Mister 220V

Стремление получить двигатель с небольшой частотой вращения вала при значительном вращающем моменте привело к созданию волнового двигателя, представляющего собой сочетание синхронного двигателя с волновой механической передачей.

Статор волнового двигателя с трехфазной или двухфазной обмоткой создает вращающееся симметричное магнитное поле, вызывающее механические деформации гибкого элемента волновой передачи, обеспечивающей значительное передаточное отношение (до 100 и более) при небольших размерах и массе.

Основные элементы волновой передачи — наружный (неподвижный) цилиндр 4 с зубчатой внутренней поверхностью 3 (рис. 23.10, а) и числом зубцов Z₁ внутри которого расположен гибкий тонкостенный цилиндр 1 с зубчатой наружной поверхностью 2, имеющей число зубцов Z₂ < Z1.

Если внутренний гибкий цилиндр деформировать в радиальном направлении по оси 1 — 1′ (рис. 23.10, б) так, чтобы зубчатые поверхности наружного и внутреннего цилиндров пришли в зацепление, а затем вращать ось деформации 1 — 1′ по часовой стрелке с частотой щ, то произойдет обкатывание тонкостенного внутреннего цилиндра 1 по внутренней поверхности наружного цилиндра 2. При этом тонкостенный внутренний цилиндр будет вращаться в направлении, противоположном вращению оси 1 — 1′ с частотой (об/мин),

где k_р = (Z₁ — Z₂) / Z₁ — коэффициент редукции скорости волнового двигателя.

В волновом двигателе наружный (неподвижный) цилиндр расположен на статоре, а гибкий (вращающийся) цилиндр — на роторе. Радиальные деформации внутреннего цилиндра создаются за счет сил магнитного притяжения этого цилиндра к полюсам статора. Вращение оси деформации 1—1′ внутреннего цилиндра создается вращающимся магнитным полем статора.

Рассмотрим устройство волнового двигателя (рис. 23.11). В его алюминиевом корпусе 1 расположен шихтованный сердечник статора 2 с многофазной обмоткой 3, которая при включении в сеть переменного тока создает вращающееся магнитное поле с частотой вращения п₁. В центральной части сердечника статора находится неподвижное кольцо 4 с зубцами Z₁ на внутренней поверхности. Ротор состоит из тонкостенного гибкого стакана 6, на котором расположено гибкое кольцо 5 с зубцами Z₂ на внешней поверхности. Гибкое кольцо 5 и неподвижное кольцо 4 образуют волновую передачу. Вдоль внутренней поверхности полого стакана 6 ротора расположены подвижные относительно друг друга секторы 7 из ферромагнитного материала. Под действием сил магнитного притяжения, создаваемого вращающимся полем статора, секторы могут перемещаться в радиальном направлении, вызывая радиальные деформации гибкого кольца 5. К внутренней поверхности стакана ротора секторы прижимаются эластичными цилиндрическими кольцами 8.

При включении обмотки статора 3 в сеть в магнитной системе двигателя возникает вращающееся магнитное поле, которое воздействует на ферромагнитные секторы 7, создавая на них поочередно силы магнитного притяжения. В итоге создается волна деформации, вращающаяся синхронно с вращающимся магнитным полем с частотой n₁, вызывая деформацию гибких колец 8 и 5, как это показано на рис. 23.10, б. При этом ротор двигателя вращается в направлении, противоположном вращению поля статора с частотой n₂ [см. (23.8)]. Так как вращающееся магнитное поле статора взаимодействует с невозбужденным ротором, то рассмотренный волновой двигатель является синхронным двигателем реактивного типа.

Если обмотка статора двухполюсная и магнитная индукция B₈ вращающегося поля распределена по синусоидальному закону (см. рис. 23.10, в), то сила магнитного притяжения ферромагнитных секторов 7 к сердечнику статора 2 (см. рис. 23.11) распределяется по периметру ротора в соответствии с графиком F_M, показанным на рис. 23.10, в. Максимумы этой силы действуют на диаметрально расположенные участки ротора, вызывая деформацию гибкого кольца (см. рис. 23.10, б).
В заключение отметим, что применение волновых двигателей ограничивается некоторой сложностью их конструкции, обусловленной трудностью изготовления гибкого элемента ротора.

Пуск синхронного двигателя непосредственным включением в сеть невозможен, так как ротор из-за своей значительной инерции не может быть сразу увлечен вращающимся полем статора, частота вращения которого устанавливается мгновенно. В результате устойчивая магнитная связь между статором и ротором не возникает. Для пуска синхронного двигателя приходится применять специальные способы, сущность которых состоит в предварительном приведении ротора во вращение до синхронной или близкой к ней скорости, при которой между статором и ротором устанавливается устойчивая магнитная связь.

В настоящее время практическое применение имеет способ пуска, получивший название асинхронного. Этот способ пуска возможен при наличии в полюсных наконечниках ротора пусковой обмотки (клетки), аналогичной успокоительной обмотке синхронного генератора (см. рис. 21.8). Схема включения двигателя при этом способе пуска приведена на рис. 22.3, а. Невозбужденный синхронный двигатель включают в сеть. Возникшее при этом вращающееся магнитное поле статора наводит в стержнях пусковой клетки ЭДС, которые создают токи I₂. Взаимодействие этих токов с полем статора вызывает появление на стержнях пусковой клетки электромагнитных сил Fэм. Под действием этих сил ротор приводится во вращение (рис. 22.3, б). После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной (п2= 0,95%), обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока.

Образующийся при этом синхронный момент [см. (21.10)] втягивает ротор двигателя в синхронизм. После этого пусковая обмотка двигателя выполняет функцию успокоительной обмотки, ограничивая качания ротора (см. 21.4).

Чем меньше нагрузка на валу двигателя, тем легче его вхождение в синхронизм. Явно полюсные двигатели малой мощности, пускаемые без нагрузки на валу, иногда входят в синхронизм лишь за счет реактивного момента, т. е. даже без включения обмотки возбуждения.

С увеличением нагрузочного момента на валу вхождение двигателя в синхронизм затрудняется. Наибольший нагрузочный момент, при котором ротор синхронного двигателя еще втягивается в синхронизм, называют моментом входа двигателя в синхронизм М_вх. Величина асинхронного момента М_а при частоте вращения n₂=0,95 n₁ зависит от активного сопротивления пусковой клетки, т. е. от сечения стержней и удельного электрического сопротивления металла, из которого они изготовлены (см. рис. 13.7).

Следует обратить внимание (рис. 22.4), что выбор сопротивления пусковой клетки r₂", соответствующего значительному пусковому моменту (Мп"), способствует уменьшению момента входа в синхронизм (М_в") и, наоборот, при сопротивлении г₂‘, соответствующем небольшому пусковому моменту (М_п‘), момент входа в синхронизм увеличивается (М_в‘_х > М_в‘_х‘).

В процессе асинхронного пуска обмотку возбуждения нельзя оставлять разомкнутой, так как магнитный поток статора, пересекающий ее в начальный период пуска с синхронной скоростью, наводит в ней ЭДС. Вследствие большого числа витков обмотки возбуждения эта ЭДС достигает значений, опасных как для целости изоляции самой обмотки, так и для обслуживающего персонала. Для предотвращения этого обмотку возбуждения на период разгона ротора замыкают на активное сопротивление г, примерно в десять раз большее сопротивления обмотки возбуждения. Переключение зажимов И1 и И2 обмотки возбуждения с гасящего сопротивления г на зажимы возбудителя осуществляют переключателем П (см. рис. 22.3, а).

Замыкание накоротко обмотки возбуждения на время пуска двигателя нежелательно, так как при этом обмотка ротора образует однофазный замкнутый контур, взаимодействие которого с вращающимся полем статора также создает дополнительный асинхронный момент М_д. Однако при частоте вращения, равной половине синхронной, этот момент становится тормозящим (рис. 22.4) и создает «провал» в характеристике пускового (асинхронного) момента (пунктирная кривая). Это заметно ухудшает пусковые свойства синхронного двигателя.

При асинхронном пуске синхронного двигателя возникает значительный пусковой ток. Поэтому пуск синхронных двигателей непосредственным включением в сеть на номинальное напряжение применяют при достаточной мощности сети, способной выдерживать без заметного падения напряжения броски пускового тока пяти или семикратного значения (по сравнению с номинальным током). Если же мощность сети недостаточна, то можно применить автотрансформаторный или реакторный способы пуска двигателя при пониженном напряжении (см. 15.2).

Синхронный компенсатор (СК) представляет собой синхронную машину, предназначенную для генерирования реактивной мощности. Синхронный компенсатор включают в электрическую систему с целью повышения ее коэффициента мощности. На рис. 22.7 показана система, состоящая из синхронного генератора (G), повышающего TI и понижающего ТII трансформаторов, линии электропередачи ЛЭП, потребителя Z (например, группа асинхронных двигателей) и синхронного компенсатора СК, включенного непосредственно на входе потребителя. Синхронный компенсатор, включенный в сеть, работает как синхронный двигатель без нагрузки (Р₂ = 0), т.е. в режиме холостого хода.

Принцип происходящих при этом явлений состоит в следующем. Асинхронные двигатели, трансформаторы и другие виды электромагнитных нагрузок создают в цепях переменного тока значительные индуктивные токи.

В результате коэффициент мощности данного участка сети понижается, а потери, величина которых пропорциональна квадрату тока, увеличиваются. Таким образом, результирующий ток в сети с подключенным СК равен

Фазовый сдвиг этого тока относительно напряжения сети намного меньше угла фазового сдвига до включения СК. Так как СК работает без нагрузки на валу, то его активная мощность невелика и определяется потерями холостого хода в компенсаторе. Пренебрегая этими потерями, можно активную мощность в сети до подключения СК

В некоторых случаях СК работают с недовозбуждением. Необходимость в этом возникает, если ток в системе содержит значительную емкостную составляющую, которая не компенсируется индуктивной составляющей тока потребителей этой сети. Обычно степень возбуждения СК регулируют посредством автоматических устройств.

Синхронные компенсаторы применяют также для стабилизации напряжения в сети при передаче энергии по линиям большой протяженности. При больших индуктивных нагрузках напряжение в конце линии (у потребителей) оказывается намного меньше, чем в начале; при малых нагрузках, наоборот, под влиянием емкостных сопротивлений линии напряжение в конце линии может даже повышаться по сравнению с напряжением в начале. Если же в конце линии (у потребителей) включить СК, работающий при больших нагрузках с перевозбуждением и при малых нагрузках с недовозбуждением, то это позволит поддерживать напряжение в конце линии практически неизменным.

Условия нагревания СК при опережающем токе (при перевозбуждении) более тяжелые, чем при отстающем (при недовозбуждении), поэтому номинальной мощностью компенсатора считают мощность при перевозбуждении.

Пример 22.1. Потребитель, включенный в сеть переменного тока напряжением U_c = 6,3 кВ, потребляет мощность 1500 кВ -А при коэффициенте мощности coф = 0,7. Определить мощность синхронного компенсатора, необходимого для повышения коэффициента мощности в сети до cosф’ = 0,95 (sinф’ = 0,31). Определить также силу тока нагрузки в сети до и после компенсации.

Следовательно, ток в сети после включения СК

Обычно коэффициент мощности увеличивают до 0,92 ч-0,95, так как экономия, получаемая от повышения коэффициента мощности до единицы, не оправдывает увеличивающихся расходов, обусловленных возросшей мощностью синхронного компенсатора. Так, если в рассматриваемом примере потребовалось бы увеличить коэффициент мощности в сети до единицы, то пришлось бы применить синхронный компенсатор мощностью 1050 квар, т. е. почти в два раза больше, чем при соsф’ = 0,95.

Синхронные компенсаторы — это электрические машины большой мощности: от 10 до 160 тыс. кВ-А. Выполняют их обычно с горизонтальным расположением вала на напряжение от 6,6 до 16 кВ, частотой 50 Гц. Число полюсов в СК обычно составляет 2р = 6 или 8, что соответствует частоте вращения ротора 1000 и 750 об/мин. В синхронных компенсаторах современных серий применен асинхронный пуск, поэтому ротор СК снабжен пусковой клеткой.
Вал компенсатора не передает вращающего момента, поэтому при его расчете учитывают лишь силу тяжести ротора и силу магнитного притяжения. В итоге вал СК по сравнению с валом синхронного двигателя имеет уменьшенное сечение. Это способствует уменьшению габаритов и облегчению СК, применению подшипников более легких серий. Так как вал СК не имеет выступающего конца, то СК сравнительно легко герметизировать с целью применения в нем водородного охлаждения (см. 19.3).

Наиболее важными характеристиками СК являются U-образные характеристики, определяющие основные параметры компенсатора: значения токов в обмотке статора и в обмотке возбуждения. В принципе эти характеристики не отличаются от U-образной характеристики синхронного двигателя в режиме холостого хода (Р₂ = 0). Указанные характеристики строят для разных напряжений сети.

Синхронный компенсатор не несет активной нагрузки (его электромагнитная мощность (Рэм= 0) и работает при значении угла 0 = 0, что обеспечивает СК большую перегрузочную способность.