Специальные виды и режимы работы синхронных машин

7.1 Синхронные двигатели и компенсаторы

7.1.1 Способы пуска трехфазного синхронного двигателя.

7.1.2 Векторные диаграммы СД.

7.1.3 Рабочие характеристики СД.

7.1.4 Синхронный компенсатор.

7.1.1 Способы пуска трехфазного синхронного двигателя.

Различают следующие способы пуска СД:

1) с помощью вспомогательного двигателя;

2) частотный пуск;

3) асинхронный пуск

Пуск в ход СД непосредственным включением его в сеть невозможен, т.к. из-за большой инерции ротора поле статора не может увлечь его за собой, поэтому электромагнитной связи между ротором и статором не возникает.

Обычно для пуска СК и двигатель-генераторов (СД+ГПГ), использующихся для преобразования переменного тока в постоянный используют вспомогательный АД, мощность которого 10÷15% S_СД, СД включают в сеть как генератор способом самосинхронизации, а затем отключают АД от сети. Недостаток: нельзя пускать СД с большой нагрузкой на валу, т.к. пусковое устройство получается громоздким и дорогим.

Поскольку частота вращения ротора жестко связана с частотой питающей сети, то пускать СД можно частотным способом. В этом случае СД должен питаться либо от регулируемого частотного преобразователя, либо от отдельного генератора с переменной 0<f₁<f_н.

Частотный пуск имеет много проблем: необходимость источника переменной частоты; невозможность самовозбуждения (отдельный возбудитель); необходимость одновременного регулирования и i_x.

Наиболее распространенный способ пуска – асинхронный.

Мы говорили, что СД имеет на роторе пусковую обмотку в виде беличьей клетки.

В первый период пуска ОВ отключена от источника и замкнута накоротко через активное сопротивление величина которого r_n=10r_x. Если бы во время пуска ОВ была бы разомкнута, то U_x=E_x – эта э.д.с. может достигать величины, вызывающей пробой изоляции.

Обмотка статора включается под напряжение сети и в СД возникает асинхронный вращающий момент М_вр, который рассчитывается следующим образом:

где Ф – поток статора, который определяется U сети и неизменен; I_п – ток пусковой обмотки:

Iп=

(7.1.2)

Частота тока пусковой обмотки зависит от разности скоростей поля и ротора, т.е. равна f₁-f=f₁-f₁(1-S)=f₁S

Э.д.с., наводимая полем статора в ПО прямо пропорциональна f_по или E_п=SE`_п,

,

(7.1.3)

где – э.д.с. ПО при неподвижном роторе

,	(7.1.4)
,	(7.1.5)

следовательно

,

(7.1.6)

где k – коэффициент пропорциональности. Из (7.1.6) видно, что при S>0, М_вр>0 – режим двигателя.

В начальный момент пуска, когда S=1 (ротор неподвижен) СД развивает момент, называемый пусковым

.

(7.1.7)

Если взять =0, то можно получить S при котором момент максимален М_вр=М_m:

Sm=r2/x2;	(7.1.8)
	(7.1.9)

Изменяя S от 1 до 0 можно построить график зависимости М_вр=f(S).

Рисунок 7.1.1 –Механическая характеристика асинхронного режима СД

Если пусковой момент меньше, чем М_пр – момент нагрузки на валу (характер М_пр может быть различным), то СД получит ускорение и будет разворачиваться до тех пор, пока М_пр=М_вр, т.е. до точки 1. Момент, соответствующий точке 1 называется входным вращающим моментом, в точке 1 S 0,05 (скорость составляет 0,5% от номинальной). Когда СД достигает точки 1, то включают i_x и двигатель втягивается в синхронизм.

Динамика втягивания двигателя в синхронизм.

В момент подачи возбуждения на ротор действуют моменты: асинхронный М_а (М_вр); привода – М_пр, причем М_пр=М_а, и начинает действовать электромагнитный момент М_эм.

Их сумма М_а-М_пр+М_эм=М_j называется динамическим моментом вращения, который заставляет ротор изменять свою скорость (качаться) до тех пор, пока скорость не достигнет синхронного значения, а М_а=0 и установится равенство М_эм=М_пр.

Рисунок 7.1.2 – Угловая характеристика М_эм(Θ) и М_а(S)

Процесс втягивания в синхронизм будем рассматривать по угловой характеристике М_эм(Θ) и М_а(S).

Пусть в момент подачи ix вектора Ú и É совпадают, т.е. Θ=0. Из точки О надо будет прийти в точку 1.

Поскольку ротор в точке О имеет некоторое скольжение S, то угол Θ будет увеличиваться, это приведет к появлению М_эм, который вызовет ускорение ротора, т.е. n_р↑, S↓ и следовательно М_а↓. В точке Н, S=0, n_р=n₁ и М_а=0. Но ротор будет продолжать ускоряться, что повлечет за собой снижение Θ, с одной стороны и появление – S и отрицательную М_а – с другой (см. М_а(S)) – генераторный режим (асинхронный). Угол Θ будет снижаться до тех пор, пока в точке α не наступит равновесие моментов: -М_а=М_эм, М_j=0. Однако, т.к. S<0, то угол будет снижаться до тех пор, пока n_р=n₁, т.е. скорость ротора не достигнет синхронного значения и М_а=0 в точке N. Не в этой точке М_пр>М_эм, ротор начнет тормозиться, угол Θ ↑ S↑>0 и появится М_а>0. В конце концов в точке Р опять наступит равновесие моментов но при М_а=0, М_эм=М_пр.

Электромагнитный момент СД.

Вспомнив еще раз принцип действия двигателя, запишем, что сила, действующая на проводник с током в поле:

Если проводник уложен в статоре диаметром Д_а, то F_эм создает электромагнитный момент:

являющийся в двигателе вращающим моментом. Следует отметить, что в машинах переменного тока вращающий момент создается только активной составляющей тока.

РИС

(7.1.11)

Умножим и разделим правую часть уравнения на υ₁:

,

(7.1.12)

где Ω=2πn₁ – угловая скорость вращения.

Поскольку уравнение угловой характеристики для СМ имеет вид приведенный ранее, то

,

(7.1.13)

Из выражения (7.1.13)) можно определить: максимальный электромагнитный момент:

Мэмm = ;

(7.1.14)

синхронизующий момент:

= +

(7.1.15)

коэффициент статической перегружаемости:

Определяется номинальным режимом работы (М_эмн=М_ст статическому моменту нагрузки).

Из выражения (7.1.13)) можно определить реактивный момент (невозбужденной явнополюсной СМ):

Мэмр= sin2Θ,

(7.1.17)

который существует из-за магнитной несимметрии явнополюсной СМ, если x_d=x_q, М_эмр=0.

Физически возникновение реактивного момента в явнополюсной машине объясняется тем, что ротор (невозбужденный) стремится занять по отношения к вращающемуся полю положение, при котором сопротивление магнитного потока и энергия поля минимальны.

Если М_ст=0, то М_эм=0 и Θ=0, т.е. ось ротора и поля совпадают. Если вал нагружен, т.е. М_эм.

7.1.2 Векторные диаграммы СД.

При построении в.д. пользуются уравнением направлений, которое записывают в 2-х видах:

1) уравнение, аналогичное уравнению СГ:

= -jIdxd-jIqxq-Ira,

(7.1.18)

но фаза тока Ψ такова, что: Р=mUIcosφ<0, т.е. активная мощность потребляется.

Θ<0; 90⁰<φ<270⁰.

Рисунок 7.1.3 –Векторная диаграмма синхронного двигателя 1-й вариант

Составляющая тока Icosφ (проекция на направление ) отрицательна, следовательно, СМ отдает отрицательный ток в сеть, или потребляет из сети активную составляющую тока.

2) Если в этой в.д. повернуть вектор тока на 180⁰ (и поменять знак у , для сохранения реального фазового сдвига Ψ), то ток на в.д. – потребляемый из сети. При этом:

=- +jIdxd+jIqxq+Ira,

(7.1.19)

или

- = -jIdxd-jIqxq-Ira,

(7.1.20)

Р= mUIcosφ>0, т.е. из сети потребляется активная мощность.

Рисунок 7.1.4 –Векторная диаграмма СД - 2-й вариант

Из в.д. видно, что если С.Д. работает в режиме перевозбуждения, то СД отдает в сеть Q:

для1-го типа в.д. Q=mUIsinφ>0 – отдается

для 2-го типа в.д. Q=mUIsinφ>0 – отдается

7.1.3 Рабочие характеристики СД.

Рабочими характеристиками СД называется зависимость М_эм, Р₁, I, cosφ и η от Р₂ – мощности на валу СД.

Рабочие характеристики снимаются при ω₁=const (n₂=const), U₁=const, ix=const.

М=Р₂/Ω₁ – меняется прямо пропорционально Р₂ т.к. Ω₁=const, Р₁=Р₂+ΣР, ΣР – состоят из постоянных ( механические, магнитные, на возбуждение) и переменных, которые растут с ростом Р₂, поэтому Р₂ растет не по прямой, а быстрее.

Рисунок 7.1.5 – Рабочие характеристики СД

η=f(Р₂) – имеет вид, как у трансформатора, максимум η определяется равенством постоянных и переменных потерь. С ростом Р₂ несколько падает cosφ, т.к. растет Е_σа при постоянном i_x.

I= ,

(7.1.21)

т.к. cosφ падает, то I растет быстрее, чем Р₁.

V- образные кривые СД строятся также, как и для СГ и представляют собой зависимость I=f(i_x) при Р=const.

Рисунок 7.1.6 – V-образные кривые СД

Минимум каждой кривой соответствуют I=I_a; в отличие от СГ V-образная кривая СД не может коснуться оси i_x и I_0min соответствует мощности сети Р, идущей на покрытие потерь х.х.

Форма V-образных кривых зависит от x_d. Чем меньше x_d, тем острее V-образная кривая, т.е. тем больший ток течет в ОЯ при одном и том же Δi_х

Рисунок 7.1.7 – Зависимость V-образных кривых от Xd

xd1<xd2; I= ; ΔU=E-U

7.1.4 Синхронный компенсатор.

Уже отмечалось, что СМ, не несущие активной нагрузки называют синхронными компенсаторами. Нормальный режим работы СК – перевозбужденный, с отдачей в сеть Q. Но в период спада нагрузки (сезонные изменения) СК могут работать в режиме недовозбуждения, потребляя из сети Q, снижая Uc до номинального значения.

В принципе СК – это тот же двигатель, работающий на х.х. (без приводного двигателя на валу), поэтому он потребляет из сети Р для покрытия потерь х.х.

Режимы работы СК могут быть проиллюстрированы индукционными характеристиками.

Рисунок 7.1.8 – Индукционные характеристики синхронного компенсатора

Треугольники а₁b₁c₁, a₂b₂c₂ соответствуют отдачи в сеть соответственно и индуктивного тока. Н-точка номинального режима.

Наибольший I_сн получается при i_x=0 (при U=U_н). величина I_αн может получиться больше, чем I_сн, его величина будет определяться только нагревом активных частей СК.