3.2. Контрольные вопросы

1. Как устроена асинхронная машина?

2. Какие типы асинхронных машин Вы знаете?

3. Почему при подключении асинхронного двигателя к сети его ротор приходит во вращение?

4. Как создается вращающееся магнитное поле?

5. Каковы условия получения кругового вращающегося магнитного поля?

6. Какие типы статорных обмоток вам известны, их достоинства и недостатки?

7. Какими геометрическими параметрами характеризуется статорная обмотка?

8. Как устроена короткозамкнутая обмотка ?

9. Как устроена обмотка фазного ротора?

10. Чем характеризуется работа асинхронной машины при заторможенном роторе?

11. Какая может быть величина пускового тока в асинхронном двигателе?

12. Для чего используется асинхронная машина с заторможенным ротором?

13. Что называют скольжением ротора асинхронной машины?

14. Чем отличается приведение параметров вторичного контура к первичному у асинхронной машины от трансформатора?

15. Каково назначение круговой диаграммы, какие исходные данные нужны для её построения?

16. В каких режимах будет работать асинхронная машина при различных значениях скольжения?

17. Какие специфические точки содержит кривая механической характеристики асинхронного двигателя ?

18. Какими средствами можно изменять вращающий момент асинхронного двигателя при заданном значении скольжения?

19. Какими способами можно регулировать частоту вращения ротора асинхронного двигателя?

20. Как повысить пусковой момент асинхронного двигателя?

21. Какие способы пуска асинхронного двигателя Вы знаете?

22. Почему невозможен самозапуск однофазного двигателя при подключении к однофазной сети?

23. Как обеспечит запуск асинхронного двигателя при подключении к однофазной сети?

24. Из каких соображений выбирается емкость пускового и рабочего конденсатора?

25. Как выбрать конденсатор по величине рабочего напряжения?

3.3. Тестовые задания

1. Имеется 4-х полюсный асинхронный двигатель, работающий при скольжении S %= 3 от сети с частотой тока f=50 Гц.

Определить частоту вращения ротора.

2. Имеется 2-х полюсный асинхронный двигатель, на статоре которого выполнено 18 пазов.

Определить основные параметры для выполнения схемы однослойной статорной обмотки.

3. Имеется асинхронный двигатель со следующими каталожными данными: Р_2ном=4кВт; n_ном=1410 об/мин; К_п=2,1; К_м=2,4.

Определить моменты и скольжения для характерных точек механической характеристики.

4. Имеется трехфазный асинхронный двигатель Р_2ном=5,5 кВт питается от сети U₁=380 В, обмотка статора соединена звездой, номинальная скорость n_ном=1440 об/мин, кратность максимального момента К_м=2,5, кратность пускового тока К_iп=7,5, коэффициент мощности при номинальной нагрузке Cos φ =0,86 и КПД η=85,5%.

Определить величину пускового тока при прямом пуске.

5. Имеется асинхронный двигатель с номинальной частотой вращения ротора n_ном=1440 об/мин, сопротивление фазной обмотки ротора r₂=0,4Ом.

Определить значение добавочного сопротивления, которое необходимо включить в цепь ротора, чтобы частота вращения ротора снизилась до 1200 об/мин.

6. Имеется трехфазный асинхронный двигатель Р_ном=80 Вт, напряжение U₁=220/380 В, ток I₁=0,56/0,32 A.

Определить значение рабочей емкости С_р, необходимой для работы двигателя от однофазной сети 220 В.

ЗАНЯТИЕ №4. СИНХРОНЫЕ МАШИНЫ

1. Вводная часть

1.1. Назначение занятия

Занятие предназначено для изучения устройства, работы и классификации синхронных электрических машин, режимов их работы, вариантов практического использования и классификации, способов создания основного магнитного поля машины, особенностей взаимодействия магнитных полей индуктора и якоря, формирования и свойств результирующего магнитного поля машины. Занятие предназначено также для понимания обучаемыми общих признаков и отличий в различных типах синхронных машин, принципа работы, конструктивных особенностей и рабочих свойств синхронных генераторов, электродвигателей и компенсаторов реактивной мощности, понятий и условий синхронизации вращения ротора с частотой тока в сети, путей обеспечения устойчивости работы с сетью, природы потерь мощности и коэффициента полезного действия, способов управления коэффициентом мощности машины и влиянием её режима на коэффициент мощности сети.

1.2. Цели занятия

В конце обучения по данному занятию обучаемый должен быть способен:

• Объяснить устройство синхронной машины и главных её разновидностей;

• Выполнить классификацию типов синхронных машин;

• Объяснить принцип работы синхронного генератора;

• Объяснить способы создания основного магнитного поля синхронной машины;

Рис.4.1. Структура занятия

• Перечислить типы источников питания обмотки возбуждения. Объяснить варианты их соединения с синхронной машиной;

• Пояснить способ создания и основные свойства магнитного поля статора синхронной машины;

• Пояснить принципы и особенности взаимодействия магнитных полей статора и ротора в синхронном генераторе и в синхронном двигателе;

• Изобразить внешние и регулировочные характеристики синхронного генератора и пояснить их содержание;

• Изобразить u-образную характеристику синхронного генератора и объяснить изменение его параметров при регулировании тока возбуждения;

• Назвать причины выхода синхронной машины из синхронизма и условия её устойчивой работы;

• Объяснить построение и использование угловой характеристики синхронной машины;

• Нарисовать схему включения синхронного генератора на параллельную работу с сетью;

• Перечислить условия включения синхронного генератора на параллельную работу;

• Нарисовать схему синхронизации синхронного генератора на потухание и пояснить принцип её практического использования;

• Пояснить принцип работы синхронного двигателя;

• Назвать причины возникновения качаний ротора при работе синхронной машины и способы их демпфирования;

• Пояснить особенности пуска синхронного двигателя;

• Нарисовать электрическую схему асинхронного пуска синхронного двигателя и объяснить последовательность действий;

• Нарисовать и пояснить схему включения синхронного компенсатора.

Рис.4.2. Цели занятия

2. Основная часть

2.1. Устройство и классификация синхронных машин

Синхронные электрические машины – это бесколлекторные машины переменного тока. Как и в асинхронных, в основе работы синхронных машин лежит вращающееся магнитное поле. По конструкции они принципиально отличаются от асинхронных машин только устройством ротора. В синхронной машине основное вращающееся магнитное поле создается токами, протекающими в обмотке вращающегося ротора. По обмотке ротора протекает постоянный ток и сама обмотка выполняется однофазной. Число полюсов магнитного поля определяется числом полюсов роторной обмотки. Чаще всего встречаются две конструкции такого ротора: явнополюсный или неявнополюсный. Эти конструкции схематично показаны на рис. 4.3а) и б) соответственно. Явнополюсный ротор (а) содержит четко выраженные сердечники 1 плюсов, на которых размещены катушки 2 обмотки. Конца полюса. Обращенные к поверхности статора, снабжены башмаками, конфигурацией которых обеспечивается оптимальное распределение магнитного поля в зазоре. Полюса закреплены на ободе 3 ротора. Неявнополюсный ротор (б) имеет пазы 4, в которые уложены катушки 5 однофазной распределенной обмотка. Эту обмотку можно назвать концентрической, так как её катушки соосны и имеют нарастающие размеры. В любом из вариантов роторная обмотка имеет два вывода, которые соединены с контактными кольцами. Последние расположены на общем валу с ротором и через скользящие контакты обеспечивают питание роторной обмотки от внешнего источника постоянного тока. На рисунках условно точками и крестиками показано принятое для примера направление токов в катушках. Эти токи создают магнитное поле ротора, полюса которого обозначены буквами «n» и «s».

Рис.4.3. Виды роторов синхронной машины:

а) явнополюсный; б) неявнопролюсный

На рисунке видно, ротор синхронной машины, в зависимости от конструкции, может создавать магнитное поле с разным числом полюсов. Неявнополюсный ротор применяют в мощных быстроходных машинах, которые выполняются обычно двух- и четырехполюсными. Такая конструкция позволяет максимально приблизить форму эдс в обмотке статора к синусоиде. Примером применения такого ротора может служить турбогенератор, используемый обычно на тепловых или атомных электростанциях. Такой ротор выполняется в виде цельной стальной детали, его максимальный диаметр достигает 1,2…1,5м, а длина – 7,5…8,5м. Его ось в рабочем состоянии занимает горизонтальное положение. Частота вращения такого ротора равна 1500 или 3000 об/мин. Явнополюсные ротора могут выполняться с большим числом полюсов. Они проще в изготовлении и применяются в тихоходных или маломощных машинах. Примером применения многополюсного ротора является гидрогенератор. Например, гидрогенератор братской гэс мощностью 225 мв·а имеет частоту вращения n_с=125 об/мин и число полюсов 2р=48. В рабочем состоянии такой ротор занимает вертикальное положение. В специальных конструкциях для образования магнитного поля вместо обмоток на роторе устанавливают постоянные магниты. Это позволяет повысить кпд и надежность машины. Такое решение свойственно для машин малой мощности из-за сравнительно высокой стоимости магнитов. Встречаются синхронные машины (двигатели) с так называемым реактивным ротором, по конструкции являющимся явнополюсным, но имеющим обмотки. Можно встретить и другие конструкции синхронных машин (гистерезисные, индукторные, редукторные и др.), применяемые в специальной технике. Ротор размещен внутри статора - неподвижной части машины. Как и в асинхронном двигателе, статор синхронной машины имеет набранный из стальных листов магнитопровод с осевым отверстием для размещения вращающегося ротора. На его внутренней поверхности имеются пазы для размещения статорной обмотки. Она может быть одно- или многофазной и имеет число полюсов, равное числу полюсов ротора. В связи с многообразием конструкций синхронных машин целесообразно провести их классификацию. Такая классификация приведена на рис. 4.4.

Рис.4.4. Классификация синхронных машин

Здесь представлены наиболее часто встречающиеся типы синхронных машин. Как и любая другая электрическая машина, синхронная машина обладает свойством обратимости и может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Большинство синхронных машин используется в силовой электроэнергетике в качестве генераторов электрической энергии. Синхронные двигатели применяются там, где ставится задача обеспечения стабильной, не зависящей от нагрузки, частоты вращения его вала. В системах электроснабжения синхронная машина может использоваться ещё и в качестве компенсатора реактивной мощности. Это – многополюсные тихоходные машины, работающие на холостом ходу или со стабильной нагрузкой, не требующей частых пусков (например, привод компрессоров, насосов, вентиляторов или др.).

2.2. Принцип действия синхронного генератора

Основным свойством синхронной машины является полное соответствие частоты тока в статорной обмотке скорости вращения ротора при любой нагрузке. Это можно понять, если рассмотреть принцип работы синхронного генератора. Схематически эта машина изображена на рис. 4.5а). Подвижная часть машины, ротор 1, представляет собой электромагнит, концы обмотки 2 которого выведены на контактные кольца 3. Через щетки 4 к ним подводится постоянное напряжение от внешнего источника. В результате по обмотке 2 протекает постоянный ток i_в и ротор создает (возбуждает) магнитное поле ф_о. Поэтому ток i_в называют током возбуждения. Таким образом, ротор в рассматриваемой машине служит индуктором и возбуждает в ней основное магнитное поле ф_о. Как показано на рисунке, ротор помещен в осевое отверстие (расточку) статора 5 и при работе машины вращается со скоростью n₂ . Вместе с ротором с такой же скоростью n₂ вращается и создаваемое им поле, изображенное стрелкой ф_о. Вращающееся магнитное поле, пересекая проводники статорной обмотки, индуктируют в них эдс. На рисунке показано, что на статоре имеется трехфазная обмотка и её фазы повернуты друг относительно друга на 120 электрических градусов (или – на 120/p геометрических градусов), поэтому индуктируемые в них эдс сдвинуты во времени одна относительно другой на 120^о. Следовательно, при вращении возбужденного ротора в обмотке статора индуктируется переменная трехфазная эдс, частота которой может быть определена по известной формуле:

Рис.4.5. Электромагнитная схема (а) и схема включения (б) трехфазного синхронного генератора

f₁=pn₂/60 (4.1)

на рис. 4.5б) представлена электрическая схема того же синхронного генератора, где к выводам статорной обмотки авс подключена нагрузка z_н. Обмотку электрической машины, которую соединяют с внешней силовой цепью, принято называть якорной. Так как якорная обмотка здесь замкнута на нагрузку, в образовавшейся трехфазной цепи под действием фазных эдс е_а, е_b и е_с возникнут соответствующие токи i_a, i_b и i_c. Эти токи, как это имеет место в асинхронном двигателе, создают вращающееся магнитное поле ф₁ статора. Частота его вращения определяется частотой, как известно, частотой тока и числом полюсов машины согласно уже известной формуле: n₁=60f₁/p. При сравнении приведенных формул хорошо видно, что ротор машины и магнитное поле статора вращаются с одинаковыми скоростями, т.е. Они неподвижны друг относительно друга. Такое вращение называют синхронным. Поэтому и сама машина называется синхронной. По другому определению синхронные машины – это электрические машины переменного тока, у которых частота вращения ротора кратна частоте тока в цепи, подключенной к обмотке якоря. Указанная кратность определяется числом пар полюсов машины. При работе синхронной машины генератором вращающееся магнитное поле якоря взаимодействует с током i_в обмотки возбуждения, создавая тормозной электромагнитный момент. Этот момент тормозит вращение ротора и преодолевается первичным двигателем. Можно сказать, что под действием усилия первичного двигателя поле ф_о ротора опережает поле ф₁ якоря на угол θ (см. Рис. 4.5б), как бы увлекая его за собой. Величина угла θ зависит от режима работы машины или от характера нагрузки. Если машина работает в режиме генератора, то при чисто активной нагрузке θ=90^о. При активно-индуктивной или активно-емкостной нагрузке он будет соответственно больше или меньше 90^о. Если машина работает в режиме двигателя, то величина угла θ зависит от величины механической нагрузки на его валу и находится в пределах 0^о< θ <90^о. Синхронные машины чаще используются в режиме генератора. Механическая энергия, затрачиваемая первичным двигателем (дизелем, турбиной или др.) На вращение ротора генератора, преобразуется в энергию переменного тока и отдается потребителю. Из изложенного следует, что синхронный генератор является электромеханическим преобразователем механической энергии вращающегося вала первичного двигателя в электрическую энергию с заданными параметрами. Обычно несколько генераторов обеспечивают электрической энергией единую энергосистему, то есть работают параллельно на общую нагрузку. Это создает удобства для своевременного обслуживания каждого генератора, не прерывая электроснабжение потребителей

2.3. Возбуждение синхронных машин

При рассмотрении устройства и принципа работы синхронной машины было установлено, что на её роторе имеется источник мдс, создающий в машине основное магнитное поле. Поэтому ротор часто называют индуктором. При вращении ротора это магнитное поле вращается вместе с ним и наводит эдс в обмотке статора. Поэтому любая синхронная машина нуждается в процессе возбуждения в ней магнитного поля. Чаще всего задача решается применением так называемого электромагнитного возбуждения. Это значит, что на полюсах ротора имеется обмотка, по которой пропускают постоянный ток. Её также называют обмоткой возбуждения. Для питания этой обмотки применяются специальные генераторы постоянного тока – так называемые возбудители. Для получения возможности широкого регулирования тока возбуждения генератора возбудитель выполняется с независимым возбуждением. Это значит, что его индуктор питается от отдельного источника постоянного тока – подвозбудителя. Роторы возбудителя и подвозбудителя размещают на общем валу с ротором синхронного генератора, что позволяет использовать для их вращения один первичный двигатель. Такая система возбуждения представлена схематически на рис. 4.6а). Здесь обозначены: а, в и с – выводы трехфазной якорной обмотки; ов – обмотка возбуждения генератора; в – ротор (якорь) возбудителя; ов₁ – обмотка возбуждения возбудителя; пв – якорь подвозбудителя. Такая система является распространенной, но она имеет существенный недостаток: наличие скользящих контактов во всех трех машинах. Поэтому в генераторах большой мощности иногда в качестве возбудителя применяют другой синхронный генератор (индукторного типа), у которого якорная обмотка размещена на роторе, а индуктор – на статоре. Такое решение схематически показано на рис. 4.6б). Здесь обозначены: ов – обмотка возбуждения генератора; в – трехфазная обмотка якоря возбудителя с обмоткой возбуждения ов₁; пв – подвозбудитель. Для этой схемы характерно наличие выпрямителя д, преобразующего переменный ток в якоре возбудителя в постоянный ток, питающий обмотку ов генератора. Рассмотренный способ исключает скользящие контакты в цепях возбуждения генератора, так как его индуктор ов, выпрямитель д и якорь возбудителя в размещены на общем валу. Это позволяет повысить эксплуатационную надежность и кпд синхронной машины. В синхронных генераторах получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 4.6в). Здесь энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от якорной обмотки самого генератора (обычно – через понижающий трансформатор, который не рисунке не показан). Выпрямитель д преобразует переменный ток в постоянный, пригодный для питания индуктора ов генератора. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора обеспечивается за счет остаточной намагниченности ротора. В современных синхронных машинах (в крупных двигателях и компенсаторах) применяются тиристорные возбудительные устройства, позволяющие автоматически управлять током возбуждения в зависимости от режима работы машины, в частности – в переходных режимах.

Рис.4.6. Способы электромагнитного возбуждения

синхронных машин

Промышленность выпускает такие устройства с допустимым значением постоянного тока до 320а. Их применение позволяет еще больше повысить надежность и экономичность работы машины. Мощность, затрачиваемая на электромагнитное возбуждение синхронной машины, составляет от 0,2 до 5% полезной мощности машины. Однако, с уменьшением мощности машины доля возбуждения заметно увеличивается. В синхронных машинах малой мощности получило распространение возбуждение от постоянных магнитов. Кроме устранения затрат мощности на возбуждение, такой способ упрощает конструкцию машины. Дефицитность материалов и высокая стоимость их высокая стоимость ограничивает применение постоянных магнитов только в малых машинах.

2.4. Магнитное поле синхронной машины

Эдс, индуктируемая в статорной обмотке синхронной машины, по своей форме должна быть максимально приближена к синусоиде. Рассмотрение принципа работы синхронного генератора приводит к выводу, что достижение оптимальной формы эдс в обмотке статора прямо зависит от распределения индукции магнитного поля машины по окружности вдоль её воздушного зазора. Задача решается выбором требуемой геометрии магнитной системы машины. Магнитная цепь четырехполюсной синхронной машины, в которой замыкается её магнитное поле, схематически представлена на рис. 4.7а). Здесь хорошо видно, что магнитное поле, изображенное пунктирными линиями, замыкается по магнитопроводам статора 1 и ротора 2, проходя дважды через имеющийся между ними воздушный зазор 3. На рисунке также показано, что создаваемое индуктором поле изображено четырьмя одинаковыми пунктирными линиями и все они проходят через аналогичные участки магнитной цепи. Это связано с числом полюсов машины. Каждая из указанных линий показывает отдельный путь, по которому замыкается часть общего магнитного поля машины, и эти пути равноценны.

Рис.4.7. Магнитная цепь синхронной машины

Поэтому, независимо от числа полюсов, принято рассматривать магнитное поле в пределах одного полюсного деления

τ= d/2p, (4.2)

Где d – диаметр расточки статора. Такой прием упрощает задачу углубленного анализа магнитной цепи. На рис. 4.7б) показана картина магнитного поля в пределах полюсного деления принятой выше модели машины. Основной магнитный поток ф_о, замыкаясь в магнитной цепи, проходит последовательно следующие её участки: дважды через воздушный зазор δ, зону зубцов статора l_z1 и полюса ротора l_m, а также один раз по ярму статора l_я и ободу ротора l_об. Для проведения потока по каждому участку индуктор должен создать соответствующую долю мдс. Поэтому общая мдс индуктора при холостом ходе машины может быть представлена в виде суммы отдельных составляющих

F_во=σf=2f_δ+2f_z1+2f_m+f_c1+f_об, (4.3)

Где: f_δ; f_z1; f_m; f_c и f_об – падение магнитного потенциала соответственно на воздушном зазоре, зубцах статора, полюсе, спинке статора и ободе. Известно, что величина каждого слагаемого правой части (4.3) согласно закону ома для магнитной цепи может быть представлена в виде произведения магнитного потока на рассматриваемом участке на его магнитное сопротивление. В этой связи следует обратить внимание на то, что эти величины различны для разных участков. Магнитное сопротивление, как известно, определяется свойствами материала, геометрическими размерами и степенью магнитного насыщения. Что же касается магнитного потока, то с учетом потока рассеяния ф_σ (см. Рис. 4.7) его величина в полюсах и в ободе ротора возрастает на эту величину:

Ф_m= ф_о + ф_σ= ф_оσ_m, (4.4)

Где σ_m – коэффициент магнитного рассеяния полюсов ротора. В синхронных явнополюсных машинах он обычно находится в пределах σ_m= 1,1…1,4. Величина коэффициент магнитного рассеяния полюсов зависит от степени магнитного насыщения магнитопровода статора и конфигурации полюсов ротора. С увеличением числа полюсов машины коэффициент рассеяния увеличивается. Мдс индуктора f_в, число витков обмотки возбуждения w_в и ток возбуждения i_в связаны между собой равенством:

W_в= f_во /(2 i_в) (4.5)

Если же синхронный генератор работает под нагрузкой и в его статорной обмотке протекает ток, то в машине взаимодействуют два магнитных поля: поле индуктора ф_о и поле статора ф₁. Выше отмечалось, что эти поля вращаются в одну сторону с равными скоростями, то есть, неподвижны друг относительно друга с угловым сдвигом θ. Таким образом, для определения параметров результирующего поля машины его составляющие ф_о и ф₁ должны складываться геометрически с учетом угла рассогласования θ между ними. Такое сложение удобно выполнять, представляя слагаемые величины в виде векторов ф_о и ф₁. Это является справедливым, если поля ротора и статора распределены в зазоре по синусоидальному закону. Из изложенного следует, что магнитное поле статора воздействует на степень возбужденности машины. При этом оно усиливает или ослабляет поле в зазоре или искажает его форму. Такое воздействие мдс статора на поле в зазоре машины называют реакцией якоря. Поскольку, как указано выше, выходные характеристики синхронного генератора зависят от величины и распределения магнитного поля в воздушном зазоре, реакция якоря оказывает непосредственное влияние на её работу. Характер этого влияния зависит от величины и вида нагрузки z_н генератора. Для оценки влияния реакции якоря на роботу машины рассмотрим случаи, когда нагрузка предельными параметрами: активная, индуктивная и емкостная. На рис. 4.8 представлен каждый случай в виде магнитной схемы (2р=2) и векторной диаграммы мдс. Здесь приняты обозначения: f₁ и ф₁ – мдс и поток реакции якоря; f_во и ф_о – мдс и поток магнитного поля индуктора; n – частота вращения ротора (индуктора); е_о – эдс, индуктируемая в обмотке якоря магнитным полем индуктора; ψ₁ – фазовый угол якорного тока i₁ относительно эдс е_о. Величина этого угла зависит, как известно, от соотношения между активным и реактивным сопротивлениями цепи. На рис. 4.8а) показан случай, когда генератор имеет чисто активную нагрузку. Ток i₁ здесь по фазе совпадает с эдс е_о (ψ₁=0). Изобразив линии магнитного поля (пунктиром) индуктора ф_о и якоря ф₁, видим, что поле статора и ротора направлены перпендикулярно друг к другу. Мдс этих полей показаны на рисунке стрелками f_во и f₁, которые также имеют перпендикулярное друг к другу направление. Положительное направление мдс ротора принято называть продольной осью d машины. Соответственно ось, направленная под прямым углом к оси d, называют поперечной осью q. Приняв эти обозначения, можем назвать поле реакции якоря в рассматриваемом случае поперечным. Такое воздействие мдс якоря f₁ на мдс индуктора f_во вызовет искажение результирующего поля машины: магнитное поле ослабляется под набегающим краем «нк» полюсов и усиливается под сбегающими краями «ск». Вследствие этого сбегающий край полюса может войти в магнитное насыщение и общее поле машины будет ослаблено, а его форма – искажена. На рис. 4.8а) показан случай, когда генератор имеет чисто индуктивную нагрузку. Здесь ток якоря отстает от эдс (ψ₁=90^о). Это приводит к такому же повороту направления действия мдс якоря f₁ и она приобретает направление, встречное по отношению к мдс индуктора f_во.

Рис.4.8. Реакция якоря синхронного генератора

при разном характере нагрузки

Следовательно, реакция якоря в синхронном генераторе при чисто индуктивной нагрузке оказывает продольно-размагничивающее действие. Анализируя аналогичным образом рис. 4.8в), изображающим случай чисто емкостной нагрузки генератора, приходим к выводу, что чисто емкостная нагрузка приводит к подмагничивающему воздействию реакцию якоря. В реальных условиях нагрузка генератора имеет смешанный характер, она бывает активно-индуктивной или активно-емкостной. Поэтому фазовый сдвиг тока относительно эдс лежит в пределах –90^о< ψ₁<90^о. В этом случае магнитное поле якоря f₁ можно спроектировать на оси d и q, в результате чего получим продольную и поперечную составляющие этого поля:

F_1d= f₁ cos ψ₁ (4.6)

F_1q= f₁ sin ψ₁ (4.7)

Продольная составляющая f₁ при активно-индуктивном характере нагрузки размагничивает машину или подмагничивает её при активно-емкостной нагрузке. Это может быть скомпенсировано соответствующим изменением тока возбуждения. Поперечная составляющая всегда искажает форму результирующего поля, размагничивая машину, если один из краев полюса входит в насыщенное состояние. Последнее явление характерно для явнополюсных машин, где из-за неравномерности воздушного зазора поток якоря замыкается в основном по башмакам полюсов. В неявнополюсном генераторе воздушный зазор по окружности ротора имеет постоянное значение. Поэтому здесь поперечная составляющая реакции якоря только поворачивает результирующее поле машины, не искажая его формы. В этом проявляется определенное преимущество неявнополюсных машин.

2.5. Характеристики синхронного генератора

Свойства синхронного генератора определяются характеристиками холостого хода (хх) и короткого замыкания (кз), а также – внешними и регулировочными характеристиками. Характеристика хх представляет собой график зависимости напряжения u₁ на зажимах якорной обмотки от величины тока возбуждения i_во. При холостом ходе генератора ток в якорной обмотке отсутствует. Поэтому имеет место равенство u₁=е_о. Схема включения синхронного генератора в режиме холостого хода показана на рис. 4.9а). Здесь же справа изображен график хаоактеристики хх е_о* = f(i_во*). Имеется в виду, что е_о*= е_o/ u_1ном – относительное значение эдс; i_во* =i_во /i_воном - относительное значение тока возбуждения; i_воном – ток возбуждения, соответствующий е_o=u_1ном. На графике показано, что характеристика хх нелинейная, справа от точки i_воном рост эдс все больше замедляется. Это объясняется те, что с ростом тока возбуждения начинает увеличиваться насыщение магнитной цепи машины и это приводит к замедлению роста магнитного потока. Характеристики хх применяемых на практике синхронных генераторов мало отличаются друг от друга и в практических целях можно пользоваться нормальной характеристикой хх:

Е_о* ….. 0,58 1,0 1,21 1,33 1.40 1,46 1,51

I_во* …… 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Зная номинальные данные генератора, по этой характеристике можно легко рассчитать эдс, соответствующую любому значению тока холостого хода. Характеристику кз получают, проведя испытание генератора, включив его по схеме рис. 4.9б).

Рис.4.9. Опыты холостого хода и короткого замыкания синхронного генератора

Здесь показано, что выводы якорной обмотки замкнуты накоротко, а в цепь каждой фазы включен амперметр для контроля тока. При вращении ротора со скоростью n₁ постепенно увеличивают ток возбуждения i_вк до такого значения, когда тока в якоре превышает номинальное значение не более, чем на 25%. При этом величина тока возбуждения i_вк , будет значительно меньше i_воном (см. Выше). Поэтому магнитная цепь машины будет не насыщена. Следовательно, характеристика кз представляет собой прямую линию, она представлена справа на графике i_1к=f(i_вк). Активное сопротивление r₁ обмотки статора обычно невелико по сравнению с её индуктивным сопротивлением и поэтому им можно пренебречь. Из этого следует, что при опыте кз реакция якоря имеет продольно-размагничивающий характер (см. §2,4). Здесь же на рис. 4.9б) справа показана векторная диаграмма опыта кз. Из этой диаграммы следует, что индуктируемая с якоре эдс е_к полностью уравновешивается эдс, обусловленной продольной составляющей поля якоря е_1d, и эдс е_1σ, индуктируемой полями рассеяния якорной обмотки. Эти эдс можно представить, используя закон ома с учетом реактивных сопротивлений обмотки:

Е_1d= - ji_dx_ad, (4.8)

где i_d= i₁cosψ₁ – проекция вектора тока на продольную ось d машины; x_ad – индуктивное сопротивление якорной обмотки, обусловленное проводимостью магнитной цепи по пути замыкания продольной составляющей поля статора;

Е_1σ= - ji₁x_1σ (4.9)

Где i₁ – полный ток в якорной обмотке; x_1σ - индуктивное сопротивление якорной обмотки, обусловленное проводимостью цепи по пути замыкания потоков рассеяния якорной обмотки. Один из важных параметров синхронной машины – отношение короткого замыкания (окз), которое представляет собой отношение тока возбуждения, соответствующего номинальному напряжению при холостом ходе, к току возбуждения i_{вк ном}, соответствующему номинальному току при коротком замыкании. Этот параметр имеет большое практическое значение при оценке свойств синхронной машины. Машины с малым окз менее устойчивы при параллельной работе на общую нагрузку, подвержены значительным колебаниям напряжения при изменениях нагрузки. В то же время такие машины имеют меньшие габариты, а следовательно, – дешевле, чем машины с большим окз. Внешняя характеристика синхронной машины представляет собой зависимость напряжения на зажимах якорной обмотки от величины тока нагрузки: u₁=f(i₁) при i_в =const, cosφ₁=const и n₁=n_ном=const. На рис.4.10а) представлены внешние характеристики синхронного генератора, соответствующие различным по характеру нагрузкам. При активной нагрузке (cosφ₁=1) увеличение тока i₁ приводит к уменьшению выходного напряжения u₁, что объясняется увеличением падения напряжения на собственном сопротивлении якорной обмотки и размагничивающим действием поперечной реакции якоря (см.§3.4). При индуктивной нагрузке (cosφ₁<1; инд) изменение напряжения при изменении тока еще больше, что связано с размагничивающим воздействием продольной реакции якоря. При емкостной нагрузке, как выше было показано, продольная реакция якоря подмагничивает машину и поэтому с ростом нагрузки напряжение увеличивается. Пунктиром показана точка, соответствующая номинальному напряжению при номинальной нагрузке. Из анализа внешней характеристики делается вывод, что при i_в =const и n₁=n_ном=const работа генератора характеризуется важным параметром – номинальным изменением напряжения

(4.10)

Рис.4.10. Внешняя (а) и регулировочная (б)

характеристики синхронного генератора

При емкостной нагрузке генератора сброс нагрузки вызывает уменьшение напряжения (δu_ном – отрицательно), при индуктивной же – картина обратная и при сбросе нагрузки напряжение может превысить допустимое для машины значение. Не допускается рост напряжения более, чем на 50%. Регулировочная характеристика показывает, что для поддержания номинального значения напряжения при изменении тока нагрузки i₁ необходимо изменять величину тока возбуждения i_в. Характеристика представляет собой зависимость i_в=f(i₁) при u₁₌ u_1ном=const; n₁= const и cosφ₁=const. На рис. 4.10б) представлены регулировочные характеристики синхронного генератора. При активной нагрузке (cosφ₁=1) увеличение тока i₁ приводит к уменьшению выходного напряжения u₁ и для поддержания заданного значения этого напряжения следует повышать ток возбуждения. При индуктивной нагрузке (cosφ₁<1; инд) изменение напряжения при изменении тока еще больше, что связано с размагничивающим воздействием продольной реакции якоря. Для преодоления этого эффекта ток возбуждения следует повышать в еще большей степени. При емкостной нагрузке продольная реакция якоря подмагничивает машину и поэтому с ростом нагрузки для поддержания напряжения неизменным с ростом нагрузки ток возбуждения следует уменьшать.

2.6. Потери мощности и КПД синхронной машины

Как и в любом другом преобразователе энергии, в синхронной машины во время её работы под нагрузкой имеют место потери энергии. Обычно эти потери разделяют на основные и добавочные. Основные потери в синхронной машине складываются из потерь, вызванных протеканием тока в обмотке якоря (р_э1), потерь на возбуждение (р_в), магнитных (р_м) и механических (р_мех) потерь. Природа этих потерь и методика определения аналогична тому, как это делалось для асинхронных машин. Принципиальное отличие состоит только в определении потерь на возбуждение. При возбуждении от отдельного возбудителя постоянного тока, имеющего общий вал с генератором, потери мощности на возбуждение определяют по формуле:

(4.11)

Где: r_в – активное сопротивление обмотки возбуждения генератора при рабочей температуре; δu_щ – падение напряжения на щеточном контакте генератора; η_{в –} кпд возбудителя. Можно принимать η_в= 0,8…0,85. Следует также обратить внимание, магнитные потери в синхронном генераторе имеют место только в магнитопроводе статора. Магнитопровод ротора не перемагничивается, поэтому магнитные потери в нем нет необходимости определять. Добавочные потери в синхронных машинах разделяют на два вида: потери пульсационные (р_п), обусловленные пульсацией магнитной индукции в зазоре из-за зубчатости поверхности расточки статора; добавочные потери при нагрузке (р_доб), которые определяют в процентах от полезной мощности генератора. При р₂≤1000квт р_доб= 0,5%ּ р₂, а при большей мощности эта доля уменьшается до 0,25…0,4%. Суммарные потери мощности в синхронной машине:

кВт (4.12)

Коэффициент полезного действия синхронной машины:

Для генератора

(4.13)

где: кВт;

Для двигателя

(4.14)

Кпд синхронной машины зависит от коэффициента нагрузки (β=р₂/р_ном) и от её характера (cosφ₁). Эта зависимость аналогична рассмотренной ранее для трансформатора (см. Рис. 2.9б).

Рис.4.11. Зависимость КПД синхронной машины

от величины и характера нагрузки

Кпд синхронных машин мощностью более 100 квт достигает 92…99%. Более высокие значения относятся к турбо- и гидрогенераторам мощностью сотни тысяч и более киловатт.

2.7. Параллельная работа синхронных генераторов

На электростанциях устанавливают, как правило, по несколько синхронных генераторов, работающих совместно на общую нагрузку. Это значит, что выводы одноименных фаз их якорных обмоток соединены и к образованным зажимам подключена общая нагрузка. Такое включение схематически показано на рис. 4.12а). Генераторы г₁; г₂ и г₃ включены параллельно друг к другу. На рисунке буквой «т» обозначены соответствующие каждому генератору приводные двигатели. Параллельная работа нескольких менее мощных генераторов по сравнению с одним мощным имеет преимущества, которые уже были отмечены выше. При включении синхронного генератора на параллельную работу с другим генератором или с сетью следует строго соблюдать определенные условия. Первое из них состоит в том, чтобы эдс подключаемого генератора в момент включения была равна и противоположна по фазе напряжению сети: e_o= -u_c. Второе - частота эдс генератора f_г должна быть равна частоте напряжения в сети f_с: f_г= f_с.. Третье условие говорит о том, что порядок следования фаз эдс на зажимах генератора должно быть таким же, как и на зажимах сети. Несоблюдение хотя бы одного из перечисленных условий грозит возникновением сверхтоков, которые могут привести к серьезной аварии. Приведение генератора в состояние, отвечающее этим условиям, называют синхронизацией. Включить генератор на параллельную работу с сетью можно двумя разными способами: точной синхронизацией или самосинхронизацией. Сущность способа точной синхронизации заключается в том, что генератор вначале приводят в состояние, удовлетворяющее перечисленным условиям, и в момент их точного выполнения производят его подключение к сети. Момент, благоприятный для включения, определяют прибором, называемым синхроноскопом. Такие приборы бывают стрелочными и ламповыми.

Рис.4.12. Включение синхронных генераторов

на параллельную работу.

Рассмотрим принцип синхронизации с использованием лампового синхроноскопа. Конструктивно он представляет собой три лампы, закрепленные на плате в вершинах равностороннего треугольника. Для включения ламп по схеме «на погасание» (рис. 4.12б) момент синхронизации наступает при одновременном погасании всех трех ламп. В этот момент разность потенциалов между одноименными клеммами рубильника оказывается равна нулю и его замыкание не вызовет нежелательного переходного процесса. Следует иметь в виде, что при значительной разности частот мигание будет происходить часто и момент синхронизации уловить будет трудно. Изменяя частоту вращения вала первичного двигателя, добиваются равенства частот f_г= f_с, при этом длительность погашенного состояния ламп увеличится, что и позволит удачно выполнить включение. Неполное потухание ламп свидетельствует о невыполнении первого условия, и их поочередное потухание – третьего. Способ самосинхронизации заключается в том, что ротор невозбужденного генератора (i_в=0) рахгоняют первичным двигателем до скорости, отличающейся от синхронной не более, чем на 2÷4%. После этого генератор подключают к сети. Полезно знать, что обмотка возбуждения содержит большое число витков и в момент такого подключения в ней может возникнуть всплеск эдс недопустимой величины. Поэтому во избежание пробоя изоляции индуктора обмотку возбуждения замыкают на некоторое активное сопротивление. Кроме этого, в момент подключения генератора к сети в цепи якорной обмотки может возникнуть резкий бросок тока, превышающий номинальное значение. Поэтому сразу после подключения генератора к сети необходимо включить ток возбуждения. Возникший синхронизирующий момент втянет ротор генератора в синхронизм и ток в якоре быстро упадет. Способом самосинхронизации включают на параллельную работу генераторы мощностью до 500 мвт. Если выполнено первое условие синхронизации (е_о=u_c), то после подключения генератора к сети ток в цепи его якорной обмотки отсутствует (i₁=0) , т.к. Эдс е_о находится в противофазе с напряжением и полностью его компенсирует. Это значит, что в этот момент генератор работает без нагрузки. А первичный двигатель покрывает только потери холостого хода в генератора. Отсутствие тока i₁ сопровождается отсутствием вращающегося поля статора. Поэтому вращающийся ротор при этом не испытывает действия электромагнитного момента. Если же увеличить вращающий момент первичного двигателя, то ротор генератора получит вначале некоторое ускорение и сместится в направлении вращения на некоторый угол θ. Это смещение ротора приведет к возникновению рассогласования между напряжением сети u_c и эдс е_о генератора и в обмотке статора возникнет ток i₁. Возникнет магнитное поле статора, вращающееся синхронно с ротором но отстающее от него на некоторый угол. Складываясь, эти два поля создают результирующее поле машины, отстающее от вращающегося поля ротора. Для наглядности все изложенное показано на рис. 4.13а). Поле статора здесь представлено полюсами n₁ и s₁ (ось этого поля d'), а поле ротора – полюсами n₂ и s₂ (его ось – d). Указанные оси не совпадают и между ними обозначен угол θ. Оба поля вращаются синхронно со скоростью n, как показано стрелками. Известно, что разноименные магнитные полюса взаимно притягиваются. Поэтому между разноименными полюсами ротора и поля статора возникают силы притяжения. Эта сила на рис. 4.13б) обозначена вектором f_м. С учетом обозначенного угла θ эту силу можно разложить на две составляющие: нормальную f_n=f_мcosθ (она направлена вдоль оси полюсов) и тангенциальную f_t=f_мsinθ (она направлена поперек оси полюсов). Тангенциальные силы всех полюсов создают электромагнитный момент м, действующий на ротор встречно к направлению его вращения:

М=f_tּ2p(d₂/2)= f_мd₂psinθ (4.15)

где d₂ – диаметр ротора.

Рис.4.13. Образование вращающего момента

в синхронной машине

Полученное выражение удобно представить в упрощенном виде:

М= м_maxsinθ (4.16)

В этом выражении м_max=f_мd₂p и представляет собой максимальное значение момента при θ=90^о. В направлении вращения ротора действует вращающий момент м₁ первичного двигателя. По отношению к нему момент м оказывает тормозящее действие на ротор. На его преодоление и затрачивается часть мощности первичного двигателя. Она представляет собой электромагнитную мощность

Р_эм= мω₁ (4.17)

Где ω₁=2πf₁/p=const – угловая синхронная скорость вращения ротора (рад/сек). Таким образом, при появлении тока i₁ генератор получает электрическую нагрузку, которая обеспечивается за счет мощности р₁, отбираемой от первичного двигателя. Потребляемая генератором мощность складывается из электромагнитной мощности и потерь холостого хода машины

Р₁=р_эм+р_о (4.18)

Полезная активная мощность р₂, отдаваемая генератором в сеть, равна электромагнитной мощности за вычетом потерь в статоре. Обобщая изложенное, можно записать:

Р₂₌ р₁ -σр= м₁ω₁-σр (4.19)

Если все слагаемые в (4.18) разделить на угловую частоту ω₁, получим уравнение моментов синхронного генератора:

М₁₌ м_о+ м (4.20)

Здесь м_о – момент холостого хода, определяемый, как момент сопротивления вращению ротора при холостом ходе генератора. По уравнениям (4.16) и (4.17) строится угловая характеристика синхронного генератора, являющаяся его важной характеристикой (см. Рис. 4.14а).

Рис. 4.14. Угловая (а) и U-образная (б)

характеристики синхронного генератора

Кривая 1 представляет собой один полупериод синусоиды и показывает в соответствующем масштабе зависимость р_эм=f(θ) или м=f(θ). Максимальное значение угла электромагнитного момента м_max соответствует критическому значению угла θ_кр. Из анализа графика делается вывод, что при изменении нагрузки в пределах 0<м<м_max синхронная м_max угол рассогласования осей полюсов становится больше критического (θ > θ_кр) и генератор выпадает из синхронизма (опрокидывается). Скорость вращения его ротора увеличивается и частота индуктируемой в якоре эдс станет выше частоты тока в сети. Это может привести к серьезной аварии. В явнополюсной машине кроме рассмотренного действует еще и дополнительный (реактивный) момент (кривая 2), обусловленные разностью проводимости магнитной цепи по продольной и поперечной осям. Поэтому форма зависимости м=f(θ) отклоняется от синусоиды (линия 3), а значение угла может уменьшиться.

2.8. Режимы работы синхронного генератора с сетью

Мы рассмотрели работу генератора параллельно с сетью при неизменном токе возбуждения. Что же произойдет в генераторе, если после подключения к сети начать изменять ток возбуждения, оставив неизменным вращающий момент первичного двигателя? В этом случае генератор может оказаться в недовозбужденном или перевозбужденном режиме работы. Предположим, что при неизменном вращающем моменте первичного двигателя будем менять величину тока возбуждения генератора. Мощность, передаваемая первичным двигателем генератору остается при этом неизменной. Неизменной остается и активная мощность, отдаваемая генератором в сеть. Следовательно, активная составляющая тока в якоре, обуславливающая указанную активную мощность, также остается постоянной. Степень возбуждения синхронного генератора, работающего параллельно с сетью, влияет только на реактивную составляющую якорного тока. Практический интерес представляет зависимость полного якорного тока от величины тока возбуждения – i₁=f(i_в). Графически эта зависимость изображается кривой линией, которую называют u-образной кривой. Она представлена на рис. 4.14б) при холостом ходе генератора (р₂=0). При половинной (р₂=0,5) и полной номинальной (р₂=р_ном) нагрузке. Минимальные значения тока i₁ имеют место при отсутствии в его составе реактивной составляющей. Это значит, что в этой точке (при холостом ходе – точка 1) генератор имеет коэффициент мощности cosφ₁=1. На рисунке хорошо видно, что величина тока i_в , при которой выполняется это условие, зависит от величины нагрузки генератора. Траектория перемещения этой точки при нарастании нагрузки показана пунктирной линией 2. Следует иметь в виду, что при уменьшении тока i_в наступает такое его минимальное значение, когда генератор может выпасть из синхронизма (опрокинется). Это является следствием ослабления магнитной связи между полюсами ротора и статора. Не графике линией 3 показан предел устойчивой работы генератора на сеть при уменьшении тока возбуждения. В большинстве случаев нагрузка генератора имеет индуктивный характер (вектор тока нагрузки отстает от вектора напряжения). В этом случае генератор должен вырабатывать и реактивную мощность для обеспечения потребности нагрузки. Задача решается путем перевозбуждения машины. В этом случае генератор оказывает емкостное воздействие на сеть. Если же машина недовозбуждена, то она сама потребляет из сети реактивную мощность. В заключение следует отметить, что для сохранения коэффициента мощности неизменным (cosφ₁=const) вводится автоматическое регулирование тока возбуждения в зависимости от величины и характера нагрузки.

2.9. Синхронные двигатели и компенсаторы

В соответствии с принципом обратимости электрической машины синхронная машина может работать и в режиме двигателя. Чтобы лучше понять принцип работы синхронного электродвигателя, вернемся к вопросу работы синхронного генератора параллельно с сетью большой мощности. На рис. 4.13а) было показано, что первичный двигатель вращает ротор генератора против часовой стрелки и совместно с электрической нагрузкой со стороны сети обусловливает отставание поля статора от поля ротора на угол θ. Вращающий момент первичного двигателя уравновешивается моментом генератора согласно (4.20). Этому режиму соответствует любая точка на восходящей части кривой м=f(θ) (см. Рис. 4.14а). Если же начать уменьшать вращающий момент первичного двигателя, это приведет в соответствующему уменьшению угла θ. Он станет равен нулю, если первичный двигатель перестанет развивать вращающий момент. Ротор генератора будет продолжать вращаться, потребляя из сети небольшую активную мощность для покрытия потерь холостого хода. Предположим, что в этот момент вал генератора отсоединили от первичного двигателя и какими-либо средствами начали его притормаживать, то есть, приложим к вращающемуся валу машины внешнюю механическую нагрузку. Тормозящий момент нагрузки будет направлен встречно к моменту, развиваемому машиной, что приведет к изменению знака угла θ на обратный. Соответственно изменяется величина и знак момента, развиваемого электрической машиной. Ротор начинает отставать от поля ротора. Характер зависимости момента от величины угла θ представлен на рис. 4.15а) путем продолжения влево от оси ординат кривой 1 (рис. 4.14а). Так как в этом случае вращающийся ротор машины преодолевает момент сопротивления нагрузки, она работает в режиме двигателя.

Рис. 4.15. Вращающий момент в синхронном двигателе:

1 – сердечник полюса; 2 – стержни; 3 – коротокозамыкающее

кольцо; Вδ – индукция в зазоре; Fэм – сила, противодей-ствующая качанию ротора; n1 – скорость вращения

ротора

Из изложенного следует, что в режиме двигатеёля потребляемый от сети ток якоря синхронной машины создает вращающееся магнитное поле статора, которое, сопрягаясь с полем возбужденного ротора, увлекает последний за собой. При этом ротор вращается синхронно с полем статора (n₁=60f₁/p), отставая от него на θ.

С ростом момента нагрузки угол θ также увеличивается. При достижении им величины -θ_кр момент двигателя достигает максимального значения и при дальнейшем увеличении нагрузки на валу происходит опрокидывание двигателя. Это значит что развиваемый им вращающий момент не может скомпенсировать момент нагрузки и ротор машины выходит из синхронизма, его скорость быстро падает до нуля. Если при этом якорная обмотка остается подключенной к сети, возникает опасность аварии и выходя машины из строя. В технических документах момент двигателя, соответствующий критическому значению угла θ, часто называют моментом выхода из синхронизма. Устойчивая работа синхронного двигателя возможна только тогда, когда момент нагрузки лежит в пределах 0<м_нагр<м_max. Важной его характеристикой считается перегрузочная способность

Λ= м_max/ м_ном (4.21)

Обычно перегрузочная способность синхронного двигателя лежит в пределах λ=2…3, что при номинальной нагрузке соответствует θ_ном=30^о…20^о. Здесь угол θ выражен в электрических градусах, исходя из соотношения: 1 эл. Град. = рּ(1 геом. Град.). Он может быть определен экспериментально. Для этого нужно светом неоновой лампы, подключенной к зажимам работающего двигателя, осветить торец вращающегося вала. Если на торце сделана метка, то в свете лампы она окажется неподвижной. Её смещение при нагрузке относительно положения при холостом ходе двигателя практически равно углу θ в геометрических градусах. При скачкообразном изменении нагрузки момент двигателя и угол θ не могут мгновенно изменяться, отслеживая её величину. В этих случаях из-за инерционности ротора и электромагнитных цепей машины возникает опасность качаний ротора вокруг нового значения угла θ. Такие колебания ротора могут в некоторых случаях привести к опрокидыванию двигателя и при моментах нагрузки, меньших критического м_max. Для снижения такой опасности в конструкции двигателя, как и в синхронном генераторе, предусматриваются демпферные обмотки. Чаще всего они представляют собой «беличью клетку», стержни которой размещены в пазах, выполненных в башмаках полюсов ротора. Элемент такого варианта демпферной обмотки показан на рис. 4.15б). Здесь показан башмак 1 полюса ротора, в котором выполнены пазы. В пазах размещены стержни 2 из проводникового материала. На торцах эти стержни соединены между собой короткозамыкающими кольцами 3. Магнитное поле статора на рисунке показано стрелками в_δ. Если ротор вращается со скоростью, равной скорости вращения n₁ магнитного поля статора, то стержни 2 неподвижны относительно силовых линий этого поля. Поэтому в них не наводится эдс и отсутствуют токи. При качаниях ротора стержни 2 начинают перемещаться относительно поля вδ в одну или другую стороны, пересекая его силовые линии. Поэтому в них возникнет эдс, направление которой будет зависеть от относительного перемещения стержней и поля. Ясно, что при колебаниях ротора относительно скорости n₁ эта эдс имеет переменный характер. На рисунке показан момент времени, когда направление колебательного движения ротора совпадает с направлением его вращения. Возникшие при этом токи в стержнях имеют направление, показанное стрелками i_ст. Взаимодействуя с полем статора, эти токи создадут вращающий момент м_д, направленный против вращения ротора. Этот момент будет препятствовать колебательному движению ротора. Легко проследить, что при изменении направления качания момент м_д изменит направление и будет препятствовать обратному движению ротора. Таким образом, момент м_д, препятствуя качаниям ротора, демпфирует эти качания. Поэтому он носит название демпфирующего момента, о сама короткозамкнутая обмотка – демпферной обмотки. Демпфирующее действие могут оказывать также и сами полюса ротора, если они выполнены массивными. Синхронные двигатели пор своей конструкции могут отличаться от синхронных генераторов: они имеют меньше воздушного зазора, ширина полюсного башмака может достигать 0,9 от полюсного деления τ, демпферную обмотку выполняют стержнями большего сечения. Кроме этого, синхронные двигатели общепромышленного назначения выполняют обычно явнополюсными с 2р=6…24. Важнейшим преимуществом синхронного двигателя является стабильность скорости вращения ротора независимо от изменения нагрузки. Серьезным их достоинством считается также возможность обеспечения эксплуатации при коэффициенте мощности, близком к единице. Недостатком синхронного двигателя является сложность его запуска. Поэтому он используется в приводах с редкими пусками. Пуск синхронного двигателя общепромышленного назначения (их мощность 0,5 квт и выше) путем прямого включения в сеть невозможен. Ведь при таком включении поле статора мгновенно приобретает скорость n₁=60f₁/p, что для ротора невозможно из-за его значительной инерционности. Поэтому надежная магнитная между полюсами полей статора и ротора не возникает. Для пуска синхронного двигателя приходится применять специальные приемы. Их суть сводится к тому, чтобы перед включением якоря на сеть ротор разогнать до скорости, близкой к синхронной. Такая скорость называется подсинхронной, она может составлять 2…3% от n_1. Для решения этой задачи используют так называемый “асинхронный пуск”. Этот способ пуска возможен при наличии на роторе пусковой обмотки, аналогичной беличьей клетке асинхронного двигателя или джемпферной обмотки синхронной машины. Схема включения синхронного двигателя для такого пуска представлена на рис.4.16а).

Рис. 4.16. Пуск синхронного электродвигателя

Здесь показаны: w_я - статорная обмотка; w_в – обмотка возбуждения на роторе; w_пуск – беличья клетка на роторе, используемая в качестве пусковой обмотки. Рубильником к₁ якорная обмотка подключается к сети. Вращающееся магнитное поле статора индуктирует эдс в стержнях обмотки w_пуск. Возникший в них ток, взаимодействуя с полем статора, создает усилие f_эм (см. Рис.4.15а), которое образует вращающий электромагнитный момент, не отличающийся по своей природе от электромагнитного момента асинхронного двигателя. Под действием этого момента ротор приходит во вращение в направлении вращения поля статора. Разгон ротора происходит по механической характеристике, представленной на рис. 4.16б) линией 2. Эту характеристику здесь удобнее называть пусковой. Нарастание скорости ротора продолжается вплоть до точки с координатами м_вх и s_вх, которая характеризуется, как подсинхронная скорость. Следует обратить внимание, что по мере разгона ротора его скорость относительно поля статора уменьшается, так как уменьшается скольжение s. Так, при подсинхронной скорости, соответствующей скольжению s_вх, эта относительная скорость для двухполюсной машины составляет 1÷1,5 об/мин. Такое медленное перемещение ротора позволяет при подаче в роторную обмотку тока возбуждения преодолеть инерционные силы и за половину периода действия сетевого тока (за 0,01сек при частоте f₁=50гц) разогнать ротор до синхронной скорости, т.е. - втянуть его в синхронизм. Имея в виду малый промежуток времени для этого изменения скорости, обычно говорят, что ротор входит в синхронизм скачком. После синхронизации ротора пусковая обмотка будет играть роль демпфера качаний ротора. Несложно понять, что при увеличении нагрузочного момента на валу двигателя приведет к затруднению его синхронизацию. Наибольший момент нагрузки, с которым двигатель может войти в синхронизм, называют моментом входа м_вх. Если вспомнить изложенные для асинхронного двигателя приемы регулирования скольжения и момента двигателя путем изменения некоторых параметров ротора, то напрашиваются следующие рекомендации для увеличения момента входа: увеличение сечения стержней, повышение напряжения на фазе при пуске и др. Следует обратить внимание на то, что в явнополюсном двигателе невозможно выполнить беличью клетку симметричной. На междуполюсном участке ротора стержни отсутствуют. Это приводит к искажению формы пусковой характеристики. Это происходит из-за возникновения так называемого «одноосного момента», изображенного на рис. 4.16б) линией 3. Если сложить её при каждом значении скольжения с линией 2, получим результирующую пусковую характеристику 4 явнополюсного синхронного двигателя. Здесь же линией 1 показана механическая характеристика двигателя при синхронном вращении ротора. Это – отрезок прямой, совпадающей с осью ординат. Характеристика имеет две важные точки: момент входа м_вх и момент выхода м_вых. Последний по своему смыслу совпадает с максимальным моментом м_max, обозначенный на рис. 4.15а). Полезно обратить внимание, что в кривой возникают провалы момента, что в свою очередь может затруднить запуск двигателя. При пуске синхронного двигателя его обмотку возбуждения на время разгона ротора. Следует ключом к₂ замкнуть на некоторое активное сопротивление r_р, которое называют разрядным. Это позволит избежать недопустимых перенапряжений на выводах обмотки возбуждения и создать дополнительный асинхронный момент. При достижении подсинхронной скорости ключ к₂ переключает обмотку возбуждения к источнику постоянного тока. Прямой пуск синхронных двигателей непосредственным включением в сеть на номинальное напряжение применяют при достаточной мощности сети. Она должна выдерживать пяти-, семикратные броски пускового тока без недопустимого снижения напряжения. В других случаях применяют приемы ограничения пускового тока, как это делается. При пуске асинхронных двигателей и было показано ранее. Многополюсные синхронные двигатели малой мощности с повышенным число полюсов нередко удается запустить без беличьей клетки. При небольших значениях синхронной скорости ротор в этих двигателях успевает войти в синхронизм в течении действия первого полупериода тока в сети. Маломощные (до 500вт) синхронные двигателя, как привило, имеют на вале два ротора: асинхронный с беличьей клеткой и постоянный магнит. Первый служит для обеспечения пуска, а второй – для работы в синхронном режиме. Такие двигатели допускают и включение на однофазную сеть с выполнением тех же условий, что ранее были изложены для асинхронных двигателей. Как и синхронному генератору, так и синхронному двигателю свойственны u-образные кривые зависимости якорного тока от величины тока возбуждения. Это свойство позволяет широко регулировать характер воздействия двигателя на сеть: индуктивное или емкостное. Оно нередко используется для компенсации реактивной мощности в сети, где преобладает активно-индуктивная нагрузка. Синхронный компенсатор – это синхронная машина, которая используется для генерирования реактивной мощности. Он обычно устанавливается в непосредственной близости к потребителю. На рис. 4.17а) показана схема, состоящая из синхронного генератора сг, повышающего трансформатора тр₁, линии электропередачи лэп, понижающего трансформатора тр₂ и потребителя электрической энергии z. На рис. 4.17б) показано подключение нагрузки к сети и векторная диаграмма, где ток i_z отстает от напряжения u_c на угол φ_z. Этот угол обусловлен значительной индуктивностью цепи. При подключении параллельно потребителю компенсатора ск и обеспечении его перевозбуждения с током нагрузки i_z складывается ток компенсатора i_ск, опережающий напряжение u_c на угол 90^о. На векторной диаграмме этого рисунка показано, что при векторном сложении токов i_z и i_ск получаем ток сети i_с. Его фазовый угол φ_с оказывается значительно меньше фазового угла φ_z. Тока потребителя. Синхронные компенсаторы применяют также для стабилизации напряжения в линиях электропередачи большого протяжения.

3. Заключительная часть

3.1. Заключение

В итоге проведения занятия обучаемые получили представление об устройстве, принципе работы и разновидностях синхронных машин, типах роторов, устройстве возбуждения основного магнитного потока, возникновении эдс в якорной обмотке при вращении ротора первичным двигателем; изучили процессы преобразования энергии в синхронном генераторе и в синхронном двигателе, причины и виды потерь мощности, физический смысл коэффициента полезного действия рассматриваемых машин; усвоили суть некоторых характеристик синхронных машин и приемы управления ими и правила их практического использования, условия работы синхронного генератора параллельно с другими генераторами, правила и практические приемы синхронизации; эксплуатационные характеристики синхронных двигателей и приемы их запуска, применение синхронной машины в качестве компенсатора коэффициента мощности в сети.

По итогам проведенного занятия обучаемые должны уметь:

Объяснить устройство явнополюсной и неявнополюсной синхронной машины;

Выполнить классификацию типов синхронных машин;

Объяснить принцип работы синхронного генератора;

Объяснить способы создания основного магнитного поля синхронной машины;

Перечислить типы источников питания обмотки возбуждения. Объяснить варианты их соединения с синхронной машиной;

Пояснить принципы и особенности взаимодействия магнитных полей статора и ротора в синхронном генераторе и в синхронном двигателе;

Изобразить и объяснить внешние и регулировочные характеристики синхронного генератора и пояснить их содержание;

Назвать условия включения синхронного генератора на параллельную работу с сетью;

Изобразить u-образную характеристику синхронного генератора и объяснить изменение его параметров при регулировании тока возбуждения;

Назвать причины выхода синхронной машины из синхронизма и условия её устойчивой работы;

Объяснить построение и использование угловой характеристики синхронной машины;

Нарисовать схему синхронизации синхронного генератора на потухание и пояснить принцип её практического использования;

Объяснить устройство демпферной обмотки ротора синхронной машины;

Пояснить принцип работы синхронного двигателя;

Назвать причины возникновения качаний ротора при работе синхронной машины и способы их демпфирования;

Вычислить частоту вращения ротора синхронного двигателя, подключенного к сети промышленной частоты, с учетом числа полюсов машины;

Нарисовать пусковую характеристику синхронного двигателя при асинхронном пуске;

Назвать способы повышения момента входа в синхронизм синхронного двигателя;

Объяснить способы запуска синхронного двигателя, нарисовать схемы, их реализующие;

Нарисовать схемы включения синхронного генератора, двигателя, компенсатора.

Нарисовать схему включения синхронной машины в качестве компенсатора коэффициента мощности;