ответы на вопросы синхронные машины. Устройство и принцип действия синхронной машины
 Скачать 1.44 Mb.
|
|
Синхронные двигатели, пуск и т.п. Синхронная машина, как любая электрическая машина, обратима, т.е. может работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. Однако особенности работы машины в том или ином режиме предъявляют различные требования к ее конструктивному исполнению. Наиболее существенным отличием условий работы синхронного двигателя является процесс включения его в сеть, называемый пуском. Собственный пусковой момент синхронного двигателя равен нулю, так как вследствие инерции ротора поток возбуждения Фf не может сразу достичь синхронной частоты вращения потока статора Ф1. Поэтому после включения возбуждения двигателя в сеть при n = О поля Фf и Ф1 перемещаются относительно друг друга с большой скоростью, и среднее взаимодействие этих полей равно нулю. Пуск синхронного двигателя можно осуществить с помощью преобразователя частоты, который плавно повышает частоту вращения поля якоря Ф1 от нуля до номинального значения по мере разгона двигателя. Такой способ пуска называется частотным. Возможен также пуск синхронного двигателя при помощи дополнительного асинхронного двигателя, осуществляющего предварительный разгон недовозбужденного синхронного двигателя до подсинхронной частоты вращения. Затем производится включение синхронного двигателя в сеть и его синхронизация по методу грубой синхронизации подобно тому, как это делается для синхронных генераторов. Однако наиболее распространенным является асинхронный пуск синхронного двигателя. С этой целью на роторе в специальных пазах полюсных наконечников явнополюсных синхронных двигателей размещают коротко-замкнутую обмотку (рис. 5.43) в виде латунных, медных ели бронзовых стержней 1, соединенных по торцам короткозамыкающими кольцами 2. Эта обмотка называете» пусковой. При использования массивных плюсов, а также в случае неявнополюсных синхронных двигателей с ротором в виде массивного стального цилиндра роль пусковой обмотки выполняет внешняя поверхность полюсов или цилиндра ротора  5.43  5.44  5.45 Схема асинхронного пуска представлена на рис. 5.44. В соответствии с этой схемой процесс пуска выполняется в два этапа. На первом этапе после включения обмотки статора в сеть ротор двигателя разгоняется под действием асинхронного момента до подсинхрояной частоты вращения. Скольжение ротора  Обмотка возбуждения в течение первого этапа пуска замыкается на активное сопротивление Rn = (5 - 10)rf. Оставлять обмотку возбуждения разомкнутой нельзя, так как вращающееся поле статора наводит в ней в начальный период пуска значительную ЭДС, способную «пробить» изоляцию обмотки возбуждения и опасную для эксплуатационного персонала. Замыкать обмотку возбуждения накоротко также нецелесообразно, так как при этом возрастают провалы в кривой асинхронного момента Ма (рис.5.45). Обмотка возбуждена является однофазной обмоткой. Индуцированный в ней ток создает пульсирующее магнитное поле. Прямо вращающаяся составляющая этого поля создает момент Mfa1, а обратно вращающаяся составляющая - момент Mfa2, (см. п.4.13.2). При суммирования этих моментов с моментом пусковой обмотки Мn0 в кривой результирующего момента Ма = f(s) появляются провалы в зоне малых скольжений и в области скольжения s = 0,5, которые могут затруднить пуск двигателя. Введение в цепь обмотки возбуждения дополнительного сопротивления Rn позволяет уменьшить величину этих провалов. Для оценки пусковых свойств синхронного двигателя используются три показателя: кратность пускового момента Mn/MH кратность максимального момента Mm/MH кратность входного момента Mвх/ MH. Входной момент определяется при скольжении s = 0,05, примерно соответствующем верхнему уровню скольжения, при котором двигатель может войти в синхронизм после подачи возбуждения. Момент сопротивления на валу двигателя Мвн должен быть меньше развиваемого двигателем асинхронного момента Ма (рис. 5.45). Разность моментов Ма н Мвн определяет динамический момент   Чем больше динамический момент, тем меньше время пуска Если динамический момент мал, то пуск затягивается. Это может привести к перегреву обмотки статора и пусковой обмотки из-за значительных токов, протекающих по этим обмоткам при асинхронном пуске. Пусковой ток статарной обмотки (при s = 1) в несколько раз превышает номинальный ток и обычно составляет  Второй этап пуска начинается, когда ротор достигнет установившейся частоты вращения (s=0,03 - 0,05), и обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного тока (возбудителю). После включения возбуждения на ротор помимо асинхронного момента начинает действовать синхронный момент Мс, зависящий от тока возбуждения If и угла Θ. Достоинства и недостатки синхронного двигателя в сравнении с асинхронным. Синхронные двигатели имеют следующие достоинства: а) возможность работы при cos φ = 1; это приводит к улучшению cos φ сети, а также к сокращению размеров двигателя, так как его ток меньше тока асинхронного двигателя той же мощности. При работе с опережающим током синхронные двигатели служат генераторами реактивной мощности, поступающей в асинхронные двигатели, что снижает потребление этой мощности от генераторов электростанций; б) меньшую чувствительность к колебаниям напряжения, так как их максимальный момент пропорционален напряжению в первой степени (а не квадрату напряжения); в) строгое постоянство частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу. Недостатками синхронных двигателей являются: а) сложность конструкции; б) сравнительная сложность пуска в ход (см. § 6.14); в) трудности с регулированием частоты вращения, которое возможно только путем изменения частоты питающего напряжения. Указанные недостатки синхронных двигателей делают их менее выгодными, чем асинхронные двигатели, при ограниченных мощностях до 100 кВт. Однако при более высоких мощностях, когда особенно важно иметь высокий cos φ и уменьшенные габаритные размеры машины, синхронные двигатели предпочтительнее асинхронных. Регулирование частоты вращения синхронных двигателей Принципы регулирования. Частота вращения синхронного двигателя п2 равна частоте вращающегося магнитного поля n1 = 60f1/p. Следовательно, ее можно регулировать путем изменения частоты питающего напряжения или числа полюсов 2р. Регулировать частоту вращения путем изменения числа полюсов в синхронном двигателе нецелесообразно, так как в отличие от асинхронного здесь требуется изменять число полюсов как на статоре, так и на роторе, что приводит к значительному усложнению конструкции ротора. Поэтому практически используют лишь изменение частоты питающего напряжения. К синхронному двигателю применимы все основные положения теории частотного регулирования асинхронного двигателя, в том числе необходимость одновременного изменения как частоты, так и питающего напряжения. Однако в чистом виде частотное регулирование частоты вращения синхронных двигателей применяется только при очень малых мощностях, когда нагрузочные моменты невелики, а инерция приводного механизма мала. При больших мощностях такие условия имеются только в некоторых типах электроприводов, например в электроприводах вентиляторов. Для синхронных двигателей, применяемых в электроприводах с большим моментом инерции приводного механизма, необходимо очень плавно изменять частоту питающего напряжения, чтобы двигатель не выпал из синхронизма. Особенно сложным является пуск в ход двигателя, когда начальная частота должна составлять доли герца, а затем постепенно повышаться до максимального значения. Для таких электроприводов наиболее пригодным является метод частотного регулирования с самосинхронизацией, при котором двигатель в принципе не может выпасть из синхронизма. Частотное регулирование без самосинхронизации. Электромагнитный момент синхронного двигателя Частотное регулирование без самосинхронизации. Электромагнитный момент синхронного двигателя М = см IаФв cos ψ = см IаФв cos (φ + θ). (6.48) При частотном регулировании обычно стремятся получить режим работы двигателя с cos φ = 1, когда в обмотке якоря имеются минимальные потери энергии. Для этого ток якоря Iа должен поддерживаться постоянным и минимальным: Iаmin = М/(смФв cos θ). (6.49) Из (6.49) следует, что при неизменных нагрузочном моменте (Мн = М = const) и потоке возбуждения (Фв = const), т. е. токе возбуждения (Iв = const), угол θ в процессе регулирования частоты не должен изменяться. Однако при изменении частоты f1 изменяются ЭДС Е0, угловая скорость ротора ω1 и индуктивное сопротивление Хсн (или сопротивления Хd и Xq при явно-полюсном роторе), т. е. Е0/Е0ном = Хсн /Хсн.ном = ω1/ω1ном =f1/f1ном . (6.50) Поэтому при частотах питающего напряжения f1, отличных от номинальной частоты f1ном, формула электромагнитного момента [см. (6.35)] принимает вид M = mUE0 sin θ = mE0номU * f1ном sin θ = C U sin θ = const, (6.51) ω1Xсн ω1ном Xсн ном f1 f1 где С = mЕ0ном f1ном /(ω1ном Хсн.ном ) - постоянная. Из (6.51) следует, что при неизменных значениях нагрузочного момента Мн = М и тока якоря Iа = Iамин необходимо выдерживать условие U/f1 = const, (6.52) т. е. изменять напряжение U, подаваемое к электродвигателю от преобразователя частоты, пропорционально изменению частоты f1. При соблюдении условия (6.52) все стороны треугольника ОАВ (рис. 6.50, а) изменяются пропорционально частоте, а угол 0 остается неизменным. При изменении нагрузки необходимо в соответствии с (6.48) изменять поток возбуждения Фв , т. е. ток возбуждения Iв . Вентильный двигатель. Принцип частотного регулирования с самосинхронизацией заключается в том, что управление преобразователем частоты осуществляется от системы датчиков положения ротора, вследствие чего напряжение подается на каждую фазу двигателя при углах нагрузки θ < 90°. При таком регулировании автоматически обеспечиваются условия устойчивой работы двигателя и его перегрузочная способность определяется только перегрузочной способностью преобразователя частоты. Синхронные двигатели, регулируемые путем изменения частоты с самосинхронизацией, называют вентильными двигателями; иногда их называют бесколлекторными двигателями постоянного тока. Однако первое название является более правильным, так как эти двигатели могут получать питание от сети как постоянного, так и переменного тока. При питании вентильного двигателя от сети постоянного тока в преобразователе частоты должны применяться тиристоры с узлами принудительной коммутации. В двигателях малой мощности допустимо применение транзисторов. При питании вентильного двигателя от тиристорного преобразователя частоты, основанного на использовании автономного инвертора напряжения Способы пуска синхронных двигателей. В подавляющем большинстве случаев применяется асинхронный пуск синхронных двигателей  Обычно синхронные двигатели имеют на своем валу возбудитель в виде генератора постоянного тока параллельного возбуждения (рис. 1).При пуске по схеме рис. 1, а контакты 7 разомкнуты, а контакт 8 замкнут. При этом обмотка возбуждения двигателя 2 замкнута через сопротивление 6 и асинхронный пуск происходит в наиболее благоприятных условиях. В конце асинхронного пуска, при s = 0,05, срабатывает частотное реле, обмотка которого подключена к сопротивлению 6, и включает контактор цепи возбуждения. Контакты 7 контактора при этом замыкаются, а контакт 8 размыкается. В результате в обмотку 2 подается ток возбуждения и двигатель втягивается в синхронизм. Векторные диаграммы синхронных двигателей Векторные диаграммы синхронных двигателей можно изображать двояким образом.  На диаграмме рис. а ток I как и у генератора, рассматривается как отдаваемый в сеть. Проекция этого тока на направление U отрицательна, что свидетельствует о том, что активная составляющая тока в действительности потребляется из сети. Если на диаграмме рис. а вектор тока повернуть на 180° и изменить знак у вектора E, так как положительные направления I и E должны изменяться одновременно, то получим диаграмму рис. б, на которой ток I надо рассматривать как потребляемый из сети. Проекция I на направление ^ U положительна, что указывает на потребление активного тока из сети.  Из рис. а следует, что отдаваемая в сетьактивная мощность,а в соответствии с рис., б потребляемая из сети активная мощность Диаграммы соответствуют перевозбужденному двигателю, и такой двигатель, согласно рис. а, отдает в сеть отстающий ток, а согласно рис. б, потребляет из сети.Если рассматривается только двигательный режим синхронной машины, то более удобно пользоваться диаграммой рис. б. Как влияет насыщение стали на ток возбуждения холостого хода генератора? Ответ: Чем больше насыщение тем меньше ток возбуждения, это объясняется меньшими потерями тока возбуждения на создание реактивной мощности и перемагничивания. см конспект. Чем обусловленно различие между Xd иXq у явнополюсной машины xd - полное индуктивное сопротивление якоря по продольной оси; xq - полное индуктивное сопротивление якоря по поперечной оси.где xd = xad + xsa; xq = xaq + xsa. Векторная диаграмма короткого замыкания Зависимость Iк = f(Iв) называется характеристикой КЗ. Прямолинейность характеристики указывает на то, Что магнитная система генератора в этом режиме не насыщена. Чем больше размагничивающее действие тока КЗ, тем ниже располагается характеристика КЗ.  Характеристики ХХ и КЗ снимаются при вводе машины в эксплуатацию, а также после проведения ремонтов. Синхронная машина обратима и может работать в режиме генератора, двигателя или синхронного компенсатора.Как видно из векторных диаграмм ХХ и нагрузки мощность синхронной машины зависит от угла опережения между ЭДС, создаваемой током возбуждения, и напряжением на зажимах обмотки якоря. При холостом ходе он равен нулю, а с ростом нагрузки увеличивается. Причем в режиме генератора > 0, т.е. ЭДС опережает напряжение, в режиме двигателя он меньше нуля, а в режиме синхронного компенсатора 0. Процессы в генераторе определяются его параметрами: индуктивными сопротивлениями (синхронными, переходными и сверхпереходными), отношением короткого замыкания (ОКЗ) и постоянными времени различных контуров. Взаимосвязь всех режимных параметров синхронных генераторов во всем диапазоне нормальных режимов определяется его характеристиками: внешней (зависимость напряжения на зажимах генератора от тока статора при постоянном возбуждении - U = f(I) при Iв = const), регулировочной (зависимость тока возбуждения от тока статора при постоянном напряжении на зажимах - Iв = f(I) при U = const), U-образной (зависимость тока статора от тока возбуждения при постоянстве мощности на валу - I = f(Iв) при P = const), которые могут быть найдены приближенно аналитически или сняты экспериментально. Внешняя характеристика показывает как изменяется напряжение на выводах генератора при изменении нагрузки. Вследствие падения напряжения на сопротивлении обмотки статора напряжение на выводах с ростом активной нагрузки уменьшается. При активно-индуктивной нагрузке происходит еще большее уменьшение напряжения. Однако при работе генератора на активно-емкостную нагрузку, например на длинную слабозагруженную линию, напряжение с ростом нагрузки может увеличиваться. Снятие рабочих характеристик генератора Характеристики генератора определяют его рабочие свойства и представляют зависимость между основными величинами, которыми являются э. д. с. в обмотке якоря Е, напряжение на его зажимах и, ток в якоре Iя, ток возбуждения Iв и скорость вращения якоря п. Характеристики представляют собой зависимости между двумя из указанных основных величин при неизменных остальных. Эти зависимости имеют различный вид для генераторов разных типов. Снятие всех характеристик машины производится при постоянной скорости вращения якоря, так как при изменении скорости значительно изменяются все характеристики генератора. Характеристика холостого хода генератора представляет собой зависимость между э. д. с. в якоре и током возбуждения, снятую при отсутствии нагрузки и постоянном числе оборотов. Подключают нагрузку, под действием чего в ней устанавливается ток, величина и напряжение которого поддерживает неизменный магнитный поток. Из этого режима определяют процентное изменение напряжения на зажимах во всем диапазоне изменения нагрузки (от 0 до номинального). Процентное изменение напряжения генератора  где Uхх – напряжение на зажимах в режиме холостого хода; Uном – номинальное напряжение генератора. Из этого режима также строят внешнюю характеристику трансформатора. Регулировка мощности СГ Т  рехфазный синхронный генератор - обратимая машина, т.е. если обмотку якоря подключить к шинам трехфазного напряжения, а ротор довести до синхронной частоты вращения, то генератор будет работать как двигатель, создавая вращающий момент на валу. Синхронный двигатель почти всегда (исключение - микродвигатели) работает при многофазном питании обмоток статора, создающих вращающееся магнитное поле. Полюса ротора входят в синхронизм с полюсами статора и увлекаются ими (рис.). Поэтому при постоянной частоте напряжения питания частота вращения синхронного двигателя постоянна и равна S = (120f)/P (об/мин). Важное достоинство синхронного двигателя состоит в том, что он позволяет регулировать коэффициент мощности изменением тока возбуждения. Таким путем можно установить коэффициент мощности, равный 1. В случае недовозбуждения (ток возбуждения меньше номинального) двигатель потребляет ток, отстающий по фазе от напряжения питания, и действует как индуктивная нагрузка; в случае же перевозбуждения он потребляет ток, опережающий по фазе напряжение, и действует как емкостная нагрузка. Благодаря этой особенности синхронный двигатель представляет большую ценность с точки зрения регулирования энергетических систем. За счет реакции якоря ток, отстающий по фазе, усиливает возбуждение, а опережающий - ослабляет его. Как и в случае генератора, обе реакции противодействуют изменению возбуждения и тем самым повышают устойчивость системы. |