Синхронные машины

Размещено на http://allbest.ru

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Синхронные электрические машины характерны тем, что у них ротор в установившемся режиме вращается с угловой скоростью вращающегося магнитного поля, создаваемого токами в фазных обмотках статора, подобного статору асинхронной машины. Это достигается тем, что ротор синхронной машины представляет собой обычно электромагнит или реже постоянный магнит с числом пар полюсов, равным числу пар полюсов вращающегося магнитного поля.

Взаимодействие полюсов вращающегося магнитного поля и полюсов ротора обеспечивает постоянную угловую скорость последнего независимо от момента на валу. Это свойство синхронных машин позволяет использовать их в качестве двигателей для привода механизмов с постоянной угловой скоростью.

Распространенность синхронных двигателей не столь широка, как асинхронных, но в ряде случаев, например в металлургии, их использование становится необходимым. Единичная мощность синхронного двигателя в приводах большой мощности достигает нескольких десятков мегаватт.

Основной областью применения синхронных машин является использование их в качестве промышленных генераторов для выработки электрической энергии на электростанциях.

Единичная мощность современных электрогенераторов достигает 1500MB-А.

2. УСТРОЙСТВО СИНХРОННОЙ МАШИНЫ

Основными частями синхронной машины являются статор и ротор, причем статор не отличается от статора асинхронной машины (см. рис. 14.1). Сердечник статора собран из изолированных друг от друга пластин электротехнической стали и укреплен внутри массивного корпуса. В пазах с внутренней стороны статора размещена обмотка переменного тока, в большинстве случаев трехфазная.

Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит -- явнополюсный (рис. 15.1, где 1-- полюсы, 2-- полюсные катушки, 3 -- сердечник ротора, 4 -- контактные кольца) или неявнополюсный (рис. 15.2, где 1 --сердечник ротора, 2 -- пазы с обмоткой, 3 -- контактные кольца). Ток в обмотку ротора поступает через контактные кольца и щетки от внешнего источника постоянного тока -- возбудителя.

У многополюсной синхронной машины ротор имеет р пар полюсов, а токи в обмотке статора образуют тоже р пар полюсов вращающегося магнитного поля (как у асинхронной машины).

Ротор должен вращаться с частотой вращения поля, следовательно, его синхронная частота вращения равна:



При стандартной промышленной частоте 50 Гц максимальная частота вращения, соответствующая двухполюсной (р = 1) машине, будет 3000 об/мин. Это частота вращения современного турбоагрегата, состоящего из первичного двигателя -- паровой турбины и неявнополюсного синхронного генератора (турбогенератора).

У гидроагрегата гидравлическая турбина вращается относительно медленно. Это вынуждает изготовлять гидрогенераторы многополюсными с явными полюсами и в большинстве случаев -- вертикальным валом. Частота вращения этих генераторов -- от 60 до нескольких сотен оборотов в минуту, чему соответствует несколько десятков пар полюсов. Вследствие относительно малых частот вращения генераторы к гидравлическим турбинам имеют значительно большую массу на единицу мощности -- свыше 8 кг/ (кВ * А), чем генераторы к паровым турбинам -- менее 2,5 кг/ (кВ * А).

3. РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ

Любая синхронная машина, включенная в электрическую систему, может работать в режиме генератора и двигателя. Режим работы синхронной машины определяется взаимодействием магнитных полей, создаваемых токами в обмотках статора и ротора. Рассмотрим режимы работы двухполюсной машины. Наложение магнитных полей токов в фазных обмотках статора возбуждает в синхронной машине, так же как и в асинхронной, магнитное поле (см. § 14.3), вращающееся с угловой скоростью щ. Приближенное распределение магнитных линий вращающегося магнитного поля в магнитопроводе синхронной машины в режимах генератора (а) и двигателя (б) показано на рис. 15.3 штриховой линией.

Распределение линий вращающегося магнитного поля показывает, что приближенно его можно представить в виде вращающейся с угловой скоростью щ пары полюсов, расположенных на статоре.

Аналогичным образом магнитное поле, создаваемое током в обмотке вращающегося ротора, также можно приближенно представить в виде вращающейся пары полюсов, расположенных на роторе.

Если пренебречь всеми видами потерь энергии в синхронной машине, то при отсутствии момента на валу ось полюсов ротора будет совпадать с осью полюсов статора.

Для того чтобы заставить синхронную машину, включенную в систему, работать в режиме генератора, отдавая в эту систему энергию, необходимо увеличить механический момент, приложенный первичным двигателем к валу машины. Тогда под действием возросшего вращающего момента ось магнитных полюсов ротора повернется на некоторый угол у относительно оси полюсов статора в направлении вращения (рис. 15.3, а). Так как при этом результирующее магнитное поле, создаваемое наложением магнитных полей токов в обмотках ротора и статора, изменится, то ток в обмотках статора также изменится. Взаимодействие этого тока с магнитным полем ротора создает тормозной момент, действующий на ротор. Это и означает преобразование механической мощности первичного двигателя в электрическую мощность генератора, включенного в систему. Магнитные полюсы ротора будут как бы тянуть за собой магнитные полюсы статора.

Если теперь приложить к валу машины вместо вращающего тормозной момент механической нагрузки, то ось полюсов ротора повернется на некоторый угол относительно оси полюсов статора против направления вращения (рис. 15.3, б). Вновь возникнут токи в обмотках статора и создадут электромагнитные силы взаимодействия токов статора и магнитного поля ротора, но на этот раз эти силы будут стремиться увлечь ротор в направлении вращения. Электромагнитные силы создадут теперь вращающий момент, при посредстве которого электрическая энергия сети преобразуется в механическую на валу машины; таким путем синхронная машина переходит в режим двигателя. синхронный генератор статор электропривод

Режим работы синхронной машины изменяется от генераторного на двигательный и обратно в зависимости от механического воздействия на вал машины, причем электромагнитные силы играют роль своеобразной упругой связи между ротором и статором.

4. ПОЛУЧЕНИЕ СИНУСОИДАЛЬНОЙ ЭДС В СИНХРОННОМ ГЕНЕРАТОРЕ

Обмотка статора синхронной машины устроена так же, как и обмотка асинхронной машины. Однако если в асинхронной машине главным магнитным потоком, индуктирующим ЭДС в фазных обмотках статора, является вращающееся магнитное поле, то в синхронной машине главным магнитным потоком, индуктирующим ЭДС в фазных обмотках статора, является магнитное поле, создаваемое постоянным током в обмотке вращающегося ротора.

В условиях холостого хода синхронного генератора магнитный поток, сцепляющийся с одним витком фазной обмотки статора, изменяется в пределах от + Ф_от до -- Ф_от, где Ф_от -- максимальное значение магнитного потока, сцепленного с одним витком, создаваемое магнитным полем вращающегося с угловой скоростью со ротора.

В § 2.5 было показано, что в этом случае в одном витке фазной обмотки возникнет ЭДС, изменяющаяся по закону, близкому к синусоидальному, с амплитудой Е_От = щФ_0т.

Вследствие того что секции, образующие каждую из фаз обмотки статора, распределены по нескольким пазам, их ЭДС складываются геометрически, что при расчете ЭДС фазной обмотки учитывается посредством обмоточного коэффициента k_o6 < 1 (см. § 14.5).

Таким образом, действующее значение ЭДС фазной обмотки статора синхронной машины, имеющей w витков на фазу, будет:

где ш_o -- действующее значение потокосцепления, создаваемого магнитным полем ротора с фазной обмоткой статора.

Для получения синусоидальной ЭДС в проводниках витков фазных обмоток статора необходимо, чтобы индукция в воздушном зазоре, создаваемая магнитным полем ротора, распределялась по синусоидальному закону вдоль окружности ротора. В случае явновыраженных полюсов для этой цели используется форма полюсных наконечников: явнополюсная машина изготовляется с неравномерным воздушным зазором, постепенно увеличивающимся от середины полюса к краям, благодаря чему магнитная индукция распределяется обратно пропорционально магнитному сопротивлению. Это дает возможность, посредством соответствующего подбора формы полюсного наконечника достичь приближенно синусоидального распределения вдоль окружности ротора.

Однако такой способ получения синусоидальной кривой неприменим для неявных полюсов быстроходных машин. В этих машинах путем соответствующего распределения обмотки возбуждения вдоль окружности ротора удается получить трапециевидное распределение индукции вдоль окружности ротора, что уже представляет собой существенное приближение к синусоиде. Для дальнейшего подавления высших гармонических в кривой ЭДС используются специальные свойства распределенной обмотки статора.

5. УРАВНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ФАЗЫ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Магнитное поле нагруженной синхронной машины возбуждается не только током возбуждения в обмотке ротора, но и токами в фазных обмотках статора (якоря). Следовательно, в синхронных машинах, как и в машинах постоянного тока, имеет место реакция якоря -- воздействие МДС якоря на основное магнитное поле машины. Форма кривой ЭДС, индуктируемой в фазной обмотке нагруженного генератора, зависит не только от распределения поля ротора вдоль, окружности машины, но и от распределения поля статора. Последнее также должно быть по возможности синусоидальным для того, чтобы результирующее поле и кривая ЭДС нагруженной машины были синусоидальны.

Ток в фазных обмотках статора нагруженного синхронного генератора создает падения напряжений на индуктивном и активном сопротивлениях обмоток. Индуктивное сопротивление фазной обмотки статора определяется потокосцеплением рассеяния и магнитным потоком реакции якоря.

Индуктивное сопротивление рассеяния фазной обмотки статора определяется потокосцеплением рассеяния статора ш_рас. Это потокосцепление, как и в асинхронной машине, есть часть потокосцепления фазной обмотки статора, определяемая магнитными линиями, замыкающимися помимо ротора поперек пазов, по коронкам зубцов и вокруг лобовых частей обмотки статора (см. рис. 14.13). Линии поля рассеяния проходят значительную часть пути в воздухе. Поэтому можно считать, что потокосцепление рассеяния пропорционально току статора и совпадает с ним по фазе. Потокосцепление рассеяния, индуктирует в фазной обмотке статора ЭДС рассеяния Е_рас, отстающую по фазе от этого потокосцепления на 90°. Можно выразить напряжение, уравновешивающее ЭДС рассеяния, через ток статора I и индуктивное сопротивление рассеяния х_рас (2.33):

Падение напряжения на индуктивности рассеяния в синхронных машинах составляет при номинальной нагрузке 10--15 и даже до 20 % номинального фазного напряжения. Значительное индуктивное сопротивление рассеяния, обусловливающее это падение напряжения, полезно, так как в случаях коротких замыканий между выходными выводами генератора оно ограничивает ток. Активное сопротивление фазной обмотки статора весьма мало. Обычно падение напряжения на активном сопротивлении фазной обмотки при номинальной нагрузке составляет для больших генераторов 1--2 % номинального фазного напряжения. В большинстве расчетов им можно поэтому пренебречь; мы будем учитывать его лишь в некоторых случаях.

Как уже упоминалось, на ЭДС фазы синхронной машины влияет реакция якоря. Физически в синхронной машине существует лишь одно результирующее магнитное поле, складывающееся из магнитного поля ротора, магнитного поля рассеяния статора и магнитного поля реакции якоря. Но целесообразно рассматривать эти магнитные поля как существующие независимо друг от друга, создающие с фазной обмоткой статора независимые потокосцепления и индуктирующие в ней соответствующие ЭДС. Таким образом, в нагруженном синхронном генераторе потокосцепление ротора ш_o индуктирует в фазной обмотке статора ЭДС Е_о, равную ЭДС холостого хода, потокосцепление рассеяния ш_рас индуктирует ЭДС Е_рас и, наконец, потокосцепление реакции якоря ш_р,я индуктирует в обмотке статора некоторую ЭДС Е_р, я. Наиболее простые соотношения мы получим, если не будем учитывать влияния гистерезиса и насыщения магнитопровода на потокосцепление якоря (статора) и, следовательно, примем в этом случае, что потокосцепление якоря пропорционально току якоря I и совпадает с ним по фазе. В действительности это вполне справедливо лишь для ненасыщенного магнитопровода синхронной машины. При этом можно выразить ЭДС реакции якоря Е_р,_я так же, как ЭДС рассеяния Е_рас, т. е. через ток I и некоторое индуктивное сопротивление х_я, и считать, что:

Напряжение jx_яi представляет собой то напряжение, которое нужно для преодоления ЭДС реакции якоря.

При таком истолковании процессов ЭДС Ё_о, индуктируемая в фазной обмотке потокосцеплением W_o, равна сумме напряжений jx_расi и jx_яj на индуктивных сопротивлениях х_рас и х_я фазной обмотки, напряжения r_вi на активном сопротивлении витков фазной обмотки и напряжения между выводами фазной обмотки синхронного генератора О. Следовательно, уравнение электрического состояния фазы статора синхронного генератора есть:

где х_рас + х_я = х -- индуктивное сопротивление фазной обмотки статора, называемое синхронным реактивным (индуктивным) сопротивлением. У синхронной машины с ненасыщенным магнитопроводом это -- относительно постоянная величина.

6. СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ И УПРОЩЕННАЯ ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА ФАЗЫ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Уравнению электрического состояния фазы статора синхронного генератора (15.3) соответствует схема замещения на рис. 15.4, а.

Построим теперь векторную диаграмму фазы синхронного генератора. Для этого выберем в качестве исходного вектор основного магнитного потокосцепления ш₀, который направим влево по оси абсцисс (рис. 15.4, б). Вектор ЭДС E₀, индуктируемой потокосцеплением ш₀, отстает от вектора ш_о на 90°. Вектор тока статора (якоря) I отстает от Е_о на угол ц₀, определяемый соотношением реактивных и активных сопротивлений:

где х_я и r_н -- индуктивное и активное сопротивления цепи нагрузки генератора. Вектор напряжения r_вi совпадает по направлению с вектором тока i, а вектор напряжения jxЭ опережает этот вектор на 90°. Чтобы определить положение вектора напряжения U между выводами фазной обмотки генератора, вычтем из вектора Л_о сумму векторов напряжений на активном и реактивном сопротивлениях, фазной обмотки: U = Е_о -- jxЭ -- rЭ. Соединив концы векторов Л_о и U, получим треугольник напряжений на активном и индуктивном сопротивлениях фазы генератора с гипотенузой Z_o6I.

Отметим, что для наглядности диаграммы мы преувеличиваем значение вектора напряжения ri.

7. НОМИНАЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ И КПД СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Энергетический баланс синхронного генератора можно пояснить с помощью его векторной диаграммы (рис. 15.4, б). Вектор Л_о и его составляющие проектируем на направление вектора тока i; тогда активная составляющая ЭДС

Это уравнение умножим на действующее значение тока I и таким путем преобразуем (15.5) в уравнение электрической мощности для одной фазы генератора:

Оно показывает, что электрическая мощность статора Р_эс складывается из мощности потерь в проводах якоря Р_пр и электрической мощности Р, с которой генератор отдает энергию в сеть. Но помимо мощности потерь в проводах в генераторе имеют место еще и мощность механических потерь Р_мп и мощность потерь на гистерезис и вихревые токи в электротехнической стали Р_с статора и полюсных башмаков.

Из уравнения (15.6) видно, что мощность этих потерь покрывается не за счет электрической мощности, а непосредственно за счет механической мощности первичного двигателя. Соответствующая энергетическая диаграмма синхронного генератора показана на рис. 15.5.

Кроме того, в синхронном генераторе имеют место потери энергии на возбуждение. Мощность потерь на возбуждение генератора равна мощности возбудителя постоянного тока Р_воз.

Мощность возбудителя составляет примерно 0,3--1 % номинальной мощности для больших генераторов. Мощность всех потерь энергии в генераторе делится на мощность постоянных потерь, почти не зависящую от нагрузки, и мощность переменных потерь, изменяющуюся в зависимости от нагрузки. Мощность постоянных потерь Р_пос равна сумме мощностей потерь механических, возбуждения и в электротехнической стали; мощность переменных потерь Р_пер равна мощности потерь в проводах.

Электрическая мощность генератора, выраженная через фазные напряжения и ток, Р = 3UI cos ц, при одном и том же токе зависит от cos ц нагрузки. Но сечения проводников обмоток генератора рассчитываются на определенное значение тока, а его изоляция и сечение магнитной цепи -- на определенное напряжение U; следовательно, эти величины выбираются независимо от cos ц нагрузки.

По этой причине подобно трансформаторам номинальной мощностью генератора считается его полная мощность S = UI, измеряемая в киловольт-амперах. Было бы нецелесообразно соединять генератор с турбиной, рассчитанной на его полную мощность S (деленную на его КПД), так как почти всегда cos ц < 1. Поэтому турбина к генератору обычно имеет несколько меньшую мощность, чем полная мощность генератора (например, из расчета cos ц = 0,8).

Мощность генератора пропорциональна его объему, поэтому с увеличением номинальной мощности генератора уменьшается поверхность охлаждения, приходящаяся на единицу мощности, вследствие чего приходится создавать усиленное охлаждение искусственным путем посредством вентиляции машины. В крупных турбогенераторах количество воздуха, необходимого для вентиляции, весьма велико. В час для охлаждения машины требуется примерно столько воздуха, сколько весит сама машина.

Для генераторов мощностью более 25 000 кВ-А обычно применяется водородное охлаждение. Преимущества такого охлаждения определяются тем, что водород легче воздуха в 14 раз, его теплоемкость больше в 14 раз, теплопроводность -- в 7 раз, а коэффициент теплоотдачи водородом с охлаждаемой поверхности -- в 1,35 раза.

Коэффициент полезного действия генератора равен отношению мощности генератора, включенного в сеть, к мощности первичного двигателя; последнюю удобно представить как сумму мощности генератора и мощности всех видов потерь в машине; следовательно,



Уравнение КПД показывает, что с уменьшением нагрузки КПД также уменьшается. На рис. 15.6 приведены графики зависимости КПД генератора от нагрузки при различных значениях cos ц. С увеличением номинальной мощности генераторов возрастают КПД как самого генератора, так и его первичного двигателя.

8. РАБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

Трехфазная электрическая система большой мощности представляет собой большое число трехфазных источников и трехфазных потребителей электрической энергии, работающих параллельно.

Можно считать, что частичное изменение числа источников и потребителей электрической энергии в мощной системе не влияет на режим ее работы. Поэтому действующее значение напряжения на общих шинах системы, так же как частоту, можно всегда считать постоянными величинами.

На рис. 15.7 приведена эквивалентная схема замещения фазы мощной системы, содержащей источник бесконечной мощности Л и нагрузку системы Z_н. На этом же рисунке показана эквивалентная схема замещения фазы синхронного генератора без учета активного сопротивления фазной обмотки, который подключен к общим шинам системы.

Если пренебрегать активным сопротивлением фазной обмотки, то уравнение электрического состояния фазы синхронного генератора будет иметь вид:

Процессы, происходящие в синхронном генераторе, подключенном к мощной электрической системе, иллюстрирует векторная диаграмма (рис. 15.8).

Построение такой диаграммы .удобно начать с вектора напряжения на шинах мощной системы Л = U, направив его вверх по оси ординат.

Это напряжение уравновешивается частью ЭДС Л _о фазной обмотки статора, индуктируемой в ней потокосцеплением ш₀. Прибавив в вектору U вектор jxЭ перпендикулярный Э, получим вектор Ё_о.

Положение вектора потокосцепления ш₀ на векторной диаграмме определяется тем, что он опережает индуктируемую им ЭДС Л ₉, на угол 90°.

Так как jxЭ = -Л _рас - Л _р,я, т. е. равно сумме ЭДС, индуктируемых потокосцеплениями рассеяния и реакции якоря, то уравнение электрического состояния фазы синхронного генератора (15.8) можно записать так:

Напряжение фазы синхронного генератора равно сумме ЭДС, индуктируемых в фазной обмотке тремя потокосцеплениями ш₀, ш_рас и ш_р,_я. Но физически эти потокосцепления образуют одно результирующее потокосцепление с фазной обмоткой ш = ш₀ + ш_рас +ш_р,я

Следовательно, можно считать, что напряжение между выводами фазы синхронного генератора равно ЭДС, индуктируемой результирующим потокосцеплением ш с фазной обмоткой.

Это определяет направление вектора ш, который должен опережать по фазе вектор U = Л на 90°. Направление векторов ш_рас. и ш_р,я совпадает с направлением вектора Э.

Углы и сдвига фаз между векторами Л_о и U между векторами ш₀ и ш равны между собой. Значение угла сдвига фаз и принято отсчитывать от направления векторов Л_о и ш₀

Для синхронной машины, работающей в режиме генератора, значение этого угла всегда меньше нуля (и < 0).

Сдвигу фаз и между векторами потокосцеплений соответствует пространственный сдвиг на угол Ыр между осями полюсов ротора и направлением результирующего магнитного поля синхронного генератора (рис. 15.9).



Из анализа векторной диаграммы следует, что действующее значение результирующего потокосцепления с фазной обмоткой синхронного генератора, подключенного к мощной электрической системе U = const, является постоянной величиной (ш = const) и не зависит от нагрузки.

9. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МОМЕНТ И УГЛОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Проанализируем зависимость электрической мощности Р и электромагнитного момента М_эмсинхронного генератора от угла и < 0. Для этого воспользуемся векторной диаграммой (см. рис. 15.8).

Электрическая мощность всех трех фаз синхронного генератора равна:

Построим на векторе Л_о, как на гипотенузе, прямоугольный треугольник, частью катета которого будет U.

Второй катет этого треугольника, противолежащий углу в,



на основании той же диаграммы Е_о cos ц₀ = U cos ц, что дает возможность выразить электрическую мощность синхронного генератора в следующей форме:

Электромагнитный момент, создаваемый взаимодействием тока якоря с магнитным полем машины, связан с ее электрической мощностью известным простым соотношением:

где синхронная угловая скорость ротора

на основании чего

Так как напряжение U и частота f в мощной электрической системе постоянны, то мощность и электромагнитный момент синхронного генератора при постоянном токе возбуждения зависят только от угла | и |. Эта зависимость синусоидальна, она называется угловой характеристикой синхронного генератора (рис. 15.10); для мощности и электромагнитного момента она отличается лишь масштабом.

Угловые характеристики позволяют проанализировать процессы, происходящие в синхронном генераторе при изменении нагрузки.

Работа, совершаемая первичным двигателем, преобразуется в электрическую энергию, отдаваемую генератором в сеть. При увеличении создаваемого первичным двигателем вращающего момента, М > М_д1 = М_эм1 (точка 1) ротор машины вследствие сообщаемого ему ускорения увеличивает угол | и |. После нескольких колебаний около синхронной угловой скорости равновесие вращающего момента первичного двигателя и тормозного электромагнитного момента генератора восстанавливается (М_д2 = М_эм2, точка 2) при новом значении угла | и₂ | > | и₁ |.

Работа синхронного генератора устойчива при изменении угла | в | в пределах 0 -- р/2. Значению | и | = р /2 соответствуют максимальная электрическая мощность

и максимальный электромагнитный момент

Значение р/2 -- | и | определяет запас устойчивости синхронного генератора.

Область значений | и | > р/2 соответствует неустойчивой работе синхронного генератора. В этих условиях вращающий момент первичного двигателя М_Д превышает максимальный тормозной электромагнитный момент генератора. Избыток вращающего момента (М_Д > М_эм) создает дальнейшее ускорение ротора, что обусловливает дальнейшее возрастание | е | и новое уменьшение тормозного момента и т. д., пока генератор не выпадет из синхронизма.

Чтобы восстановить запас устойчивости р/2 -- | и | синхронного генератора при увеличенной нагрузке, необходимо увеличить ток возбуждения (точка 3).

10. U-ОБРАЗНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Ценной особенностью синхронного генератора, подключенного к электрической системе большой мощности, является возможность регулирования его реактивного тока посредством изменения тока возбуждения. Чтобы пояснить это, обратимся к векторной диаграмме фазы синхронного генератора (см. рис. 15.8) и проанализируем ее с этой точки зрения (рис. 15.11). Если мощность синхронного генератора Р = щ_рМ_эм и напряжение на шинах электрической системы U постоянны, то значения произведений сомножителей в (15.10)

не зависят от тока возбуждения. Однако при изменении тока возбуждения , изменяются значения создаваемого им потокосцепления с фазной обмоткой статора ш_o и индуктированная этим потокосцеплением в фазной обмотке ЭДС Л₀.

Из уравнения электрического состояния фазы статора (15.8) следует, что это возможно только при соответствующем изменении тока Э = Э_а + Э _р в фазной обмотке, а именно реактивной составляющей тока Э _р.

При токах возбуждения меньше (больше) некоторого граничного значения I_в < I_в.гр (Р) (I_в > I_в._гр) ток синхронного генератора имеет емкостную I_рС (индуктивную I_pL) реактивную составляющую ц < 0 (ц > 0) (рис. 15.11). Следовательно, при недовозбуждении (перевозбуждении) реактивная мощность генератора имеет емкостный, Q_c = 3UIp_C (индуктивный, Q_L = = 3UI_pL), характер.

Если синхронный генератор подключен к электрической системе большой мощности U = const, то его эквивалентную схему замещения можно представить в виде параллельного соединения двух источников тока: источника активной составляющей тока генератора, зависящей от момента первичного двигателя, /I_а (М_я), и источника реактивной составляющей тока генератора, зависящей от момента первичного двигателя и тока возбуждения, I_р (I_в, М_д).

В частном случае, если момент первичного двигателя равен нулю (М_д = 0), то в схеме замещения фазы синхронного генератора, подключенного к системе большой мощности, источник активной составляющей тока генератора отсутствует, а ток источника реактивной составляющей зависит только от тока возбуждения I_р (I_в).

Зависимость тока статора, подключенного к системе большой мощности U = const, от тока возбуждения I (I_р) при постоянном моменте первичного двигателя М_Д = const называется U-образной характеристикой синхронного генератора (рис. 15.12).

При некотором малом значении тока возбуждения угол | и | (рис. 15.10) может превысить значение р/2 и устойчивость работы синхронного генератора нарушится. Чем больше значение активной мощности синхронного генератора, тем при больших значениях тока возбуждения наступит потеря устойчивости. На рис. 15.12 граница устойчивости синхронного генератора показана штриховой линией.

Если момент первичного двигателя равен нулю: М_л = 0, то, пренебрегая всеми видами потерь, можно считать, что ток синхронного генератора является только реактивным (рис. 15.12, Р -- 0):



Ток генератора в этом случае зависит линейно от тока возбуждения. Линейность зависимости I (I_в) нарушается лишь при больших значениях тока возбуждения вследствие насыщения магнитопровода машины.

11. РЕГУЛИРОВАНИЕ АКТИВНОЙ И РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Активная мощность Р = 3UI_а синхронного генератора, подключенного к системе большой мощности (U = const), регулируется мощностью первичного двигателя Р_мех = щ_рМ_д. При увеличении мощности первичного двигателя, т. е. вращающего момента первичного двигателя М_д (паровой или гидравлической турбины), увеличивается активная составляющая тока генератора I_а (М_д), одновременно с этим увеличивается и угол | и |, что понижает запас устойчивости р/2 -- | и | генератора. Для того чтобы синхронный генератор не терял запаса устойчивости при увеличении активной мощности, необходимо увеличивать ток возбуждения.

Промышленные синхронные генераторы электрической энергии снабжены специальной регулирующей аппаратурой, с помощью которой при изменении активной мощности генератора обеспечивается требуемый запас устойчивости.

Реактивная мощность синхронного генератора Q = 3UI sin ц, подключенного к системе большой мощности (U = const), при постоянной активной мощности Р = const регулируется изменением тока возбуждения I_в. Если значение тока возбуждения равно I_в.гр (P), то реактивная мощность синхронного генератора равна нулю. При значениях тока возбуждения I_в > I_в, _гр (I„ <I_в, _гр) реактивная мощность синхронного генератора имеет индуктивный характер; Q_L = = 3UI_pL (емкостный характер: Q_c = 3UI_pC).

Обычно режим возбуждения синхронных генераторов соответствует индуктивной реактивной мощности, необходимой для работы асинхронных двигателей.

12. ВКЛЮЧЕНИЕ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА НА ПАРАЛЛЕЛЬНУЮ РАБОТУ С СИСТЕМОЙ

Включение синхронного генератора на параллельную работу с системой связано с рядом трудностей. Применяются два способа такого включения: точная синхронизация и самосинхронизация. Рассмотрим способ точной синхронизации.

При включении на параллельную работу с системой (рис. 15.13) синхронного генератора способом точной синхронизации мгновенное значение фазной ЭДС генератора, например е_А1, должно быть равно и соответствовать по направлению в любой момент времени мгновенному значению соответствующего напряжения фазы системы е_А.

Из этого требования вытекают следующие условия включения: ЭДС фазы включаемого генератора должна иметь одинаковое действующее значение с фазным напряжением системы, частоту, равную частоте системы, фазу, соответствующую фазе фазного напряжения системы, наконец, чередование фаз генератора должно соответствовать чередованию фаз системы. Предварительное синхронизирование. включаемого генератора осуществляется следующим образом. Ротор генератора доводится примерно до синхронной угловой скорости, и его возбуждение регулируется так, чтобы вольтметр на выводах машины показал значение, равное напряжению сети. При этом последовательность фаз генератора должна соответствовать последовательности фаз системы. Однако перед включением на параллельную работу необходимо более точное регулирование частоты машины и в особенности ее фазной ЭДС. В качестве указателей для такого точного регулирования служат синхроноскопы. В простейшем виде сонхроноскоп составляется из ламп накаливания, часто называемых в таких случаях фазоиндикаторными лампами.

На рис. 15.13 эти лампы включены между шинами системы и одноименными (А -- А₁, В -- В₁, С -- С₁) в отношении последовательности фаз выводами генератора («включение на потухание»).

На рис. 15.14 показаны кривые мгновенных значений фазного напряжения и_А = е_А системы, фазной ЭДС е_А1 включаемого на параллельную работу генератора и результирующего напряжения и_АА1 = -- е_A -- e_A1- Пока нет точного совпадения частоты генератора и системы в контуре включаемого генератора, действующее значение результирующего напряжения между контактами выключателя будет то снижаться до нуля, то повышаться до двойного значения фазного напряжения системы, в результате чего лампы будут то гаснуть, то вновь загораться. Чем больше частота генератора будет приближаться к частоте системы, тем медленнее будут происходить колебания света фазоиндикаторных ламп; они будут загораться и гаснуть на относительно длительные сроки. Нужно достичь возможно более точного совпадения частот, при котором промежутки времени между следующими друг за другом вспышками ламп будут достаточно велики (не менее 3--5 с), после чего в момент полного потухания ламп замкнуть рубильник.

Сущность метода самосинхронизации состоит в том, что генератор включается на сеть без возбуждения, когда его частота вращения отличается от синхронной на 2--3 %. Обмотка ротора (обмотка возбуждения) во время такого включения должна быть замкнута на некоторый резистор или накоротко. После включения генератора обмотка ротора подключается к источнику постоянного тока возбуждения и генератор синхронизируется под действием электромагнитных сил.

Так как в момент включения частота вращения генератора не равна синхронной и он не возбужден, то возникает скачок тока в обмотке статора; значение этого кратковременного тока может в несколько раз превышать номинальный ток генератора. Но, как показывает опыт, ни этот ток, ни возникающие при этом механические усилия на валу генератора не опасны для агрегата (турбогенератора или гидрогенератора). Метод самосинхронизации применяется для генераторов мощностью до 50 MB-А.

После включения генератора на параллельную работу с системой большой мощности при всяком случайном отклонении от синхронного вращения в обмотке статора генератора возникают дополнительные токи. Их взаимодействие с магнитным полем ротора создает дополнительные силы, восстанавливающие синхронное вращение.

13. УРАВНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ, СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ И ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА ФАЗЫ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

В отличие от синхронного генератора в синхронном двигателе ось полюсов ротора отстает от оси полюсов вращающегося магнитного поля статора (см. рис. 15.3, б).

Возникающий при этом электромагнитный момент равен противодействующему тормозному моменту на валу двигателя М_эм = M_тop. В синхронном двигателе осуществляется преобразование электрической энергии в механическую.

На рис. 15.15 приведена схема замещения фазы синхронного двигателя, подключенного к электрической системе большой мощности (U = const). Эта схема замещения совпадает со схемой замещения фазы синхронного генератора, подключенного к системе большой мощности (см. рис. 15.7), с той разницей, что в первом случае электрическая энергия поступает из системы в двигатель, а во втором случае электрическая энергия поступает из генератора в систему.

Из схемы замещения фазы синхронного двигателя следует уравнение электрического состояния фазы синхронного двигателя



где Л_о = jщш_o, х = x_рас + x_я совпадают по своему физическому смыслу с аналогичными понятиями, обсуждавшимися при анализе синхронного генератора (см. § 15.5).

Уравнению электрического состояния (15.16) соответствует векторная диаграмма фазы синхронного двигателя на рис. 15.16. На векторной диаграмме сдвиг фаз и соответствует геометрическому углу между осью полюсов ротора и осью результирующего магнитного поля синхронного двигателя, деленному на число пар полюсов.

Для синхронной машины, работающей в режиме двигателя, значение угла 6 всегда больше нуля (и > 0).

14. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МОМЕНТ И УГЛОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Электрическая мощность трехфазного синхронного двигателя определяется подобно мощности трехфазного синхронного генератора (15.9) и равна:

где для синхронного двигателя и > 0.

Преобразуя (15.17) аналогично (15.9) и учитывая, что и > 0, получим выражение для электромагнитного момента синхронного двигателя, совпадающее с выражением электромагнитного момента синхронного генератора (15.11):



Так как механическая мощность синхронного двигателя равна Р_мех = Р = М_эмщ_р, то, учитывая (15.18), получим:

Напряжение U и частота f в электрической системе большой мощности являются постоянными величинами. Учитывая это обстоятельство, можно сделать вывод, что значения электромагнитного момента М_эя и мощности Р синхронного двигателя, подключенного к такой системе, при постоянном токе возбуждения I_в = const зависят только от угла 6.

Такие зависимости М_ьа (б) и Р (0) называются угловыми характеристиками синхронного двигателя и имеют вид, аналогичный угловым характеристикам синхронного генератора (см. рис. 15.10).

Угловые характеристики позволяют анализировать процессы, происходящие в синхронном двигателе при изменении нагрузки.

При увеличении тормозного момента на валу синхронного двигателя

ротор машины замедляет частоту своего вращения и значения угла и и электромагнитного момента М_эм начинают возрастать. Равновесие тормозного и электромагнитного моментов восстановится (M_тор2 = М_зм2) через некоторый промежуток времени при новом значении угла и₂ > и_1.

Для того, чтобы сохранить запас устойчивости р/2 -- и при возросшем тормозном моменте, необходимо увеличить ток возбуждения.

15. U-ОБРАЗНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Значение тока возбуждения влияет не только на запас устойчивости синхронного двигателя, но и на его реактивный ток. Чтобы проанализировать эту зависимость, воспользуемся векторной диаграммой фазы синхронного двигателя, подключенного к системе большой мощности (U = const), приведенной на рис. 15.16. При постоянном тормозном моменте на валу синхронного двигателя M_тор = M_эм его мощность Р = M_эмщ_р постоянна, следовательно, из (15.18) и (15.19) значения произведений сомножителей

всегда постоянны и не зависят от тока возбуждения.

На рис. 15.17 приведена совокупность векторных диаграмм фазы синхронного двигателя с постоянным тормозным моментом M_тор = const при различных токах возбуждения I_в = var. При уменшении тока возбуждения I_в (потокосцепления возбуждения 40) угол 8 возрастает до тех пор, пока синхронный двигатель не потеряет устойчивость.

Из векторных диаграмм следует, что значение и характер тока статора синхронного двигателя Э = Э _а + Э _р зависят от тока возбуждения I_в. При токах возбуждення, меньших (больших) некоторого граничного значения

ток статора I имеет индуктивную I_pL, (емкостную I_pс) реактивную составляющую ц > 0 (ц < 0) . Следовательно, при недовозбуждении (перевозбуждении) реактивная мощность синхронного двигателя имеет индуктивный Q_L = 3UI_{p L} (емкостный Q_c = 3UI_{p c}) характер.

В соответствии с этим фазу синхронного двигателя, подключенного к электрической системе большой мощности, можно представить в виде эквивалентной схемы замещения, состоящей из параллельного соединения эквивалентного резистивного элемента, сопротивление которого зависит от тормозного момента r = U/I_a = F(M_тор), к эквивалентного индуктивного (емкостного) элемента, индуктивность (емкость)которого зависит от тормозного момента и тока возбуждения:

Если тормозной момент двигателя равен нулю (М_тор = 0), то в эквивалентной схеме замещения фазы синхронного двигателя, подключенного к системе большой мощности, резистивный элемент отсутствует, а значение параметра индуктивного (емкостного) элемента зависит только от тока возбуждения.

Зависимость тока статора, подключенного к системе большой мощности (U = const), от тока возбуждения I (I_в) при постоянном тормозном моменте на валу Mтор = const называется U-образной характеристикой синхронного двигателя (рис. 15.18).

Если на валу двигателя нет тормозного момента (М_тор = 0), то, пренебрегая всеми видами потерь, можно считать ток статора синхронного двигателя только реактивным (рис. 15.18, Р= 0):

16. РЕГУЛИРОВАНИЕ АКТИВНОЙ И РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТЕЙ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Изменение активной мощности синхронного двигателя Р_мех = Р = ЗUI_a = = щ_рМ_тор, подключенного к системе большой мощности (U = const), происходит при изменении значения тормозного момента на валу (М_тор = =var). При увеличении тормозного момента мощность синхронного двигателя возрастает, одновременно увеличивается и угол и, что понижает запас устойчивости двигателя р/2 -- и.

Для того чтобы синхронный двигатель не терял запаса устойчивости при увеличении активной мощности, необходимо одновременно увеличивать ток возбуждения. Синхронные двигатели большой мощности снабжены специальной регулирующей аппаратурой, с помощью которой при изменении активной мощности двигателя обеспечивается требуемый уровень запаса устойчивости.

Реактивная мощность синхронного двигателя Q = 3UIsinц>, подключенного к системе большой мощности (U = const), при постоянной активной мощности Р регулируется изменением тока возбуждения I_в.

При токе возбуждения I_в < I_в,_гр(Р) (I_в > I_в,_гр) реактивная мощность двигателя имеет индуктивный характер Q = 3UI_pL (емкостный характер Q_c = 3U1 _pс).

Обычно режим возбуждения синхронного двигателя соответствует емкостной реактивной мощности, что позволяет компенсировать индуктивную реактивную мощность асинхронных двигателей и этим разгрузить электрическую систему от реактивного тока.

Практический интерес представляет использование синхронного двигателя в режиме регулируемого емкостного элемента (рис. 15.18, Р = 0) -- синхронного компенсатора. Синхронные, компенсаторы позволяют улучшить коэффициент мощности cos ц электрической системы (см. § 2.20).

17. ПУСК СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Результирующий момент синхронного двигателя, возникающий в результате взаимодействия магнитного поля статора с неподвижным возбужденным ротором, при пуске двигателя, близок к нулю. Поэтому ротор двигателя необходимо раскручивать тем или иным способом до частоты вращения, близкой к синхронной.

В недалеком прошлом для раскручивания ненагруженного синхронного двигателя применялся специальный разгонный асинхронный двигатель небольшой мощности, и синхронный двигатель синхронизировался с сетью, как генератор при включении на параллельную работу.

Сложность пуска в ход была существенным недостатком синхронных двигателей, препятствовавшим их распространению. В настоящее время все эти трудности отпали благодаря применению очень простого асинхронного пуска синхронного двигателя.

Чтобы приспособить двигатель к такому пуску при явнополюсном роторе, в полюсные наконечники закладывается пусковая короткозамкнутая обмотка из медных или латунных стержней. Она напоминает беличье колесо асинхронной машины, но занимает лишь часть окружности ротора. В конструкции завода «Электросила» специальной короткозамкнутой обмотки на роторе двигателя нет, а ее роль выполняют сам массивный сердечник ротора и металлические клинья, заложенные в пазы ротора, а также бандажи, не имеющие с сердечником ротора электрического соединения.

Пуск двигателя в ход состоит из двух этапов: первый этап -- асинхронный набор частоты вращения при отсутствии возбуждения постоянным током и второй этап -- втягивание в синхронизм после включения постоянного тока возбуждения.

Во время первого этапа асинхронного пуска обмотка возбуждения отключается от источника постоянного тока и замыкается на резистор с сопротивлением rпуск (Рис- 15.19), превышающим активное сопротивление обмотки возбуждения в 8--10 раз.

Не следует оставлять обмотку возбуждения разомкнутой, так как вращающееся поле может индуктировать в ней весьма значительную ЭДС, опасную для целостности изоляции. Но не целесообразно было бы замыкать эту обмотку накоротко, так как в ней возникает значительный однофазный ток, который будет тормозить ротор по достижении им половины синхронной частоты вращения.

В большинстве случаев синхронные двигатели устанавливаются значительной мощности, поэтому для уменьшения пусковых токов часто применяется понижение напряжения при пуске включения двигателя через пусковой автотрансформатор или через индуктивную катушку. Для пуска сначала нужно замкнуть выключатель 2, посредством которого три фазные обмотки автотрансформатора AT соединяются по схеме звезда. Чтобы подключить к входным зажимам автотрансформатора напряжение сети, следует замкнуть выключатель 1.

Таким образом, между выводами обмоток статора синхронного двигателя СД подаются пониженные автотрансформатором линейные напряжения трехфазной системы.

Ротор двигателя приходит во вращение, как короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя. Когда скольжение ротора будет достаточно мало, следует разомкнуть выключатель 2, благодаря чему напряжение на двигателе несколько повысится, так как теперь лишь часть каждой из фазных обмоток автотрансформатора играет роль индуктивной катушки, включенной последовательно с фазной обмоткой двигателя и несколько ограничивающей своим сопротивлением пусковой ток.

Следующая операция пуска заключается во включении двигателя на полное напряжение сети посредством замыкания выключателя 3. Но пока не включен постоянный ток, ротор вращается асинхронно. Пуск заканчивается включением постоянного тока возбуждения посредством переключателя 4. Под действием электромагнитных сил двигатель достигает синхронной частоты вращения и развивает требуемый вращающий момент. При таком пуске не нужны операции по синхронизации двигателя с сетью и операции пуска могут быть автоматизированы.

18. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

Свойство рассмотренных выше синхронных двигателей сохранять неизменной частоту вращения при изменении тормозного момента на валу достигается усложнением устройства ротора, к обмотке которого подключается через скользящие контакты специальный источник постоянного тока.

В синхронных двигателях малой мощности роль вращающегося постоянного электромагнита выполняет постоянный магнит, изготовленный из магнитно-твердого материала и укрепленный на оси ротора. В таком двигателе отпадает необходимость в дополнительном источнике постоянного тока. Пуск такого двигателя в ход осуществляется обычно непосредственным подключением его фазных обмоток статора к электрической системе. Для возникновения асинхронного момента при пуске двигателя в парах полюсов постоянного магнита располагаются стержни короткозамкнутой обмотки.