Приведенный асинхронный двигатель 2 страница

Реакции якоря при индуктивной нагрузке. При индуктивной нагрузке ток отстает по фазе от э. д. с. Е₀на угол ψ = π/2 (рис. 13.6,б). В этом случае ток катушки достигает максимального значения на четверть периода позднее, чем э. д. с., т. е. после того как полюсы сдвинутся вправо на половину полюсного деления относительно того положения, при котором э. д. с. имеет максимальное значение (рис. 13.6, а). Иначе говоря, ток максимален, когда середина полюсов сдвинется на 90 эл. град и они находятся как раз посередине между сторонами катушки.

И
з рис. 13.6, а видно, что часть магнитного потока, образующегося вокруг проводников якоря, составляет поток рассеяния Ф_σa. Часть потока входит в ротор и замыкается через два соседних полюса вдоль полюсов, образуя продольное поле реакции якоря Ф_аd. Продольный поток реакции якоря как под набегающим краем полюса, так и под его убегающим краем направлен диаметрально противоположно потоку полюсов, ослабляя тем самым основное поле машины, т. е. оказывая размагничивающее действие. Для учета влияния продольного поля реакции якоря полагают, что оно индуцирует в обмотке якоря э. д. с. E_ad(рис. 13.6,б).

Поток рассеяния Ф_σа, замыкающийся в основании через воздух только вокруг проводников обмотки статора (якоря), индуцирует в каждой фазе обмотки якоря э. д. с. рассеяния , где Х_σа — индуктивное сопротивление, обусловленное потоком рассеяния. Поток рассеяния Ф_σа не оказывает влияния на поле полюсов.

Реакция якоря при емкостной нагрузке. При емкостной нагрузке ток опережает по фазе э. д. с.E₀на угол π/2. В этом случае ток максимален на четверть периода раньше, чем э. д. с., т. е. тогда, когда вращающиеся полюсы своими серединами не доходят на 90 эл. град до такого положения, при котором э. д. с. в катушке максимальна. Соответствующая картина распределения магнитных потоков представ­лена на рис. 13.7, а. Из рисунка видно, что поле реакции якоря продольное Ф_аdи что оно как под набегающим, так и под убегающим краями полюсов усиливает основное поле машины, т. е. при емкостной нагрузке реакция якоря намагничивающая. Учет влияния этой реакции якоря с помощью E_adпоказан на рис. 13.7,б.

Итак, в синхронном генераторе реакция якоря зависит от характера нагрузки и при отстающем токе является размагничивающей, а при опережающем — намагничивающей.

При работе синхронного генератора под нагрузкой э. д. с. в каждой фазе обмотки статора E с учетом явления реакции якоря будет несколь­ко отличаться от э. д. с. E₀ при холостом ходе, так как эта э. д. с. индуцируется не магнитным потоком холостого хода Ф₀, а результи­рующим магнитным потоком Ф_рез. Векторы этих э. д. с. для всех трех рассмотренных случаев нагрузки изображены на соответствующих диаграммах (рис. 13.5,б; 13.6,б; 13.7,б). При построении векторных диаграмм исходят из положения, что если поток реакции якоря в машине равен Ф_а(в явнополюсной машине этот поток делится на Ф_аdи Ф_аq), то результирующий магнитный поток в зазоре ненасы­щенной машины

(13.4)

а э. д. с., индуцируемая потоком Ф_резв фазе статора неявнополюсного генератора,

(13.5)

где — комплексная э. д. с., индуцируемая в фазе статора потоком — комплексная э. д. с., индуцируемая в фазе статора потоком реак­ции якоря Ф_а; Е_апропорциональна потоку Ф_а, а в ненасы­щенной машине - и току якоря I, поэтому ее можно рассматривать как э. д. с. самоиндукции, наведенную в обмотке якоря, и представить в виде где Х_а— индуктивное сопротивление синхронной машины, обусловленное потоком якоря.

Э. д. с. явнополюсного генератора при его работе под нагрузкой равна

(13.6)

г

де - э. д. с., индуцируемые соответственно потоками Ф_аq, и Ф_аd. Для ненасыщенной машины можно считать, что

(13.7)

где Х_aqи Х_ad, — индуктивные сопротивления обмотки якоря, соответ­ственно обусловленные полями поперечной и продольной реакций якоря. В соответствии с рис. 13.8 ток якоряIможно представить в виде поперечной I_q= I cos ψ и продольнойI_d= I sin ψ составляющих.

В синхронных машинах с неявно выраженными полюсами магнитное сопротивление воздушного зазора одинаково по всей окружности ротора и не зависит от взаимного расположения статора и ротора, поэтому отпадает необходимость в разделении магнитного потока, проникающего из статора в ротор, на поперечную и продольную составляющие. В этом случае магнитное поле реакции якоря Ф_аиндуцирует в обмотке якоря э. д. с.E_а.

Полученные выводы справедливы и для общего случая, когда нагрузка смешанная, т. е. когда угол сдвига фаз ψ по абсолютному значению меньше 90°. Отстающий ток (активно-индуктивная нагрузка) размагни­чивает машину, а опережающий ток (активно-емкостная нагрузка) подмагничивает ее.

Вопрос 28. Хар-ки СД

Рабочие характеристики. На рис. 5.24 представлены рабочие характеристики синхронного двигателя: M_мex, cosφ, I_a, η=f(Р₂), где Р₂— полезная мощность.

Полезный момент М_мех пропорционален полезной мощности, так как двигатель вращается с постоянной скоростью. Если при холостом ходе установлен cosφ = 1, то при увеличении нагрузки коэффициент мощности несколько уменьшается. Изменение тока якоря отклоняется от прямолинейной зависимости за счет уменьшения cosφ.

Двигатели с обмотками (пусковой и возбуждения) имеют лучшие пусковые и рабочие характеристики, чем синхронные двигатели других типов. Они устойчиво работают, имеют высокие пусковой и рабочий моменты, к. п. д. и коэффициент мощности. Их к. п. д. и коэффициент мощости выше, чем у асинхронных двигателей. Синхронные двигатели с обмоткой возбуждения широко применяются в промышленных приводах и во многих случаях вытесняют асинхронные. Однако из-за сложности пуска и трудности размещения обмоток синхронные микродвигатели изготовляют без обмотки возбуждения. Такие двигатели не нуждаются в питании постоянным током и не имеют скользящих контактов, что обеспечивает их повышенную надежность. Кроме того, во время пуска они не требуют переключения обмотки возбуждения с реостата на источник постоянного тока, что значительно облегчает пуск.

Угловая и механическая характеристики. Зависимость момента синхронной машины от угла нагрузки при U _c = const называется угловой характеристикой машины. Угловая характеристика (рис. 4.15) в соответствии с (4.5) имеет вид синусоиды. В двигательном режиме угол положительный, поэтому на графике двигательному режиму соответствует положительная полуволна синусоиды. В генераторном режиме угол отрицательный, ему соответствует отрицательная полуволна синусоиды. В диапазоне угла нагрузки -90°< <+90° (ветвь синусоиды показана сплошной линией) работа машины, как в двигательном, так и в генераторном режиме устойчива, а на участках кривой, изображённых штриховой линией, – неустойчива.

 

На устойчивом участке характеристики машина обладает свойством саморегулирования, т.е. при изменении момента нагрузки автоматически изменяется в том же направлении момент машины, причём так, что в новом установившемся режиме между ними достигается равновесное устойчивое состояние. Так, в двигательном режиме при увеличении механической нагрузки М _с ротор притормаживается, угол нагрузки увеличивается и в соответствии с угловой характеристикой увеличивается вращающий момент двигателя М. При равенстве М= М _с наступит новый установившийся режим, причём частота вращения ротора останется неизменной и равной частоте вращения магнитного поля статора; только при этом равенстве существует электромагнитное взаимодействие полюсов ротора и статора, обусловливающее момент М машины.

Максимальный момент М_max машины является и критическим. Если нагрузить двигатель так, что М _с> М_max, то угол нагрузки станет больше 90°, рабочая точка перейдёт на неустойчивый участок угловой характеристики. Вращающий момент двигателя М начнёт уменьшаться, ротор тормозиться, двигатель выйдет из синхронизма и может остановиться. Аналогичные явления происходят и в генераторном режиме. Выход («выпадение») машины из синхронизма – явление недопустимое, оно может привести к тяжёлой тобы в номинальном режиме угол нагрузки и запас по моменту и активной маварии в электрической сети. Поэтому синхронные машины проектируются так, чощности составлял не менее 1,65.

Механической характеристикой синхронного двигателя называется зависимость частоты вращения от момента двигателя. В синхронном двигателе частота вращения ротора постоянна и от нагрузки не зависит. Поэтому механическая характеристика n(M) (рис. 4.18) – прямая, параллельная оси абсцисс.

Вопрос 29. Параметры синхронных машин. Суть метода двух реакций.

Параметрами синхронной машины называют активные и индуктивные сопротивления обмоток и соответствующие постоянные времени. Они определяются геометрией воздушного зазора, основными размерами, обмоточными данными и электромагнитными нагрузками и, связывая входные и выходные величины, позволяют провести расчет рабочих характеристик, нагрузочной способности, установившихся и переходных режимов, ударных токов короткого замыкания, выполнить построение векторных диаграмм, а также целого ряда других задач, имеющих важное практическое значение.

Индуктивное сопротивление обмотки x =w₁ L можно определить, используя выражение для потокосцепления ,

где магнитный поток .

В соответствии с теорией синхронных машин, основанной на методе двух реакций, принято различать индуктивные сопротивления для двух характерных положений: индуктивное сопротивление по продольной оси, соответствующее случаю, когда ось вращающегося поля совпадает с продольной осью (с осью полюсов) d, и индуктивное сопротивление по поперечной оси, соответствующее случаю, когда с осью вращающегося поля якоря совпадает поперечная ось q, смещенная на 90 электрических градусов относительно продольной.

Указанные индуктивные сопротивления определяются только собственными и взаимными индуктивностями обмотки якоря, так как при симметричном установившемся режиме работы отсутствуют трансформаторные связи обмотки якоря с обмотками ротора (возбуждения, демпферной).

При резком изменении режима работы (например, сброс или наброс нагрузки) в обмотках ротора будут индуктироваться токи, которые оказывают экранирующее влияние на магнитный поток реакций якоря. В результате индуктивные сопротивления обмоток якоря в переходных режимах оказываются значительно ниже, чем в установившемся синхронном режиме, и будут различными по продольной и поперечной осям, даже в случае синхронной неявнополюсной машины. Это объясняется несимметричным размещением обмотки возбуждения, ось которой совпадает с продольной осью машины.

Вопрос 30. Синхронно-реактивные двигатели

В статоре синхронного электродвигателя размещается обмотка, подключаемая к сети трехфазного тока и образующая вращающееся магнитное поле. Ротор двигателя состоит из сердечника с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения через контактные кольца подключается к источнику постоянного тока. Ток обмотки возбуждения создает магнитное поле, намагничивающее ротор.

Реактивный двигатель представляет собой явнополюсную синхронную машину без обмотки возбуждения. Поток двигателя и его вращающий момент создается м. д. с. реакции якоря, отсюда и название — реактивный двигатель. Момент двигателя М_двозникает за счет дополнительной мощности Р_д, имеющей место вследствие неодинаковой проводимости ротора по осям d и q. Наивыгоднейшим отношением x_q/x_d можно считать величину, близкую к 0,5. Роторы, в основном, выполняются двух типов: со впадинами и секционированные.

У реактивных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. Поэтому их роторы снабжаются короткозамкнутой пусковой обмоткой.

Реактивные двигатели проще по конструкции, надежнее в работе и дешевле по сравнению с синхронными двигателями с обмоткой возбуждения на роторе; при их использовании не требуется иметь источник постоянного тока для питания цепи возбуждения; отсутствие колебаний ротора и высокую надежность работы. Основными недостатками реактивного двигателя являются сравнительно небольшой пусковой момент и низкий cos φ, не превышающий обычно 0,5. Это объясняется тем, что магнитный поток создается только за счет реактивного тока обмотки якоря, значение которого из-за повышенного сопротивления магнитной цепи машины довольно велико. У двигателей мощностью в несколько десятков ватт η = 35÷40%, а у двигателей мощностью в несколько ватт η<25%.

Вопрос 31. Синхронный компенсатор

Синхронный компенсатор представляет собой синхронный двигатель, работающий без нагрузки на валу; при этом по обмотке якоря проходит практически только реактивный ток.

Обычно электрическая сеть, питающая электроэнергией промышленные предприятия, нагружена током I _н, отстающим по фазе от напряжения сети U _c. Это объясняется тем, что от сети получают питание асинхронные двигатели, у которых реактивная составляющая тока довольно велика. Для улучшения cos φ сети синхронный компенсатор должен работать в режиме перевозбуждения. При этом ток возбуждения регулируется так, чтобы ток якоря Í_а синхронного компенсатора опережал на 90° напряжение сети Ú _c и был примерно равен реактивной составляющей Í _н.р тока нагрузки Í _н. В результате сеть загружается только активным током нагрузки Í _с= Í _н.а.

Если напряжение сети в точке подключения синхронного компенсатора несколько понижается из-за возрастания тока нагрузки I н и становится меньше U с.ном, то синхронный компенсатор начинает забирать из сети реактивный опережающий ток Í а. Это уменьшает падение напряжения в ней на величину Δ U к = I a X c. При повышении напряжения в сети, когда U c > U с.ном, синхронный компенсатор загружает сеть реактивным отстающим током Í а, что приводит к увеличению падения напряжения на величину Δ U к = I a X c. При достаточной мощности синхронного компенсатора колебания напряжения в сети не превышают 0,5 —1,0 %. Недостатком указанного метода стабилизации напряжения является то, что синхронный компенсатор загружает линию реактивным током, увеличивая потери в ней.

Вопрос 32. Синхронные двигатели с постоянными магнитами

Синхронные двигатели с постоянными магнитами довольно просты по конструкции, надежны в работе и обладают значительной устойчивостью.

Электромагнитные процессы в машинах с постоянными магнитами протекают так же, как и в генераторах с электромагнитным возбуждением. Однако значительная реакция якоря во время пуска или при коротком замыкании может вызвать необратимое размагничивание постоянных магнитов, в результате чего после снятия размагничивающего действия свойства постоянного магнита не будут полностью восстановлены. Для уменьшения действия реакции якоря на постоянные магниты расстояние между полюсными наконечниками соседних полюсов делают значительно меньше, чем в машинах с электромагнитным возбуждением. В этом случае поток реакции якоря Ф_qв значительной степени замыкается через полюсные наконечники, не подвергая размагничиванию постоянные магниты.

Для возможности пуска в полюсных наконечниках располагается пусковая короткозамкнутая обмотка, выполненная по типу «беличьей клетки». При разгоне поток постоянных магнитов индуктирует в обмотке якоря э. д. с, которая имеет частоту вращения f = f₁ (1— s). Вызываемый этой э. д. с. ток замыкается через сеть и создает потери, покрываемые за счет подводимой к ротору механической мощности Р_т. В результате на ротор при пуске двигателя действует тормозной момент величина которого зависит от скольжения s. Тормозной момент М_т обычно имеет максимум при скольжении s = 0,9÷0,6.

В машинах с электромагнитным возбуждением э. д. с. Е ₀определяется лишь остаточным намагничиванием и имеет величину, не превышающую нескольких процентов. Поэтому

в двигателе с постоянными магнитами ток I_п имеет значительно большую величину.

Рабочие характеристики двигателей с постоянными магнита ми мало отличаются от характеристик двигателей с обмоткой возбуждения.

Недостатком двигателей с постоянными магнитами является сравнительно низкий коэффициент мощности и сложность изготовления ротора.

 

Вопрос 33. Включение генераторов на параллельную работу.

На электрических станциях обычно устанавли­вают несколько синхронных генераторов, включае­мых параллельно для совместной работы (рис. 21.1). Наличие нескольких генераторов вместо одного суммарной мощности дает преимущества, объяс­няемые теми же соображениями, которые были из­ложены применительно к параллельной работе трансформаторов (см. § 2.2).

При включении синхронного генератора в сеть на параллельную работу необходимо соблюдать следующие условия: ЭДС генератора в момент подключения его к сети должна быть равна и проти­воположна по фазе напряжению сети (),частота ЭДС генератора должна быть равна часто­те переменного напряжения в сети ; порядок следо­вания фаз на выводах генератора должен быть таким же, что и на зажимах сети.

Приведение генератора в состояние, удовлетво­ряющее всем указанным условиям, называют син­хронизацией. Несоблюдение любого из условий син­хронизации приводит к появлению в обмотке статора больших уравнительных токов, чрезмерное значение которых может явиться причиной аварии.

Включить генератор в сеть с параллельно рабо­тающими генераторами можно или способом точной синхронизации, или способом самосинхронизации

Способ точной синхронизации. Сущность это­го способа состоит в том, что, прежде чем включить генератор в сеть, его приводят в состояние, удовле­творяющее всем вышеперечисленным условиям. Момент соблюдения этих условий, т. е. момент син­хронизации, определяют прибором, называемым синхроноскопом. По конструкции синхроноскопы разделяют на стрелочные и ламповые. Рассмотрим процесс синхронизации генераторов с применением лампового синхроноскопа, который состоит из трех ламп 1, 2, 3, расположенных в вершинах равносто­роннего треугольника.

При включении ламп по схеме «на погасание» (рис. 21.2, а) мо­мент синхронизации соответствует одновременному погасанию всех ламп. Предположим, что звезда ЭДС генератора враща­ется с угловой частотой , превышающей угловую частоту

враще­ния звезды напряжений сети . В этом случае напря­жение на лампах определяется геометрической суммой + ; + ; + (рис. 21.2, б).

Рис. 21.1. Включение синхронных генераторов

на параллельную работу:

Г₁ - Г₄ – синхронные генераторы, ПД₁ -ПД₄ - приводные двигатели

В момент сов­падения векторов звезды ЭДС с векторами звезды напряжений эта сумма достигает наибольшего значения, при этом лам­пы горят с наибольшим накалом (напряжение на лампах равно удвоенному напряжению сети). В последующие моменты времени звезда ЭДС обгоняет звезду напряже­ний, и напряжение на лампах уменьшается. В момент синхрониза­ции векторы ЭДС и напряжений занимают положение, при кото­ром , т.е. = 0, и все три лампы одновременно гаснут (рис. 21.2, в). При большой разности уг­ловых частот и лампы вспыхивают час­то. Изменяя частоту вращения первичного двигателя, добиваются равенства , очем будет свидетельст­вовать погасание ламп на длительное время. В этот момент и следует замкнуть рубильник, после чего генератор окажется подключен­ным к сети.

Рис. 21.2. Ламповый синхроноскоп

Способ самосин­хронизации. Ротор не­возбужденного генера­тора приводят во вра­щение первичным дви­гателем до частоты вращения, отличающейся от синхронной не более чем на 2—5%, затем генератор подключают к сети. Для того чтобы избежать перенапряжений в обмотке ротора в момент подключения генератора к сети, ее замыкают на некоторое активное Сопротивление. Так как в момент подключения генератора к сети его ЭДС равна нулю (генератор не возбужден), то под действием напряжения сети в обмотке статора наблюдается резкий бросок тока, превышающий номинальное значение тока генератора. Вслед за включением обмотки статора в сеть подключают обмотку возбуждения к источнику постоянного тока и синхронный генера­тор под действием электромагнитного момента, действующего на его ротор, втягивается в синхронизм, т. е. частота вращения ротора становится синхронной. При этом ток статора быстро уменьшается.

При самосинхронизации в генераторе протекают сложные электромеханические переходные процессы, вызывающие значи­тельные механические воздействия на обмотки, подшипники и муфту, соединяющую генератор с турбиной. Влияние этих воздей­ствий на надежность генератора учитывается при проектировании синхронных генераторов. Способ самосинхронизации (грубой синхронизации) обычно применяют в генераторах при их частых включениях. Этот способ прост и легко автоматизируется.

Вопрос 34. Угловые характеристики синхронного генератора

Электромагнитная мощность неявнополюсного синхронного генератора при его параллельной работе с сетью

(21.7)

где - угол, на который продольная ось ротора смещена относительно продольной оси результирующего поля машины (рис. 21.4).

Электромагнитная мощность явнополюсного синхронного генератора

(21.8)

где и — синхронные индуктивные сопротивления явнополюсной синхронной машины по продольно и поперечной осям соответственно, Ом.

Разделив выражения (21.7) и (21.8) на синхронную угловую скорость вращения, получим выражения электромагнитных моментов:

неявнополюсной синхронной машины

(21.9)

явнополюсной синхронной машины

(21.10)

где М — электромагнитный момент, Нм.

Анализ выражения (21.10) показывает, что электромагнитный момент явнополюсной машины имеет две составляющие: одна из них представляет собой основную составляющую электромаг­нитного момента

. (21.11)

другая — реактивную составляющую момента

. (21.12)

Основная составляющая электромагнитного момента яв­нополюсной синхронной машины зависит не только от напряже­ния сети ( U₁), но и от ЭДС , наведенной магнитным по­током вращающегося ротора в обмотке статора:

.(21.13)

Это свидетельствует о том, что основная составляющая электро­магнитного момента зависит от магнитного потока ротора: ≡. Отсюда следует, что в машине с невозбужденным рото­ром (= 0) основная составляющая момента = 0.

Реактивная составляющая электромагнитного момента не зависит от магнитного потока полюсов ротора. Для возникновения этой составляющей достаточно двух условий: во-первых, чтобы ротор машины имел явновыраженные полюсы () и, во-вторых, чтобы к обмотке статора было подведено напряжение сети ( ≡ ). Подробнее физическая сущность реактивного момента будет изложена в § 23.2.