Синхронный двигатель как компенсатор реактивной мощности

Возможность работы СД в качестве источника (компенсатора) реактивной мощности иллюстрируют так называемые U-образные характеристики (рис. 147), представляющие собой зависимости тока статора двигателя I₁ и его cosφ от тока возбуждения I_в при постоян­ных напряжении, частоте и мощности U_ф = const, f₁ = const и Р₁ = = const.

Минимуму зависимости I₁(I_в) соответствует максимум коэффи­циента мощности cosφ = 1, что можно объяснить с помощью фраг­мента векторной диаграммы синхронного двигателя (рис. 147), по­казывающего расположение векторов напряжения сети U_ф, тока ста­тора I₁, его активной I_1а и реактивной I_1р составляющих при раз­личных токах возбуждения СД.

При небольших токах возбужде­ния ток статора I₁ отстает от напря­жения U_ф на угол φ, что соответству­ет работе СД с отстающим cosφ и по­треблению им реактивной энергии из питающей сети, так как активная со­ставляющая полного тока I_1а= I₁cosφ совпадает по направлению с векто­ром напряжения сети U_ф, а реактив­ная составляющая I_1р отстает от него на 90^о, что и определяет потребление реактивной мощности из сети.

Допустим, что трехфазный СД работает при постоянной механической на­грузке и потребляет из сети активную мощность

Р₁=3U_фI₁соsφ = 3U_фI_1а. (255)

Из (255) следует, что при Р₁ = const ток I_1а = const. Поэтому при увеличении тока возбуждения СД конец вектора полного тока I₁ будет перемещаться вверх до штриховой вертикальной линии, что означает уменьшение реактивной составляющей тока. При не­котором токе возбуждения, близком к номинальному, реактив­ная составляющая тока станет равной нулю, т.е. ток статора бу­дет чисто активным I_1а. Этому режиму и будут соответство­вать точки минимумов кривых 1, 2 I₁(I_в) на рис. 147 и максимально воз­можное значение cosφ= 1.

При дальнейшем увеличении тока возбуждения СД вновь по­явится реактивная составляющая тока I_1р, но уже опережающая на­пряжение сети на 90°. За счет этого ток статора будет также опере­жать напряжение сети и СД начнет работать с опережающим cosφ, отдавая реактивную энергию в питающую сеть.

На рис. 147 показаны зависимости I₁(I_в) - кривые 7, 2 и cosφ(I_в)- кривые 5, 4 при номинальной нагрузке СД Р_ном (7 и 5) и его холос­том ходе (2 и 4). Область характеристик справа от штриховой ли­нии 5 соответствует работе СД с опережающим cosφ, слева от нее - с отстающим, на самой этой линии cosφ = 1. Отметим, что СД без механической нагрузки на валу носит название компенсатора реак­тивной мощности.

Рис.147. U - образные характеристики СД

и часто используется в этой функции в системах электроснабжения.

Как видно из рис. 147, с ростом мощности нагрузки область ге­нерации реактивной мощности (опережающего cosφ) смещается в сторону больших токов возбуждения. Таким образом, если СД ра­ботает с переменной нагрузкой на валу, то для полного использо­вания его компенсирующих свойств требуется соответствующее из­менение тока возбуждения.

Рис.148. Векторная диаграмма СД

Регулирование тока возбуждения позволяет не только исполь­зовать СД как компенсатор реактивной мощности в системе элект­роснабжения, но и обеспечивать при необходимости устойчивость работы двигателя при колебаниях механической нагрузки; поддер­жание нормального напряжения в узле системы энергоснабжения, к которому присоединен двигатель; минимум потерь энергии в дви­гателе и системе энергоснабжения; регулирование cosφ двигателя или в узле подключения его к системе энергоснабжения.

В общем случае регулирование тока возбуждения СД осущест­вляется системами автоматического регулирования возбуждения (АРВ), в которых используются тиристорные возбудители и различ­ные виды обратных связей.

Особенности переходных процессов электропривода с синхронным двигателем.Переходные процессы в ЭП с СД отличаются большим разнооб­разием и сложностью. Они возникают при пуске и торможении (ос­танове) СД, при синхронизации его с сетью, увеличении (набросе) и снижении (сбросе) механической нагрузки, регулировании тока воз­буждения, изменении напряжения питающей сети, вызываемом, в том числе и короткими замыканиями в электрических сетях и линиях элек­тропередач. Изучение этих переходных процессов представляет со­бой сложную задачу. Определяется это тем, что СД имеет несколько обмоток - статора, возбуждения и пусковую, обтекаемые перемен­ным и постоянным токами, которые маг­нитно связаны друг с другом и в процес­се работы двигателя непрерывно меня­ют расположение относительно друг друга. Кроме того, во многих случаях необходимо учитывать и взаимодействие СД и питающей сети.

В общем случае переходные процес­сы в синхронном ЭП являются электро­механическими, т.е. процессы в элект­рической и механической частях ЭП связанны друг с другом и имеют, как правило, колебательный характер. На рис. 149 в качестве примера показаны графики колебательного затухающего переходного процесса при вхождении СД в синхро­низм.

Рис. 149. Графики переходного процесса вхождения СД в синхронизм

Вопросы для самоконтроля

1. Какие достоинства присущи СД?

2. Что такое угловая характеристика СД?

3. В чем состоят особенности пуска СД?

4. Как включается обмотка возбуждения СД при пуске?

5. Как ограничиваются токи при пуске СД?

6. Что такое U-образные характеристики СД?

7. Как с помощью СД можно компенсировать реактивную мощность в пи­тающей сети?

8. Каким образом происходит регулирование тока возбуждения СД?

9. В чем особенности переходных процессов в ЭП с СД?