Mister 220V

U-образные характеристики. В процессе работы синхронного двигателя в его обмотке статора наводятся ЭДС, сумма которых SE [см. (20.29)] приблизительно равна подведенному к обмотке статора напряжению сети Uc. Эта сумма ЭДС эквивалентна результирующему магнитному полю, вызванному действием двух магнитодвижущих сил: возбуждения F_B = I_B и статора F₁ = I₁.

При неизменном напряжении сети Uc = - Se = const результирующее магнитное поле постоянно. Поэтому при изменении МДС возбуждения F_B (изменении тока возбуждения Iв) МДС статора F₁ изменяется таким образом, чтобы их совместное действие оставалось неизменным, т. е. чтобы оставалось неизменным результирующее магнитное поле синхронного двигателя. Это изменение МДС .F₁ может происходить только за счет изменения величины и фазы тока статора I₁, т.е. за счет изменения реактивной составляющей тока статора I_d.

Например, при увеличении тока возбуждения 1_В, начиная от наименьшего его значения (I_в = 0), возрастает МДС ротора, при этом МДС статора понижается. Это уменьшение МДС происходит при снижении индуктивной (по отношению к напряжению сети Uc.)

Увеличение тока возбуждения сверх значения I_в‘, т. е. перевозбуждение двигателя, вызовет повышение тока Д, но теперь этот ток будет опережающим (емкостным) по отношению к напряжению U_c. Таким образом, при недовозбуждении (I_в < I_в‘) синхронный двигатель работает с током статора, отстающим по фазе, а при перевозбуждении (I_в > I_в ‘) — с опережающим током статора. Зависимость тока статора от тока возбуждения для синхронного двигателя представлена U-образными характеристиками (рис. 22.5). Ток возбуждения /_в соответствует работе синхронного двигателя при коэффициенте мощности cosф₁ = 1. При перевозбуждении двигателя в цепи статора появляется опережающий ток.

Иначе говоря, синхронный двигатель является генератором реактивного тока: индуктивного по отношению к напряжению сети при недовозбуждении и емкостного при перевозбуждении. Указанная способность синхронных двигателей является их ценным качеством, которое используют для повышения коэффициента мощности электрических установок.

Асинхронные двигатели, являющиеся наиболее распространенными потребителями электроэнергии, работают с cosф₁ < 1, создавая в сетях значительные индуктивные токи. Если же параллельно группе асинхронных двигателей включить один или несколько синхронных двигателей, работающих с перевозбуждением, то возникающая в этой сети емкостная составляющая тока будет частично или полностью компенсировать индуктивную составляющую тока, обусловленную работой асинхронных двигателей. При этом электрическая система, разгруженная от реактивных токов, будет работать с cosф₁ = 1, что способствует уменьшению потерь электроэнергии. Необходимо, однако, отметить, что при перевозбуждении синхронный двигатель потребляет значительный ток статора. Поэтому синхронные двигатели, предназначенные для работы с перевозбуждением, имеют несколько большие габариты, а их КПД меньше, чем у двигателей, предназначенных для работы с cosф₁ = 1, когда ток статора и потери двигателя имеют минимальные значения.

Аналогично синхронному генератору, включенному на параллельную работу с сетью (см. 21.6), синхронный двигатель имеет предел устойчивости при минимальном токе возбуждения (штриховая линия в левой части рис. 22.5).

Рабочие характеристики. Рабочие характеристики синхронного двигателя представляют собой зависимость частоты вращения ротора n₂, потребляемой мощности P_l полезного момента М₂, коэффициента мощности cosф₁ и тока в обмотке статора Д от полезной мощности двигателя Р₂ (рис. 22.6).

Мощность на входе двигателя

С ростом нагрузки на валу двигателя увеличиваются также и потери SP, поэтому потребляемая мощность Р₁ растет быстрее полезной мощности Р₂ и график Р₁ = f(Р₂) имеет несколько криволинейный вид.
Вид графика cosф₁ = f(P₂) зависит от настройки тока возбуждения: если в режиме холостого хода ток возбуждения установлен таким, что соsф₁ = 1, то с ростом нагрузки коэффициент мощности снижается. Если же установить соsф₁ = 1при номинальной нагрузке, то при недогрузке двигатель будет забирать из сети реактивный опережающий ток, а при перегрузке — отстающий. Обычно устанавливают ток возбуждения таким, чтобы соsф₁ = 1 при средней нагрузке (рис. 22.6). В этом случае коэффициент мощности во всем диапазоне нагрузок остается достаточно высоким. Если же установить ток в обмотке возбуждения синхронного двигателя таким, чтобы соsф₁ = 1 был при нагрузке, несколько превышающей номинальную, то при номинальной нагрузке соsф₁ = 0,8 и двигатель будет потреблять из сети опережающий по отношению к напряжению сети ток, что приведет к повышению коэффициента мощности этой сети. В этом отношении синхронные двигатели выгодно отличаются от асинхронных, работающих с отстающим по фазе током (особенно при недогрузке двигателя) и снижающих энергетические показатели питающей сети.

Ток в обмотке статора двигателя

Из этого выражения видно, что ток I₁ с увеличением нагрузки на валу двигателя растет быстрее, чем потребляемая мощность P₁, вследствие уменьшения соsф₁.

Так как ротор синхронного двигателя вращается в ту же сторону, что и поле статора, то направление вращения ротора определяется порядком следования фаз линейных проводов, подведенных к обмотке статора, и порядком расположения фаз обмотки статора. Для изменения направления вращения трехфазного синхронного двигателя необходимо переключить два линейных привода, подведенных из сети к выводам обмотки статора (см. 9.3).

В заключение необходимо отметить, что синхронные двигатели, по сравнению с асинхронными имеют преимущество, заключающееся в том, что они могут работать с соsф₁ = 1, не создавая в питающей сети индуктивных токов (вызывающих дополнительные потери). Более того, при работе с перевозбуждением синхронные двигатели создают в сети емкостный ток, чем способствуют повышению коэффициента мощности энергосистемы в целом. Другое достоинство синхронных двигателей состоит в том, что, как это следует из (21.11), основная составляющая электромагнитного момента пропорциональна напряжению сети U_b а у асинхронных двигателей электромагнитный момент пропорционален U₁ [см. (13.14)]. По этой причине при понижении напряжения в сети синхронные двигатели сохраняют болыпую перегрузочную способность, чем асинхронные.

Синхронные двигатели изготовляют на большие мощности— от сотен до тысяч киловатт. Объясняется это тем, что при меньших мощностях применение синхронных двигателей в электроприводе нецелесообразно по технико-экономическим показателям. Обычно СД изготовляют на напряжения 6000 и 10 000 В. Лишь только некоторые типоразмеры синхронных двигателей серий СД2 и СДЗ изготовляют на напряжение 380 В.

Обычно серии синхронных двигателей имеют целевое назначение, т. е. каждая из серий разработана и применяется для привода конкретных рабочих механизмов. Например, серия СДК предназначена для привода компрессоров, серия СДМЗ — для привода шаровых мельниц, серия ВДС — для привода насосов и т. д. Исключение составляют серии СДН-2 и СДНЗ-2 на напряжение 6000 и 10 000 В мощностью от 315 до 1000 кВт, имеющие общепромышленного назначение.

Пуск является наиболее напряженным элементом работы СД, поэтому в сериях СД обычно оговариваются допустимые условия этой операции. Например, для серий СДН-2 и СДНЗ-2 указано, что пуск этих двигателей в холодном состоянии допускается на более двух раз с интервалом 5 мин, а в горячем состоянии — не более одного раза. При этом момент нагрузки на валу не должен превышать 0,4М_НОМ. В некоторых сериях пуск допускается лишь при отсутствии нагрузки.

Для ограничения пускового тока в СД применяют те же методы, что и в АД с короткозамкнутым ротором (см. 15.2).Перегрузочная способность СД составляет от 1,7 до 3,0.

К недостаткам синхронных двигателей относятся их более сложная конструкция и повышенная стоимость по сравнению с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Кроме того, для работы синхронного двигателя требуется устройство для питания постоянным током обмотки возбуждения.

Обычно совместно на одну сеть работают несколько синхронных генераторов и мощность любого из них намного меньше суммарной мощности всех остальных генераторов. Будем считать, что синхронный генератор подключают на параллельную работу с другими генераторами, суммарная мощность которых настолько велика по сравнению с мощностью подключаемого генератора, что при любых изменениях параметров этого генератора напряжение сети U_c и ее частота f_с остаются неизменными.

После подключения генератора в сеть при соблюдении всех условий синхронизации его ЭДС Е₀ равна по величине и противоположна по фазе напряжению сети U_c (рис. 21.3, а), поэтому ток в цепи генератора равен нулю, т. е. генератор работает без нагрузки. Механическая мощность приводного двигателя Р₁ в этом случае полностью затрачивается на покрытие потерь холостого хода:

Отсутствие тока в обмотке статора синхронного генератора (I₁ = 0) приводит к тому, что обмотка статора не создает вращающегося магнитного поля и в генераторе действует лишь магнитное поле возбуждения, вращающееся вместе с ротором с угловой скоростью w₁, но не создающее электромагнитного момента.

Если же увеличить вращающий момент приводного двигателя M₁, то ротор машины, получив некоторое ускорение, сместится относительно своего первоначального положения на угол 0 в направлении вращения. На такой же угол 0 окажется сдвинутым вектор ЭДС генератора E₀ относительно своего положения, соответствующего режиму холостого хода генератора (рис. 21.3, б). В результате в цепи статора появится результирующая ЭДС АЕ = E₀ + П_с, которая создаст в цепи обмотки статора генератора ток. Если пренебречь активным сопротивлением обмотки статора и считать сопротивление этой обмотки чисто индуктивным, то ток I₁ отстает по фазе от E угол 90° (рис. 21.3, б) и отстает по фазе от ЭДС Е₀ на угол.

Ток I₁ создает магнитное поле, вращающееся синхронно с ротором и создающее вместе с полем ротора результирующее магнитное поле синхронной машины. Ось этого результирующего поля d’— d’ не совпадает с продольной осью полюсов ротора d — d:e синхронном генераторе ось полюсов ротора d — d опережает ось результирующего поля машины d’— d’ на угол 0, называемый углом нагрузки (рис. 21.4, а).

Известно, что разноименные магнитные полюсы взаимно притягиваются, поэтому между намагниченными полюсами ротора и неявно выраженными полюсами вращающегося поля статора возникают силы магнитного притяжения F_M (рис. 21.4, б). Вектор этой силы на каждом полюсе ротора, направленный под углом 0 к оси полюса, имеет две составляющие: F_n = F_mcos 0 — нормальная составляющая, направленная по оси полюсов, тангенциальная составляющая, направленная перпендикулярно оси полюсов ротора. Совокупность тангенциальных составляющих F_t на всех полюсах ротора создает на роторе синхронного генератора электромагнитный момент, направленный встречно вращающемуся магнитному полю:

где D₂ — диаметр ротора.

Из полученного выражения следует, что электромагнитный момент синхронной машины является синусоидальной функцией угла нагрузки 0 и может быть представлен выражением

где М_тах — максимальное значение электромагнитного момента, соответствующее значению угла 0 = 90 эл. град.

Электромагнитный момент М, возникающий на роторе генератора, направлен встречно вращающему моменту приводного двигателя m₁, т. е. он является тормозящим моментом. На преодоление этого момента затрачивается часть мощности приводного двигателя, которая представляет собой электромагнитную мощность

где w₁ — угловая скорость вращения ротора.

Таким образом, с появлением тока I₁ в обмотке статора синхронного генератора, работающего параллельно с сетью, генератор получает электрическую нагрузку, а приводной двигатель (турбина, дизельный двигатель и т. п.) — дополнительную механическую нагрузку. При этом механическая мощность приводного двигателя Р₀ расходуется не только на покрытие потерь холостого хода генератора Р₀, но и частично преобразуется в электромагнитную мощность генератора Р_эм, т. е.

Следовательно, электромагнитная мощность синхронного генератора представляет собой активную электрическую мощность, преобразованную из части механической мощности приводного двигателя:

Pэм = P₁ – P_0.

Что же касается активной мощности на выходе синхронного генератора Р₂, отдаваемой генератором в сеть, т. е.

то она меньше электромагнитной мощности Р_эм на величину, равную сумме электрических потерь в обмотке статора Рэм = P_э1 =т₁I₁ r₁ и добавочных потерь Р_доб при нагрузке:

Следовательно, мощность на выходе синхронного генератора Р₂ (активная нагрузка) при его параллельной работе с сетью регулируется изменением вращающего момента М₁ приводного двигателя:

где w = 2пf₁/p = const — угловая синхронная скорость вращения ротора синхронной машины, рад/с.

Если все слагаемые уравнения (21.4) разделить на угловую скорость p₁/w₁ = p_o/w_i + Р_ЭМ/w₁> _то получим уравнение моментов

Из этого уравнения следует, что вращающий момент M_lt развиваемый приводным двигателем на валу генератора, равен сумме противодействующих моментов: момента холостого хода М₀,обусловленного потерями холостого хода Р₀, и электромагнитного момента М, обусловленного нагрузкой генератора.

Момент холостого хода М₀ для данного генератора постоянный (М₀ = const), поэтому нагрузка синхронного генератора возможна лишь за счет вращающего момента приводного двигателя, когда его значение превышает момент холостого хода, т. е. при М± > М_й.

Изменение напряжения синхронного генератора Д U_HOM при сбросе номинальной нагрузки можно определить графически — построением практической диаграммы ЭДС. Предположим, что синхронный генератор работал в режиме номинальной нагрузки, а затем нагрузка была полностью сброшена, но частота вращения и ток возбуждения при этом остались неизменными. Напряжение генератора после сброса нагрузки возросло на Д U_HOM . Для определения этого значения проделаем следующее (рис. 20.13): в одних осях координат построим характеристики холостого хода и короткого замыкания. Затем на оси ординат построим вектор О А = U_1ном и под углом (I к вектору ОА проведем вектор тока U_1иом. Прибавив к вектору U_ном векторы падения напряжения, найдем ЭДС нагруженного генератора:

Перенося точку В на характеристику холостого хода (точка С), проведем ординату CD. Cоответствующий ЭДС E₀ = NP. Проведя из точки А параллельно оси абсцисс линию AR, получим

Выразим полученные величины в относительных единицах:

Так как индуктивное падение напряжения в 0,157/0,0059 = 26 раз больше активного, активным падением напряжения можно пренебречь. Произведя построения в изложенном выше порядке, получим практическую диаграмму ЭДС (рис. 20.14), из которой определяем величину повышения напряжения при сбросе нагрузки:

Все построения на диаграмме (см. рис. 20.14) выполнены в относительных единицах.