Синхронные машины 1. Устройство синхронной трёхфазной машины 2. Принцип действия синхронного генератора (СГ) 3. Внешние и регулировочные характеристики СГ 4.Самовозбуждение. Регулирование активной и реактивной нагрузки СГ 5. Принцип действия синхронных двигателей (СД) 6. Вращающий момент, рабочие характеристики СД 7. Способы пуска СД 1

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Синхронные машины могут работать как в генераторном режиме, так и в режимах двигателя и компенсатора реактивной мощности. Синхронные генераторы - самые мощные электрические машины. Мощность генераторов, устанавливаемых на гидростанциях, достигает 640 МВт, а турбогенераторов, устанавливаемых на тепловых станциях, МВт. Синхронные двигатели используются в устройствах, не требующих изменения частоты вращения: это компрессоры, вентиляторы, насосы. Они выпускаются в диапазоне от 132 к Вт до 30 МВт. Выпускаются синхронные двигатели также и в виде микромашин 2

1. Устройство синхронной трёхфазной машины Синхронные машины - это машины переменного тока, у которых частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля, создаваемого магнитодвижущей силой обмотки статора. 3

Основная часть электрической энергии, производимой и используемой на Земле, вырабатывается с помощью синхронных трёхфазных турбогенераторов и гидрогенераторов, приводимых во вращение соответственно паровыми и гидротурбинами. Частота напряжения (тока), вырабатываемого синхронными генераторами, f 1 = pn 2 /60, где n 2 - частота вращения ротора; p - число пар полюсов магнитного поля статора. 4

Гидрогенераторы обычно имеют явнополюсное исполнение ротора (частота вращения n об/мин, соответственно число пар полюсов p 2 при f 1 = 50 Гц) (рис. 10.1, а), а турбогенераторы - неявнополюсное (n 2 = 3000 об/мин. при p = 1 и f 1 = 50 Гц)) (рис. 10.1, б). 5

6

Синхронные двигатели широко применяют, как правило, в электроприводах механизмов большой мощности (большие компрессоры, насосы, воздуходувки, угольные мельницы и т. д.) с нерегулируемой частотой вращения. Синхронные двигатели выпускаются в диапазоне мощностей от 132 до к Вт с частотой вращения от 250 до 3000 об/мин на напряжение 6 и 10 кВ, 50 Гц. Частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля статора: n 2 = n 1 = n 0 = 60f 1 /p Синхронные машины, не несущие механической нагрузки на валу, предназначенные для генерирования реактивной мощности и улучшения коэффициента мощности cosφ сети, называются синхронными компенсаторами. Как правило, это крупные машины (мощностью 16…160 МВ·А). 7

Устройство синхронных машин Синхронная машина, принципиальная схема устройства которой приведена на рис. 10.1, а, состоит из статора (якоря) 1 и ротора (индуктора) 2 8

Статор синхронной машины принципиально устроен так же, как и статор асинхронной машины. В пазах статора размещается многофазная (обычно трёхфазная) обмотка 1 (рис. 10.2). Фазы обмотки, как правило, соединяют в звезду. Магнитодвижущие силы фазных обмоток статора создают вращающееся магнитное поле Фв машины Неявнополюсный ротор (рис. 10.1, б) состоит из сердечника 1, изготавливаемого из углеродистой или легированной стали, и обмотки возбуждения 2, распределённой по нескольким пазам ротора таким образом, чтобы получить синусоидальную по форме магнитную индукцию В в зазоре машины 9

Явнополюсный ротор (рис. 10.1, а) представляет собой электромагнит 2, обмотка 3 которого питается постоянным током через два контактных кольца 4 и щетки 5 от постороннего источника напряжения ИН и называется обмоткой возбуждения (ОВ) (рис. 10.2). Ток Iв создаёт магнитный поток возбуждения Фв. В качестве источника постоянного напряжения ИН (возбудителя) используют генератор постоянного тока, располагаемый на одном валу с ротором синхронной машины, или вентильный выпрямитель с щёточной или безщёточной системой возбуждения 10

2. Принцип действия синхронного генератора (СГ) При работе синхронной машины в качестве генератора возбужденный ротор приводится во вращение с частотой n 2 внешним механическим моментом (например, моментом гидравлической или паровой турбины). Магнитодвижущая сила ОВ создаёт магнитный поток Фв, неподвижный относительно полюсов N - S и замыкающийся через сердечник статора (см. рис. 10.1, а). Вращающимся магнитным потоком Фв в фазах статорной обмотки индуктируются ЭДС Е я с частотой f 1 = pn 2 /60, смещённые во времени на электрический угол 120°. 11

Конструкция машины обеспечивает синусоидальное распределение магнитной индукции В полюсов в воздушном зазоре, вследствие чего при вращении ротора (индуктора) с частотой n 2 = n 0 в каждом витке обмотки создаётся синусоидально изменяющаяся ЭДС e 1 = 2B i lv, где Bi - магнитная индукция в местах нахождения проводников длиной l витка обмотки; v = πdn 0 /60 - скорость вращения ротора. При числе витков w фазной обмотки статора максимальное значение индуктированной в ней ЭДС Em = 2wB m lv, где Bm - максимальное значение магнитной индукции над полюсом ротора. 12

Действующее значение ЭДС постоянный коэффициент ЭДС, зависящий от конструктивных особенностей синхронной машины; коя - обмоточный коэффициент фазы статора. Таким образом, частота f 1 ЭДС Ея якоря пропорциональна частоте вращения ротора, а её неизменность обеспечивается условием n 0 = const. Регулирование величины ЭДС Ея (напряжения U) на выходе генератора осуществляют изменением магнитного потока Фв, точнее, изменением тока возбуждения I b в обмотке ОВ 13

Реакция якоря В установившемся режиме ЭДС в обмотке ротора не создаётся; МДС этой обмотки определяется только током возбуждения и не зависит от режима работы машины. Однако результирующий магнитный поток машины существенно зависит от характера нагрузки (активная, реактивная или активно-реактивная): система токов и МДС якоря размагничивают или намагничивают машину и, при наличии активной нагрузки, оказывают тормозящее действие на ротор. Воздействие МДС якоря на магнитное поле ротора называют реакцией якоря. Так как реакция якоря изменяет результирующий магнитный поток в машине, то напряжение генератора, работающего в автономном режиме, будет зависеть от величины и характера нагрузки Zн 14

Реакция якоря при активной нагрузке При активной нагрузке R (рис. 10.3) сдвиг фаз (угол φ ) между током и питающим её напряжением равен нулю. Пренебрегая падением напряжения в обмотке якоря, т. е. полагая, что напряжение генератора равно его ЭДС ( U Eя, рассмотрим взаимодействие магнитных потоков ротора Фв и якоря Фя. В момент времени е 0, когда ток нагрузки имеет максимальное значение Im, ЭДС обмотки якоря также будет иметь максимальное значение (угол φ = 0 ). Ось магнитного потока Фв ротора совпадает с плоскостью обмотки рассматриваемой фазы А, а ось магнитного потока якоря Фя совпадает с осью обмотки, т. е. совпадает с горизонтальной осью. 15

16

Над правой стороной северного N и левой стороной южного S полюсов ротора результирующий магнитный поток Фр от воздействия потока Фя возрастает, а над противоположными сторонами полюсов - уменьшается. Возникает так называемая поперечная составляющая реакции якоря. Ось результирующего магнитного потока Фр синхронного генератора поворачивается на угол Θ в сторону, противоположную вращению ротора. Чем больше нагрузка (ток I ), тем больше угол Θ. Увеличение тока нагрузки (угла Θ ) сопровождается увеличением нагрузочного момента на валу первичного двигателя, т. к. магнитные полюсы потоков Фв и Фя взаимно притягиваются (в генераторе полюсы ротора являются ведущими, "тянущими" за собой полюсы результирующего магнитного поля). Следовательно, активная нагрузка приводит к искажению магнитного потока машины и появлению момента сопротивления на валу ротора 17

Реакция якоря при индуктивной нагрузке При индуктивной нагрузке jXL (рис. 10.4) сдвиг фаз (угол φ ) между током и питающим её напряжением равен 90°. Напряжение (ЭДС) опережает по фазе ток на 90°. Если при t = t 0 ток нагрузки имеет максимальное значение I m, то ЭДС якоря равна нулю. В этом случае ось магнитного потока Фв ротора совпадает с осью обмотки фазы А, а магнитный поток якоря Фя направлен навстречу магнитному потоку Фв ротора 18

Результирующий магнитный поток Фр будет меньше магнитного потока Фв. Следовательно, индуктивная нагрузка создаёт размагничивающую составляющую реакции якоря, называемую продольной. При этой составляющей оси магнитных потоков совпадают (угол Θ = 0); дополнительный момент сопротивления на валу не возникает 19

Реакция якоря при ёмкостной нагрузке При ёмкостной нагрузке jXС (рис. 10.5) сдвиг фаз (угол φ ) между током и питающим её напряжением равен 90°. Но в этом случае напряжение (ЭДС) отстаёт по фазе от тока на 90°. При условии, что в момент t 0 ток нагрузки имеет максимальное значение I m (ЭДС якоря равна нулю), ось магнитного потока Фв ротора совпадает с осью обмотки фазы А, т. е. магнитный поток якоря Фя совпадает по направлению с магнитным потоком Фв ротора Результирующий магнитный поток Фр равен векторной сумме потоков Фв и Фя. Следовательно, ёмкостная нагрузка создаёт намагничивающую (продольную) составляющую реакции якоря. Результирующий магнитный поток будет больше магнитного потока ротора. 20

21

Реакция якоря при активно-индуктивной нагрузке Выводы, полученные на основании трёх случаев, можно распространить и на общий случай смешанной нагрузки. Так, при активно-индуктивной нагрузке (рис. 10, б) реакция якоря имеет две составляющие - продольную (создающую момент сопротивления на валу ротора) и поперечную (размагничивающую машину) 22

3. Внешние и регулировочные характеристики СГ Характеристика холостого хода генератора Ея = f(Iв) это зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения при отключенной нагрузке (I = 0) и постоянной частоте вращения (n = const) ротора (рис. 10.7). Эта характеристика аналогична кривой намагничивания ферромагнитного материала. На рис показаны две ветви характеристики: одна получена при увеличении тока возбуждения, а вторая - при уменьшении тока Iв. Электродвижущая сила Ея 0 создаётся остаточным магнитным потоком ротора при токе Iв = 0. Характеристика холостого хода позволяет оценить степень насыщения магнитной цепи генератора. 23

Внешняя характеристика генератора - это зависимость фазного напряжения генератора от тока нагрузки при постоянной частоте вращения ( n = const ) ротора, неизменном токе возбуждения ( Iв = const ) и коэффициенте мощности нагрузки ( cosφ = const ). Напряжение Uф на зажимах фазной обмотки якоря, схема замещения которой приведена на рис. 10.8, а, зависит от индуктируемой в ней магнитным потоком Фр результирующей ЭДС E0 и падений напряжений в активном сопротивлении Rя и в т. н. синхронном индуктивном сопротивлении Хс, т. е. Uф = f(I) 24

Регулировочная характеристика генератора Для стабилизации напряжения U ф необходимо регулировать ЭДС E 0 путём 25 соответствующего изменения тока возбуждения Iв. Регулировочные характеристики Iв = f(I), снимаемые при n 0 = const и cosj = const, приведены на рис Они показывают, как необходимо изменять ток возбуждения при изменении тока нагрузки генератора, чтобы поддерживать напряжение на выходе неизменным.

4. Самовозбуждение. Регулирование активной и реактивной нагрузки СГ 26 Условия синхронизации При подключении генератора к мощной энергосистеме, объединяющей общей электрической сетью множество электростанций и потребителей, необходимо избежать бросков тока в обмотке статора и возникновения ударных электромагнитных моментов на валу. С этой целью предварительно на холостом ходу необходимо отрегулировать режим работы генератора и в определённый момент времени включить генератор в сеть. Совокупность этих операций называют синхронизацией генератора

27

28 Чтобы синхронизировать генератор с сетью, необходимо обеспечить: а) отсутствие токов в фазах обмотки якоря в момент замыкания трёхфазного включателя Q (рис ). Это возможно только в случае, когда напряжение сети Uфc = E0, т. е. Uфc - E0 = 0. Разогнав первичный двигатель ПД до номинальной частоты вращения n0 и изменяя ток возбуждения Iв, устанавливают величину ЭДС E0, равную напряжению Uфc: посредством вольтметров Vc и Vcг (см. рис.10.11) измеряют линейные напряжения сети и генератора. При их равенстве выполняется условие Uфc = E0; б) электродвижущая сила E0 в момент замыкания включателя Q должна находиться в фазе с напряжением сети Uфc. Тогда ЭДС E0 в фазной обмотки генератора и фазное напряжение сети Uфc будут направлены встречно и уравнительный ток включения в обмотке якоря где Zя - полное сопротивление фазы обмотки якоря синхронной машины

29 Выработка генератором электрической энергии После включения генератора в сеть он работает в режиме холостого хода (I = 0). Чтобы генератор начал вырабатывать электрическую энергию и передавать её в сеть, необходимо увеличить вращающий момент первичного двигателя. При этом происходит угловое смещение между осями магнитных полей ротора и статора на угол Θ в направлении вращения ротора. Частота вращения ротора машины остаётся неизменной: он удерживается вращающимся магнитным полем статора, частота вращения которого n0 = 60f1/p измениться не может, т. к. частота напряжения сети f1 = const. Изменение тока возбуждения Iв ротора приводит к изменению только характера реактивной мощности Q генератора: при большом токе Iв (при перевозбуждении) реактивная мощность имеет индуктивный характер (Q 0). Обычно синхронный генератор работает с перевозбуждением (при отстающем токе) с коэффициентом мощности cosj » 0,85…0,9.

5. Принцип действия синхронных двигателей (СД) 30 При включении обмоток 1 якоря (рис , a) в трехфазную сеть токи статорной обмотки, смещенные по фазе на угол, создают вращающееся с частотой n1 = 60f1/p магнитное поле Фя. Однако ротор с магнитным потоком Фв, созданным постоянным током Iв обмотки возбуждения 2, будет неподвижным, так как быстровращающееся магнитное поле Фя действует на ротор со знакопеременной силой, не создающей среднего момента, т. е. пусковой момент синхронного двигателя Мп = 0. Но если предварительно разогнать ротор до частоты вращения n2, близкой к синхронной n1, то возникающий электромагнитный момент, как результат взаимодействия (притяжения) разноименных полюсов магнитных полей якоря и ротора, (см. рис , б) заставит следовать ротор за магнитным полем статора, как говорят, втянуться в синхронизм

31 Для разгона современных синхронных двигателей (СД) в их ротор встраивают пусковую короткозамкнутую обмотку 3 (см. рис , а), подобную беличьей клетке асинхронных двигателей. Стержни этой обмотки укладывают в специальные пазы полюсов и соединяют по торцам ротора

6. Вращающий момент, рабочие характеристики СД 32 Электромагнитный момент двигателя В установившемся режиме момент сопротивления Мc на валу машины будет уравновешен вращающим электромагнитным моментом, развиваемым двигателем, т. е. Мэм = Мc. Схема замещения одной фазы обмотки якоря

33 Активное сопротивление обмотки якоря Rя мало, поэтому в схеме замещения оставляют только ее индуктивное сопротивление jXc. Так как синхронный двигатель является приемником электрической энергии, то его противo-ЭДС E0 направлена навстречу напряжению Uф. Запишем уравнение электрического состояния фазы обмотки СД: U ф = E 0 + jX c I Этому уравнению соответствует векторная диаграмма, изображенная на рис , б. Вектор ЭДС E 0, который связывают с положением полюсов N' - S' ротора, отстаёт на угол Θ от вектора фазного напряжения U ф сети, с которым связано положение полюсов результирующего магнитного поля N - S статора машины.

34 Электромагнитная мощность, потребляемая двигателем из сети, Pэм = 3UфIcosφ Электромагнитный момент СД Мэм = Рэм / ω0 = 3UфIcosφ / ω0 = 3UфE0sinΘ / ω0Xc, где ω0 = 2πn0/60; XcIcosφ = E0sinΘ ; откуда Icosφ = E0sinΘ / Xc (рис , б) Итак, электромагнитный момент синхронного двигателя Мэм = МmaxsinΘ, где Мmax = 3UфE0/ω0Xс

35 Угловая характеристика двигателя Зависимость электромагнитного момента Мэм от угла рассогласования Θ (угла сдвига фаз между вектором ЭДС фазы якоря E0 и вектором напряжения сети Uф ), т.е. Мэм(Θ), называют угловой характеристикой синхронного двигателя (рис ). Угловая характеристика позволяет анализировать процессы, происходящие в синхронном двигателе, при изменении нагрузки (изменении момента сопротивления Мc на валу) при постоянном токе возбуждения (Iв = const). Устойчивая работа двигателя соответствует участку угловой характеристики от угла Θ = 0 до угла Θ = π/2. Точка A соответствует номинальному режиму работы.

36 При номинальном режиме угол Θн » 20…35°, что соответствует двукратному или несколько большему запасу по мощности или моменту λ = Мmax/Мн = 1/ sinΘ » 2…2,5. Напомним, что отношение максимального момента к номинальному моменту называют перегрузочной способностью двигателя. Изменение нагрузочного момента Мc при работе на устойчивой части характеристики Мэм(Θ) приводит к такому изменению момента двигателя, при котором обязательно наступает равенство моментов Мc и Мэм. Максимальный момент, развиваемый двигателем, наступает при угле Θ » 90°. На неустойчивой части характеристики Mэм(Θ) при угле рассогласования от Θ = π/2 до Θ = π устойчивая работа двигателя невозможна.

37 Механическая характеристика двигателя При увеличении момента сопротивления Мc угол рассогласования Θ, механическая мощность P2 и потребляемая из сети электроэнергия будут расти. Однако частота вращения ротора будет оставаться постоянной, равной n0. Увеличение момента Мc, при котором угол Θ π/2 (перегрузка), ведет к выпадению двигателя из синхронизма и остановке ротора. При этом E0 = 0 и ток якоря резко увеличивается, т. к. I = (Uф - E0)/jXc = Uф/jXc. Итак, при угле Θ < π/2 механическая характеристика синхронного двигателя n0 = f(М) абсолютно жесткая (рис. 5.16). Она представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс. Такая зависимость определяется характерной особенностью синхронных двигателей: их ротор может вращаться только с синхронной частотой n0 = 60f1/p.

38 Работа двигателя в режиме компенсатора Второй особенностью синхронных двигателей является то, что они, работая с механической нагрузкой, позволяют в широких пределах изменять реактивный ток и реактивную мощность. Действительно, при достаточном увеличении тока Iв ЭДС E0 становится больше Ua, и вектор тока I якоря опережает по фазе вектор фазного напряжения сети Uф (рис ). Синхронный двигатель для сети становится активно-ёмкостной нагрузкой. Эту способность перевозбужденного СД без нагрузки на валу с опережающим током I используют в промышленности для улучшения коэффициента мощности cosφ цехов и заводов (синхронный двигатель работает в режиме компенсации реактивной индуктивной мощности). Мощность асинхронных компенсаторов достигает 100…160 Мвар

7. Способы пуска СД 39 Для мощных СД предпринимают ряд мер по ограничению пусковых токов обмоток якоря и ЭДС в обмотке возбуждения. Обычно процесс пуска мощных СД автоматизирован и осуществляется по следующей схеме

40 а) при разомкнутой цепи якоря обмотка возбуждения ОВ отключается от источника постоянного напряжения и замыкается посредством переключателя Q2 на резистор R, сопротивление которого в 10…15 раз превышает сопротивление ОВ. Если обмотка возбуждения разомкнута, то в начале пуска в ней будет наводиться большая ЭДС, опасная для изоляции ротора и обслуживающего персонала; б) после подключения обмотки якоря к трехфазной сети под действием асинхронного электромагнитного момента ротор разгоняется до подсинхронной частоты вращения n2 0.95n1; в) обмотка возбуждения отключается от резистора R, подключается (переключателем Q2) к источнику постоянного напряжения ИН и двигатель втягивается в синхронизм (частота ротора n2 = n1 = n0). Если к валу двигателя приложить момент сопротивления (Мc > 0), то ось ротора и вектора магнитного потока Фв сместятся относительно оси вектора магнитного потока Фя на угол Θ в сторону отставания