Синхронные машины. Машины постоянного тока

,

где хк – сопротивление фазы в режиме коммутации; Ек – действующее значение фазной э.д.с. за сопротивлением хк.

При коммутации одновременно открыты однополярные вентили двух фаз (рис. 1.43), вследствие чего эти фазы оказываются замкнутыми накоротко и ток из одной фазы переходит в другую под действием разности фазных э.д.с.

Так как время коммутации вентилей очень мало (доли периода), электромагнитные процессы в машине протекают в это время так же, как и на начальном этапе внезапного двухфазного короткого замыкания (см. 1.18). При этом в качестве сопротивления хк следует принимать индуктивное сопротивление для этого режима

.

Физически это означает, что несииусоидальный ток в обмотке якоря создает высшие гармоники м. д с якоря и соответствующие потоки, которые индуктируют в демпферной обмотке и обмотке возбуждения высшие гармоники э. д. с. и токов. В результате этого форма и величина результирующего магнитного потока остаются практически неизменными.

Векторная диаграмма неявнополюсного синхронного генератора, работающего на выпрямительную нагрузку, показана на рис. 1.44, а и соответствует уравнению:

.                                  (1.41)

В данном случае берется первая гармоника тока Ia, a э. д. с. Е0 и Ек практически синусоидальны, так как индуктируются синусоидальным магнитным потоком.

Для машины с явно выраженными полюсами векторная диаграмма (рис. 1.44, б) строится по уравнению:

.                       (1.41)

Вектор первой гармоники напряжения на диаграмме обычно не показывают, так как для генератора, нагруженного на выпрямитель, важным является среднее значение выпрямленного напряжения Ud.

Рис. 1.43 – Графики изменения э д с, напряжения и тока в фазах обмотки якоря с учетом коммутации тока в выпрямителе

Рис. 1.44 – Векторные диаграммы синхронного генератора, работающего на выпрямительную нагрузку

При рассмотрении рис. 1.43 легко заметить, что в период коммутации вентилей, включенных, например, в фазы А и В, мгновенное значение выпрямленного напряжения ud = 0,5 (еА – еВ), т.е. меньше, чем при отсутствии коммутации. Следовательно, наличие индуктивного сопротивления хк приводит к уменьшению среднего значения выпрямленного напряжения Ud по сравнению с его значением Ud0 при отсутствии коммутации и к увеличению пульсаций в кривой выпрямленного напряжения (показана жирной линией на рис. 1.43).

Величина среднего выпрямленного напряжения с учетом коммутации тока в выпрямителе при Id = const

,

где Ud0–среднее значение выпрямленного напряжения без учета коммутации тока в выпрямителе (идеализированные условия); ΔUк=mnIdxк/(2π) – среднее значение падения напряжения, обусловленного коммутацией тока в выпрямителе; n – число последовательно включенных коммутационных групп вентилей («1» – при нулевой и «2» – при мостовой схемах).

При этом в общем случае

.

При включении выпрямителя по трехфазной нулевой схеме Ud0=1,17Eк, а по трехфазной мостовой схеме Ud0 = 2,34Eк, так как к вентилям приложена линейная э. д. с. и схема выпрямления эквивалентна шестифазной.

Использование мощности. При работе синхронного генератора на выпрямитель реализуемая мощность становится меньше номинальной мощности или, как говорят, использование генератора ухудшается. Рассмотрим этот вопрос применительно к двум наиболее распространенным схемам выпрямления, заменив для простоты реальную форму тока прямоугольной с высотой Id, как это показано на рис. 1.42, а штриховой линией.

При трехфазной нулевой схеме выпрямления (рис. 1.41, а) мощность одной фазы генератора

.           (1.42)

При прямоугольной форме тока действующее значение тока в любой фазе , где τ = T/3-время прохождения тока через данную фазу; Т – период изменения тока. Следовательно, мощность фазы

.            (1.42)

Поскольку мощность одной фазы синхронного генератора при работе без выпрямителя Рф = IaEacosφ, то коэффициент использования генератора при трехфазной нулевой схеме выпрямления

.

Таким образом, при cosφ =l и α = 0, т.е. при отсутствии регулирования, мощность генератора, работающего на выпрямитель, снижается примерно на 1/3 по сравнению с мощностью генератора, работающего на чисто активную нагрузку. Объясняется это тем, что ток проходит через фазу только в течение 1/3 периода.

Лучшее использование генератора обеспечивается при применении трехфазной мостовой схемы выпрямления (рис. 1.41, б), при которой ток проходит через фазу в течение 2/3 периода. В этом случае мощность одной фазы генератора

,         (1.42в)

а действующее значение тока фазы Ia = Id√ 2/3. Следовательно, мощность фазы генератора

,       (1.42 г.)

а коэффициент использования

.

При увеличении угла регулирования α использование ухудшается, так как уменьшается среднее значение выпрямленного напряжения. Одновременно в этом случае первая гармоника тока якоря İа все более отстает по фазе от э. д. с. Ėк, вследствие чего возрастает размагничивающее действие реакции якоря. При построении векторной диаграммы синхронного генератора, работающего на выпрямительную нагрузку, вектор якоря Iа будет отставать на угол α + 0,5γ от вектора э. д. с. Ėк, а величина cos (α + 0,5γ) будет играть приблизительно такую же роль, как и cosφ при работе генератора на активно-индуктивную нагрузку (без выпрямителя).

Потери мощности. Высшие гармоники тока якоря создают дополнительные электрические потери в проводниках обмотки якоря (из-за явления вытеснения тока), увеличивая на 5–8% основные электрические потери в ней. Дополнительные магнитные потери в стали магнитопровода, появляющиеся от высших гармоник поля, очень невелики, так как высшие гармоники м.д. с. существенно уменьшаются токами демпферной обмотки. Генераторы, работающие на выпрямитель, целесообразно снабжать мощными демпферными обмотками еще и потому, что это уменьшает сверхпереходные индуктивности (см. 1.18), от которых зависит угол коммутации γ, влияющий на использование генератора.

1.13 Синхронный двигатель

Как было показано ранее, синхронная машина, работающая параллельно с сетью, автоматически переходит в двигательный режим, если к валу ротора приложен тормозной момент. При этом машина начинает потреблять из сети активную мощность и возникает электромагнитный вращающий момент. Частота вращения ротора остается неизменной, жестко связанной с частотой сети соотношением n2, = n1 = 60f1/p, что является важнейшим эксплуатационным свойством синхронных двигателей.

Векторные диаграммы. По основным комплексным уравнениям синхронной машины (1.19в) и (1.23б) могут быть построены векторные диаграммы. Однако для синхронного двигателя в указанные уравнения вместо величины Ù надо подставить – Ùс, так как не принято говорить о «напряжении двигателя»; при этом для не-явнополюсной и явнополюсной машин будем иметь:

.                                     (1.43)

Построение векторных диаграмм (рис. 1.45, а, б) по формулам системы (1.43) рекомендуется начинать с изображения векторов Ùс и – Ùс. Далее строится вектор тока İа, активная составляющая которого совпадает с направлением вектора Ùc, и определяют вектор Ė0. При построении диаграммы для явнополюсной машины (рис. 1.45, б) нужно так же, как это делалось в диаграмме для генератора (см. рис. 1.25, в), вначале определить направление вектора Ė0, прибавив к – Ùc вспомогательный вектор

Рис. 1.45 – Упрощенные векторные диаграммы синхронного неявнополюсного (а) и явнополюсного (б) двигателя

Для выяснения свойств синхронного двигателя рассмотрим его работу при изменении нагрузочного момента Мвн и постоянном токе возбуждения; при этом для простоты будем пользоваться векторной диаграммой неявнополюсной машины. Допустим, что двигатель работает при cosφ = l, чему на векторной диаграмме (рис. 1.46, а) соответствуют ток İа1 и угол θ1. С повышением нагрузки увеличивается угол между векторами Ė0 и – Ùс до какого-то значения θ2, так как согласно (1.35а) вращающий момент М = Мвн пропорционален sinθ. При этом конец вектора Ė0 перемещается по окружности с радиусом, равным Е0, и при принятых условиях (Iв = const; E0 = const и Uc = const) вектор тока İа2 также поворачивается вокруг точки 0, располагаясь перпендикулярно вектору – jİа2xсн Из диаграммы видно, что в рассматриваемом случае ток двигателя İа2 будет иметь отстающую реактивную составляющую.

Если нагрузка двигателя снизится по сравнению с исходной, то угол θ уменьшится до значения θ3. При этом ток двигателя İа3 будет иметь опережающую реактивную составляющую.

Следовательно, изменение активной мощности синхронного двигателя приводит к изменению его cosφ: при уменьшении нагрузки вектор тока поворачивается в сторону опережения и двигатель может работать с cosφ = 1 или с опережающим током; при увеличении нагрузки вектор тока поворачивается в сторону отставания.

Рис. 1.46 – Упрощенные векторные диаграммы синхронного двигателя:

а – при изменении нагрузочного момента на валу; б – при изменении э. д. с. Е0 путем регулирования тока возбуждения

Если при неизменной активной мощности менять ток возбуждения, то будет меняться только реактивная мощность, т.е. величина cosφ. Векторная диаграмма для этого случая изображена на рис. 1.46, б. Если двигатель работает при cosφ = l, то этому режиму соответствует э.д.с. Ė01 и некоторый угол θ1. При уменьшении тока возбуждения э.д.с. Ė0 снижается до Ė02. Поскольку активная мощность остается неизменной, из условия Р = Рэм = mUc (E0/xсн) sinθ = const получим, что Е01 sin θ1 = Е02 sinθ2 Отсюда следует, что конец вектора Ė0 при изменении тока возбуждения будет перемещаться по прямой ВС, параллельной вектору Ùc и проходящей через конец вектора Ė01 Из векторной диаграммы (рис. 1.46, б) видно, что угол θ2 будет больше θ1.

Аналогично строится диаграмма при увеличении тока возбуждения. В этом случае э д с Ė0 возрастает до величины Ė03 и угол θ3 становится меньшим θ1. Вектор – jİа3xсн поворачивается вокруг точки А и соответственно ему изменяет направление вектор тока İa3, перпендикулярный вектору – jİa3xсн

При этом из условия равенства активных мощностей имеем: Ia1 cosφ1 = Iа2 cosφ2 = Ia3 cosφ3, конец вектора тока İа перемещается по прямой DE, перпендикулярной вектору Ùc По диаграмме, приведенной на рис 1.46, б, можно построить U-образные характеристики для двигателя Iа = f(Iв), которые будут иметь такую же форму, как и характеристики для генератора (см рис 1.40), с той лишь разницей, что для двигателя угол сдвига фаз φ принято отсчитывать от вектора напряжения сети Ùc Поэтому при недовоз-буждении ток İа будет отставать от напряжения сети Ùc, т.е. двигатель будет потреблять из сети реактивную мощность Q, а при перевозбуждении ток будет опережать напряжение сети Ùc, т.е. двигатель будет отдавать в сеть реактивную мощность

Рабочие характеристики (рис 1.47) Представляют собой зависимости тока Iа, электрической мощности P1 поступающей в обмотку якоря, к п д η и соsφ от отдаваемой механической мощности Р2 при Uc = const, fc = const и Iв = const Поскольку частота вращения двигателя постоянна, зависимость n = f(P2) обычно не приводится; не приводится также и зависимость M = f(P2), так как вращающий момент М пропорционален Р2. Зависимость Р1 = f(Р2) имеет характер, близкий к линейному

Ток двигателя при холостом ходе является практически реактивным По мере роста нагрузки растет активная составляющая тока, в связи с чем зависимость тока Ia от мощности Р2 является нелинейной Кривая η = f(P2) имеет характер, общий для всех электрических машин. Синхронные двигатели могут работать с соsφ = 1, но обычно их рассчитывают на работу при номинальной нагрузке с опережающим током, при этом cosφном = 0,9 ÷ 0,8 В этом случае улучшается суммарный cosφ сети, от которой питаются синхронные двигатели, так как создаваемая ими опережающая реактивная составляющая тока Iа компенсирует отстающую реактивную составляющую тока асинхронных двигателей. Зависимость cosφ = f(P2) при работе машин с перевозбуждением имеет максимум в области Р2 > Рном. При снижении Р2 величина cosφ уменьшается, а отдаваемая в сеть реактивная мощность возрастает.

Рис. 1.47 – Рабочие характеристики синхронного двигателя

Достоинства и недостатки синхронного двигателя в сравнении с асинхронным. Синхронные двигатели имеют следующие достоинства:

а) возможность работы при cosφ = l; это приводит к улучшению cosφ сети, а также к сокращению размеров самого 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 его 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;

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 cosφ и уменьшенные габаритные размеры машины, синхронные двигатели предпочтительнее асинхронных.

1.14 Пуск в ход синхронного двигателя

Метод асинхронного пуска. Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока электромагнитный момент будет дважды менять свое направление, т.е. средний момент за период будет равен нулю. При этих условиях двигатель не сможет прийти во вращение, так как ротор его, обладающий определенной инерцией, не может быть в течение одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска в ход синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

В настоящее время для этой цели применяют метод асинхронного пуска. При этом методе синхронный двигатель пускают в ход как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой, выполненной по типу беличьей клетки. Обычно эту клетку изготовляют из латуни с целью увеличения сопротивления стержней При включении трехфазной обмотки якоря в сеть образуется вращающееся магнишое поле, которое, взаимодействуя с током Iп в пусковой обмотке (рис. 1.48, а), создает электромагнитные силы F и увлекает за собой ротор. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм.

Рис. 1.48 – Устройство пусковой обмотки синхронного двигателя (а) и схемы его асинхронного пуска (б, в): 1-обмотка возбуждения, 2 – пусковая обмотка, 3 – ротор, 4 – обмотка якоря, 5-гасящий резистор, 6 – якорь возбудителя, 7 – кольца и щетки

В настоящее время применяют две основные схемы пуска синхронного двигателя. При схеме, изображенной на рис. 1.48, б, обмотку возбуждения вначале замыкают на гасящий резистор, сопротивление которого rдоб в 8–12 раз превышает активное сопротивление rв обмотки возбуждения. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной (при s = 0,05), обмотку возбуждения отключают от гасящего сопротивления и подключают к источнику постоянного тока (возбудителю), вследствие чего ротор втягивается в синхронизм. Осуществить пуск двигателя с разомкнутой обмоткой возбуждения нельзя, так как во время разгона ротора при s > 0 в ней индуктируется вращающимся магнитным полем э. д. с.

,

где Фm–амплитуда магнитного потока вращающегося поля; ωв – число витков обмотки возбуждения; f2 = f1s-частота изменения тока в обмотке возбуждения.

В начальный момент пуска при s ≈ 1 из-за большого числа витков ωв обмотки возбуждения э.д.с. Ев может достигать весьма большой величины и вызвать пробой изоляции.

При схеме, изображенной на рис. 1.48, в, обмотка возбуждения постоянно подключена к возбудителю, сопротивление которого по сравнению с сопротивлением rв весьма мало, поэтому эту обмотку в режиме асинхронного пуска можно считать замкнутой накоротко. С уменьшением скольжения до s = 0,3 4–0,4 возбудитель возбуждается и в обмотку возбуждения подается постоянный ток, обеспечивающий при s ≈ 0,05 втягивание ротора в синхронизм.

Различие пусковых схем обусловлено тем, что не во всех случаях может быть применена более простая схема с постоянно подключенной к возбудителю обмоткой возбуждения (рис. 1.48, в), так как она имеет худшие пусковые характеристики, чем более сложная схема, приведенная на рис. 1.48, б. Главной причиной ухудшения пусковых характеристик является возникновение одноосного эффекта – влияния тока, индуктируемого в обмотке возбуждения при пуске, на характеристику пускового момента.

Для анализа этого явления предположим вначале, что в двигателе отсутствует пусковая обмотка, а обмотка возбуждения замкнута накоротко. В результате при асинхронном пуске двигателя в обмотке возбуждения индуктируется э.д.с. с частотой f2 = f1s и по обмотке проходит переменный ток, создающий пульсирующее магнитное поле (обмотка возбуждения в этом случае является однофазной обмоткой переменного тока). Пульсирующее магнитное поле можно разложить на две составляющие: прямое и обратное вращающиеся магнитные поля ротора, которые характеризуются потоками Фпр и Фобр. Частота вращения каждого из этих полей относительно ротора

.

Относительно статора прямое поле вращается с частотой

,                            (1.44)

где n2 = n1(1-s) – частота вращения ротора.

Следовательно, оно вращается синхронно с полем статора; образуемый этим полем с током статора электромагнитный момент Мпр изменяется в зависимости от скольжения так же, как и в трехфазном асинхронном двигателе (рис. 1.49, кривая 2). Обратное поле ротора вращается относительно статора с частотой

,                 (1.45)

При частотах вращения ротора n2 < 0,5n1, т.е. при s > 0,5, обратное поле, как видно из формулы (1.45), перемещается относительно статора в сторону, противоположную направлению вращения ротора; при n2 = 0,5n1 это поле неподвижно относительно статора; при n2 > 0,5 (т.е. при s < 0,5) оно перемещается в ту же сторону, что и ротор.

В обмотке статора обратным полем индуктируется э.д.с. с частотой f1(1–2s), для которой обмотка статора является коротко-замкнутой. При этом по обмотке статора протекает соответствующий ток. Взаимодействуя с обратным полем ротора, этот ток создает электромагнитный момент Mобр. Так как направление момента зависит от направления вращения поля nр.обр относительно статора, то из формулы (1.45) следует, что он является знакопеременным и изменение его направления происходит при s = 0,5 (рис. 1.49, кривая 3).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18