,8о.е.

Модуль ЭДС Eμr определяет по характеристике холостого хода суммарную МДС Fμ.

Вектор Fμ опережает ЭДС Eμr на 90°. Вычитая из него вектор МДС реакции поля Fa, находим вектор МДС обмотки возбуждения



и соответствующий ему ток возбуждения

Геометрическим местом концов вектора МДС Ff является линия IV, на которой цифрами указаны расчетные точки, соответствующие заданным токам якоря на линии I.
Полученная таким образом зависимость I1=f(If) представлена на рис. 5.42 с отмеченными на ней расчетными точками.

Аналогично производится построение U-образных характеристик для других значений активной мощности. Минимумы U-образных характеристик соответствуют активным составляющим тока якоря, поэтому линия, соединяющая минимумы, представляет собой регулировочную характеристику генератора при cosφ = 1. Точки U-образной характеристики, лежащие правее ее минимума, соответствуют режиму перевозбуждения, а левее - режиму недовозбуждения.

В режиме перевозбуждения ток якоря I1 отстает от напряжения U1, машина отдает в сеть реактивную мощность (Q1 > 0). В режиме недовозбуждения ток I1 опережает вектор напряжения U1, синхронная машина потребляет из сети реактивную мощность (Q1 < 0).



Минимальное значение тока возбуждения ограничивается пределом статической устойчивости генератора Р1m= , равным мощности Р1, при которой построена U-образная характеристика. Максимальная величина тока определяется допустимым перегревом обмотки возбуждения.