Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Асинхронные машины
Устройство ротора. Ротор асинхронного двигателя состоит из стального вала 4 (рис. 3.1, а), на который напрессован сердечник 5, выполненный, как и сердечник статора, из отдельных листов электротехнической стали с выштампованными в них закрытыми или полузакрытыми пазами. Обмотка ротора бывает двух типов: короткозамкнутая и фазная – соответственно роторы называются короткозамкнутыми и фазными.
Большее распространение имеют двигатели с короткозамкнутым ротором, так как они дешевле и проще в изготовлении и в эксплуатации. Токопроводящая часть такого ротора, названного М. О. Доливо-Добровольским ротором с беличьей клеткой, состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов (рис. 3.3). Как правило, беличья клетка формируется путем заливки пазов ротора расплавленным алюминием.
Фазный ротор (рис.3.4) имеет три обмотки, соединенные в звезду. Выводы обмоток подсоединены к кольцам 2, закрепленным на валу 3. К кольцам при пуске прижимаются неподвижные щетки 4, которые подсоединяются к реостату 5.
Принцип работы
При подаче к обмотке статора напряжения, в каждой фазе создаётся магнитный поток, который изменяется с частотой подаваемого напряжения. Эти магнитные потоки сдвинуты относительно друг друга на 120°, как во времени, так и в пространстве. Результирующий магнитный поток оказывается при этом вращающимся.
Результирующий магнитный поток статора вращается и тем самым создаёт в проводниках ротора ЭДС. Так как обмотка ротора, имеет замкнутую электрическую цепь, в ней возникает ток, который в свою очередь взаимодействуя с магнитным потоком статора, создаёт пусковой момент двигателя, стремящийся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Когда он достигает значения, тормозного момента ротора, а затем превышает его, ротор начинает вращаться. При этом возникает так называемое скольжение.
Скольжение s - это величина, которая показывает, насколько синхронная частота n1 магнитного поля статора больше, чем частота вращения ротора n2, в процентном соотношении.
Скольжение это крайне важная величина. В начальный момент времени она равна единице, но по мере возрастания частоты вращения n2 ротора относительная разность частот n1-n2 становится меньше, вследствие чего уменьшаются ЭДС и ток в проводниках ротора, что влечёт за собой уменьшение вращающего момента. В режиме холостого хода, когда двигатель работает без нагрузки на валу, скольжение минимально, но с увеличением статического момента, оно возрастает до величины sкр - критического скольжения. Если двигатель превысит это значение, то может произойти так называемое опрокидывание двигателя, и привести в последствии к его нестабильной работе. Значения скольжения лежит в диапазоне от 0 до 1, для асинхронных двигателей общего назначения оно составляет в номинальном режиме - 1 - 8 %.
Как только наступит равновесие между электромагнитным моментом, вызывающим вращение ротора и тормозным моментом создаваемым нагрузкой на валу двигателя процессы изменения величин прекратятся.
Выходит, что принцип работы асинхронного двигателя заключается во взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и токов, которые наводятся этим магнитным полем в роторе. Причём вращающий момент может возникнуть только в том случае, если существует разность частот вращения магнитных полей.
При питании обмотки статора трёхфазным (в общем случае — многофазным) током создаётся вращающееся магнитное поле, синхронная частота вращения [об/мин] которого связана с частотой питающего напряжения сети [Гц] соотношением:
,
где — число пар магнитных полюсов обмотки статора.
Режимы работы
Асинхронная машина может работать в режимах двигателя, генератора и электромагнитного тормоза.
Режим двигателя
Этот режим служит для преобразования потребляемой из сети электрической энергии в механическую.
Рис. 2.9
Пусть обмотка статора создаёт магнитное поле, вращающееся с частотой n0 в указанном направлении (рис. 2.9). Это поле будет наводить согласно закону электромагнитной индукции в обмотке ротора ЭДС. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки и показано на рисунке (силовые линии должны входить в ладонь, а большой палец нужно направить по направлению движения проводника, т.е. ротора, относительно магнитного поля). В обмотке ротора появится ток, направление которого примем совпадающим с направлением ЭДС. В результате взаимодействия обмотки ротора с током и вращающегося магнитного поля возникает электромагнитная сила F. Направление силы определяется по правилу левой руки (силовые линии должны входить в ладонь, четыре пальца – по направлению тока в обмотке ротора). В данном режиме (рис. 2.9) электромагнитная сила создаст вращающий момент, под действием которого ротор начнёт вращаться с частотой n. Направление вращения ротора совпадает с направлением вращения магнитного поля. Чтобы изменить направление вращения ротора (реверсировать двигатель), нужно изменить направление вращения магнитного поля. Для реверса двигателя нужно изменить порядок чередования фаз подведённого напряжения, т.е. переключить две фазы.
Пусть под действием электромагнитного момента ротор начал вращаться с частотой вращения магнитного поля (n=n0). При этом в обмотке ротора ЭДС E2 будет равна нулю. Ток в обмотке ротора I2=0, электромагнитный момент M тоже станет равным нулю. За счёт этого ротор станет вращаться медленнее, в обмотке ротора появится ЭДС, ток. Возникнет электромагнитный момент. Таким образом, в режиме двигателя ротор будет вращаться несинхронно с магнитным полем. Частота вращения ротора будет изменяться при изменении нагрузки на валу. Отсюда появилось название двигателя – асинхронный (несинхронный). При увеличении нагрузки на валу двигатель должен развивать больший вращающий момент, а это происходит при снижении частоты вращения ротора. В отличие от частоты вращения ротора частота вращения магнитного поля не зависит от нагрузки. Для сравнения частоты вращения магнитного поля n0 и ротора n ввели коэффициент, который назвали скольжением и обозначили буквой S. Скольжение может измеряться в относительных единицах и в процентах.
S=(n0−n)/n0 или S=[(n0−n)/n0]100%.
При пуске в ход асинхронного двигателя n=0,S=1. В режиме идеального холостого хода n=n0,S=0. Таким образом, в режиме двигателя скольжение изменяется в пределах:
0<S≤1.
При работе асинхронных двигателей в номинальном режиме:
Sн=(2÷5)%.
В режиме реального холостого хода асинхронных двигателей:
Sхх=(0,2÷0,7)%.
Режим генератора
Этот режим служит для преобразования механической энергии в электрическую, т.е. асинхронная машина должна развивать на валу тормозной момент и отдавать в сеть электрическую энергию. Асинхронная машина переходит в режим генератора, если ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля (n>n0). Этот режим может наступить, например, при регулировании частоты вращения ротора.
Пусть n>n0. При этом изменится (по сравнению с режимом двигателя) направление ЭДС и тока ротора, а также изменится направление электромагнитной силы и электромагнитного момента (рис. 2.10). Машина начинает развивать на валу тормозной момент (потребляет механическую энергию) и возвращает в сеть электрическую энергию (изменилось направление тока ротора, т.е. направление передачи электрической энергии).
Рис. 2.10
При n>n0,S=0.
При n→+∞,S→−∞.
Таким образом, в режиме генератора скольжение изменяется в пределах:
0>S>−∞.
Режим электромагнитного тормоза
Этот режим работы наступает, если ротор и магнитное поле вращаются в разные стороны. Этот режим работы имеет место при реверсе асинхронного двигателя, когда изменяют порядок чередования фаз, т.е. изменяется направление вращения магнитного поля, а ротор по инерции вращается в прежнем направлении.
Согласно рис. 2.11 электромагнитная сила будет создавать тормозной электромагнитный момент, под действием которого будет снижаться частота вращения ротора, а затем произойдёт реверс.
В режиме электромагнитного тормоза машина потребляет механическую энергию, развивая на валу тормозной момент, и одновременно потребляет из сети электрическую энергию. Вся эта энергия идёт на нагрев машины.
Рис.2.11
При n=n0,S=1.
При n→−∞,S→+∞.
Таким образом, в режиме электромагнитного тормоза скольжение изменяется в пределах:
0<S<∞.
Энергетическая диаграмма позволяет судить о характере распределения мощности, потребляемой двигателем из сети. Ее можно получить с помощью векторной диаграммы (рис.4.9). При работе асинхронный двигатель потребляет из сети активную мощность
.
Из векторной диаграммы можно получить следующие соотношения:
С учетом этих соотношений выражение для мощности преобразуется к виду
.
Отсюда следует, что мощность расходуется в статоре на покрытие электрических потерь в обмотке статора,
и на покрытие потерь в стали,
.
Остальная мощность поступает через воздушный зазор в ротор. Эта мощность определяет электромагнитный момент двигателя, поэтому ее называют электромагнитной мощностью
.
Из векторной диаграммы можно получить следующее соотношение:
,
поэтому для электромагнитной мощности справедливо второе выражение:
.
Часть электромагнитной мощности, как мы выяснили выше, теряется в виде электрических потерь в обмотке ротора,
,
а остальная часть мощности преобразуется в механическую мощность
.
Часть механической мощности теряется внутри самой машины в виде механических потерь , магнитных потерь и добавочных потерь . Механические потери включают потери на трение и на вентиляцию. Их расчет выполняется по эмпирическим формулам. Магнитные потери обычно малы и отдельно не определяются , а учитываются в вместе с потерями в стали статора. Добавочные потери вызваны в основном высшими гармониками магнитных полей. Они трудно поддаются расчету. Поэтому добавочные потери оценивают приближенно величиной 0,5% от номинальной мощности двигателя.
Полезная мощность на валу двигателя
.
В соответствии с изложенным энергетическую диаграмму двигателя можно представить в виде, показанном на рис. 4.10. Сумма потерь определяет КПД двигателя
.
КПД двигателей мощностью от 1 кВт до 1000 кВт лежит в пределах
Асинхронный электропривод, как и электропривод постоянного тока, может работать в двигательном и трёх тормозных режимах с таким же, как в электроприводе постоянного тока, распределением потоков энергии (рис. 4.7).
Рис. 4.7. Механическая характеристика асинхронной машины
Как следует из рис. 4.7, по мере увеличении момента сопротивления увеличивается скольжение машины и развиваемый момент. При некотором критическом значении скольжения sКР, момент двигателя достигает максимального (или критического) значения – МКР. Жёсткость механической характеристики асинхронных двигателей переменна: на рабочем участке s = 0…sКР: b < 0, а при ½s½>½sКР½ – положительна: b < 0.
Специфическим является режим динамического торможения, которое представляет собою генераторный режим отключенного от сети переменного тока асинхронного двигателя, к статору которого подведен постоянный ток Iп. Этот режим применяется в ряде случаев, когда после отключения двигателя от сети требуется его быстрая остановка без реверса.
Постоянный ток, подводимый к обмотке статора, образует неподвижное в пространстве поле. При вращении ротора в его обмотке наводится переменная эдс, под действием которой протекает переменный ток. Этот ток создает также неподвижное поле.
Складываясь, поля статора и ротора образуют результирующее поле, которое при взаимодействии с током ротора создает тормозной момент. Энергия, поступающая с вала двигателя, рассеивается при этом в сопротивлениях роторной цепи.
На шильдике или в паспорте асинхронного двигателя обычно указаны номинальные линейные напряжения при соединении обмоток в «звезду» и «треугольник»: ; токи ; частота f1н; мощность на валу Рн; частота вращения при номинальном моменте ωн (nн); кпд – hн, cos jн.
Для двигателей с короткозамкнутым ротором в каталоге приводятся кратности пускового тока: ; пускового момента: ; критического момента: . Следует иметь в виду, что данных, приводимых в каталоге, недостаточно, чтобы определить по ним параметры схемы замещения и пользоваться ей при всех расчетах, однако по каталожным данным можно построить естественную электромеханическую и механическую характеристики, воспользовавшись уравнением приближённой механической характеристики[4].
Приближенное уравнение механической характеристики асинхронного двигателя (формула Клосса) удовлетворительно воспроизводит механическую характеристику в области малых скольжений (от s = 0 до s = sкр)[5].
. (4.14)
Необходимо помнить, что на время разгона существенно влияет вид механической характеристики в области больших скольжений от s = 1 до s = sкр, поэтому для определения моментов при значениях скольжения, которое больше критического, следует пользоваться выражением
, (4.15)
где b – коэффициент, определяемый следующим образом. Для пускового момента (s = l) соотношение (4.14) приобретает следующий вид:
,
Критическое скольжение можно определить по выражению:
откуда . (4.16)
. (4.17)
Значение пускового момента Мп можно вычислить через кратность пускового момента относительно номинального Мп / Мн,
которая приводится в справочниках [4].
Используя выражения (4.14)–(4.16) и паспортные данные машины можно построить приближённую механическую характеристику, которая с достаточной точностью соответствует реальной характеристике, приведённой на рис. 4.8.[6]
Рабочими характеристиками называются зависимости от полезной мощности на валу двигателя при постоянных значениях и частоты сети.
Характеристика тока статора I1 (P2) (рис. 20).
При холостом ходе двигателя из сети потребляется ток холостого хода, составляющий 0,25 – 0,5 от номинального тока двигателя. С увеличением нагрузки растет ток ротора, что вызывает увеличение тока статора компенсирующее размагничивающее действие тока ротора, вследствие чего кривая имеет восходящий характер.
Скоростная характеристика n (P2) и зависимость S (P2)
Из формулы (14) для скольжения следует, что при холостом ходе двигателя частота вращения ротора близка к синхронной, а скольжение мало отличается от нуля. По мере увеличения нагрузки на валу частота вращения уменьшается (скольжение растет), поэтому зависимость имеет вид нисходящей, а имеет вид восходящей кривой.
Характеристика КПД
КПД асинхронного двигателя
, (17)
где – подведенная к статору мощность,
– полезная механическая мощность,
— мощность потерь в двигателе, определяемая выражением:
, (18)
где – мощность магнитных потерь,
– мощность электрических потерь в статоре,
– мощность электрических потерь в роторе,
– мощность механических потерь.
При холостом ходе , а потери холостого хода будут складываться в основном из механических и магнитных потерь, т.е. , т.к. потери в обмотках при этом незначительны. При увеличении нагрузки потери в двигателе растут медленнее, чем полезная мощность . Поэтому КПД резко возрастает и достигает максимума при нагрузке около 0,7 – 0,8 от номинальной; при дальнейшем росте нагрузки КПД уменьшается, что связано с быстрым ростом потерь в обмотках. Современные асинхронные двигатели имеют номинальный КПД 0,75 – 0,95.
Характеристика коэффициента мощности cos j1 (Р2) (см. рис. 20)
Кроме активной мощности Р1, двигатель потребляет реактивную мощность Q1, в основном необходимую для создания вращающегося магнитного поля. Коэффициент мощности
(20)
При холостом ходе имеет малое значение (примерно 0,1), так как активная мощность мала, расходуется только на небольшие потери в статоре и небольшие механические потери, а реактивная мощность имеет постоянное значение, так как магнитный поток постоянный.
С увеличением нагрузки активная мощность увеличивается, а реактивная мощность в пределах до номинальной нагрузки имеет неизменное значение. В результате увеличивается. Однако при дальнейшем увеличении нагрузки сказывается увеличение потоков рассеяния, за счет чего реактивная мощность Q1 увеличивается и начинает уменьшаться.
Характеристика электромагнитного момента.
Зависимость (см. рис.20).
В установившемся режиме работы двигателя электромагнитный момент М уравновешивается статическим моментом сопротивления (тормозным моментом):
, (21)
где – момент холостого хода, создаваемый силами трения,
– полезный момент на валу двигателя, создаваемый нагрузкой (рабочей машиной):
, (22)
т.е. пропорционален полезной мощности и обратно пропорционален угловой скорости вращения .
Так как при изменении нагрузки (в пределах от холостого хода до номинальной) скорость вращения асинхронного двигателя остается почти постоянной, то зависимость у асинхронных двигателей прямолинейна. Характеристика вращающегося момента , складывающегося из момента холостого хода и полезного момента, пересекает ось ординат в точке, соответствующей , а затем она почти прямолинейна и лишь немного изгибается вверх.
Пуск двигателя с фазным ротором
Асинхронные двигатели с фазным ротором применяются значительно реже двигателей с короткозамкнутым ротором. Они используются в следующих случаях: 1) когда двигатели с короткозамкнутым ротором не могут быть использованы по условиям регулирования частоты вращения; 2) когда статический момент сопротивления на валу больше пускового момента короткозамкнутого двигателя; из уравнения движения следует, что ротор в этом случае не раскрутится. Пуск двигателей с фазным ротором производится с помощью пускового реостата в цепи ротора, рис. 10.4, а.
Когда ползунки трехфазного реостата ПР поставлены в положение I, то в цепь ротора вводится наибольшее активное сопротивление. Его подбирают такой величины, чтобы механическая характеристика двигателя имела вид кривой I (рис. 10.4, б). Таким образом, пусковой момент будет равен максимальному и . Начнется разгон.
По мере разгона двигателя, например, при ползунки реостата переводят в положение II, тем самым выводят часть сопротивления из цепи обмотки ротора. Двигатель переходит на новую механическую характеристику II, по которой разгоняется до какого-то скольжения , после чего ползунки перемещают в положение III. Все сопротивление выводится из цепи обмотки ротора, он становится короткозамкнутым и работает на своей естественной характеристике III, разгоняясь до установившегося скольжения , когда .
Рис. 10.4. Схема включения реостата: а – пускового;
б – механические характеристики при действии реостата
Пуск может быть с ручным управлением в том случае, кода при ступенчатом регулировании величины сопротивления используют контроллеры, или пуск автоматический.
Пуск в ход двигателя с короткозамкнутым ротором
Пуск в ход двигателя непосредственным включением в сеть. Этот способ пуска отличается от других своей простотой. Однако в момент подключения двигателя к сети в цепи статора возникает большой пусковой ток, в 5-7 раз превышающий номинальный ток двигателя. При малой инерционности исполнительного механизма скорость двигателя очень быстро возрастает до установленного значения, и ток спадает, достигая величины, соответствующей нагрузке двигателя. В этих условиях пусковой ток не представляет опасности для двигателя, поскольку он быстро спадает и не может вызвать перегрева обмоток машин. Но значительный бросок тока в цепи двигателя влияет на питающую сеть и при недостаточной мощности последней это влияние может выразиться в заметных колебаниях напряжения сети. Однако при современных мощных энергетических системах и сетях двигатели с короткозамкнутым ротором, как правило, запускаются непосредственным включением в сеть на полное напряжение.
При необходимости уменьшения пускового тока применяют какой-либо из способов пуска при пониженном напряжении.
Частота вращения асинхронного двигателя
n = n1 (1 – s) = (60f1/p) (1-s) (85)
Из этого выражения видно, что ее можно регулировать, изменяя частоту f1 питающего напряжения, число пар полюсов р и
Рис. 266. Схема переключения катушек обмотки статора (одной фазы) для изменения числа полюсов: а — при четырех полюсах; б — при двух полюсах
скольжение s. Последнее при заданных значениях момента на валу Мвн и частоты f1 можно изменять путем включения в цепь обмотки ротора реостата.
Регулирование путем изменения частоты питающего напряжения. Этот способ требует наличия преобразователя частоты, к которому должен быть подключен асинхронный двигатель. На основе управляемых полупроводниковых вентилей (тиристоров) созданы статические преобразователи частоты и построен ряд опытных электровозов и тепловозов с асинхронными двигателями, частота вращения которых регулируется путем изменения частоты питающего напряжения. Такой способ регулирования частоты вращения ротора асинхронного двигателя является весьма перспективным.
Регулирование путем изменения числа пар полюсов. Этот способ позволяет получить ступенчатое изменение частоты вращения. Для этой цели отдельные катушки 1, 2 и 3, 4, составляющие одну фазу (рис. 266), переключаются так, чтобы изменялось соответствующим образом направление тока в них (например, с последовательного согласного соединения на встречное). При согласном включении катушек (рис. 266, а) число полюсов равно четырем, при встречном включении (рис. 266, б) — двум. Катушки двух других фаз, сдвинутые в пространстве на 120°, соединяются таким же образом. Такое же уменьшение числа полюсов можно осуществить при переключении катушек с последовательного на параллельное соединение. При изменении числа полюсов изменяется частота вращения n1 магнитного поля двигателя, а следовательно, и частота вращения n его ротора. Если нужно иметь три или четыре частоты вращения n1, то на статоре располагают еще одну обмотку, при переключении которой можно получить еще две частоты. Существуют двигатели, которые обеспечивают изменение частоты вращения n1 при постоянном наибольшем моменте или при приблизительно постоянной мощности (рис. 267).
В асинхронном двигателе число полюсов ротора должно быть равно числу полюсов статора. В короткозамкнутом роторе это условие выполняется автоматически и при переключении обмотки статора никаких изменений в обмотке ротора выполнять не требуется.
Рис. 267. Механические характеристики двухскоростных асинхронных двигателей с постоянным наибольшим моментом (а) и постоянной мощностью (б)
Рис. 268. Механические характеристики асинхронного двигателя при регулировании частоты вращения путем включения реостата в цепь обмотки ротора
Рис. 269. Схемы подключения асинхронного двигателя к сети при изменении направления его вращения
В двигателе же с фазным ротором в этом случае надо было бы изменять число полюсов обмотки ротора, что сильно усложнило бы его конструкцию, поэтому такой способ регулирования частоты вращения используется только в двигателях с коротко-замкнутым ротором. Такие двигатели имеют большие габаритные размеры и массу по сравнению с двигателями общего применения, а следовательно, и большую стоимость. Кроме того, регулирование осуществляется большими ступенями; при частоте f1 = 50 Гц частота вращения поля n1 при переключениях изменяется в отношении 3000:1500:1000:750.
Регулирование путем включения в цепь ротора реостата. При включении в цепь обмотки ротора реостата с различным сопротивлением (Rп4, RпЗ, Rп2 и т. д.) получаем ряд реостатных механических характеристик 4, 3 и 2 двигателя. При этом некоторому нагрузочному моменту Мном (рис. 268) будут соответствовать меньшие частоты вращения n4, n3, n2 и т. д., чем частота nе при работе двигателя на естественной характеристике 1 (при Rп = 0). Это способ регулирования может быть использован только для двигателей с фазным ротором. Он позволяет плавно изменять частоту вращения в широких пределах. Недостатками его являются большие потери энергии в регулировочном реостате, поэтому его используют только при кратковременных режимах работы двигателя (при пуске и пр.).
Изменение направления вращения. Для изменения направления вращения двигателя нужно изменить направление вращения магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Это достигается изменением порядка чередования тока в фазах обмотки статора. Например, если максимумы токов поступают в фазы обмотки статора 1 (рис. 269, а) в следующем порядке: фаза А — фаза В — фаза С, то ротор 2 двигателя будет вращаться по часовой стрелке. Если же подавать их в такой последовательности: фаза В — фаза А — фаза С, то ротор начнет вращаться против часовой стрелки. Для этой цели необходимо изменить схему соединения обмоток статора с сетью, переключив две любые фазы (провода). Например, зажим А обмотки статора, который ранее был соединен с линейным проводом Л1, нужно переключить на провод Л2, а зажим В этой обмотки, соединенный ранее с Л2, переключить на провод Л1 (рис. 269,б). Такое переключение можно осуществить обычным переключателем.
Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей изменением частоты в питающей сети является наиболее экономичным способом регулирования и позволяет получить хорошие механические характеристики электропривода (рис. 26). При изменении частоты питающей сети обеспечивается изменение частоты вращения магнитного поля асинхронного двигателя, что также следует из формулы (7).
Источник питания двигателя должен осуществлять преобразование напряжения стандартной частоты сети fн = 50 Гц в напряжение с требуемой частотой. Одновременно с изменением частоты должна регулироваться по определенному закону и величина подводимого к двигателю напряжения Uрег , чтобы обеспечить высокую жесткость механической характеристики.
При регулировании частоты вращения асинхронных двигателей за счет изменения частоты в питающей сети возможны обеспечения различных режимов работы: с постоянным вращающим моментом M = const ;
|
Рис. 26. Механические характеристики при регулировании частоты вращения асинхронных двигателей с помощью изменения частоты питающего напряжения (с учетом влияния активного сопротивления статора). |
с постоянной мощностью на валу P = const;
с моментом, пропорциональным квадрату частоты,
M =— f 2.
Зависимости между регулируемыми напряжением и частотой с учетом влияния активного сопротивления статора, изменения жесткости механических характеристик, насыщения стали, ухудшения теплоотдачи на низких частотах вращения ротора двигателя имеют довольно сложный характер.
В качестве источника питания могут применяться электромашинные вращающиеся преобразователи, использующие электрические машины, или статические преобразователи, постоянные с использованием полупроводниковых и магнитных приборов (более подробно см. [Л. 2,4]). Положительным свойством частотного регулирования является возможность плавного регулирования в широком диапазоне, в обе стороны от естественной характеристики (в том числе возможно вращение двигателя с частотой, большей номинальной). При регулировании обеспечиваются жесткость характеристик и высокая перегрузочная способность.
Недостатками данного способа регулирования можно считать большую сложность преобразовательного устройства, сравнительно высокую стоимость оборудования и др.
Однофа́зный дви́гатель — электродвигатель, конструктивно предназначенный для подключения к однофазной сети переменного тока.
Фактически является двухфазным, но вследствие того, что рабочей является только одна обмотка, двигатель называют однофазным.
Строго говоря, именно однофазным называется такой асинхронный двигатель, который имеет на статоре одну рабочую обмотку, которая подключается к сети однофазного тока. Запуск осуществляется вращающимся магнитным полем, создающимся основной обмоткой и дополнительной (меньшей) пусковой обмоткой, которая подключается через ёмкость/индуктивность к основной сети на время пуска или замыкается накоротко (в двигателях малой мощности).
Преимуществом двигателя является простота конструкции (короткозамкнутый ротор). Недостатки — малый пусковой момент (или вообще его отсутствие) и низкий КПД.
Однофазный асинхронный двигатель как следует из названия, питается от однофазной сети. От трех фазного двигателя он отличается статором. На котором в общем случае находится одна обмотка. На самом деле их как правило две но может быть и три. Ротор же однофазного двигателя ничем не отличается от ротора трех фазного двигателя. Это короткозамкнутая обмотка.
Статорная обмотка однофазного двигателя занимает две трети окружности статора. То есть формируется пара полюсов. При прохождении через нее переменного синусоидального тока образуется неподвижное магнитное поле. Статор не заполняется обмоткой полностью, так как это экономически не выгодно. Мощность при этом увеличится на 12 процентов а затраты и вес значительно.
Рисунок 1 — Статор однофазного асинхронного двигателя
Поле статора неподвижно оно как бы пульсирует. При этом формируются два момента вращения направленные в противоположные стороны. Одна часть статорной обмотки тянет ротор в одну сторону другая же в противоположную. Таким образом, при подаче тока на статорную обмотку ротор вращаться не будет. Для этого необходим начальный момент, который повернет ротор в какую-либо сторону.
Пуск такого двигателя можно совершить и вручную крутнув вал. Но чаще для пуска двигателя применяют дополнительную обмотку. Которая находится на статоре и называется пусковой. Она подключается к той же фазе что и рабочая, но через фазосдвигающую цепь. В качестве такой цепи может выступать емкость резистор или катушка.
При подключении пусковой обмотки к питающей сети через конденсатор ток в пусковой обмотке сдвигается на 90 градусов. Также на 90 градусов сдвигается и магнитное поле. Вообще говоря угол смещения тока можно регулировать подобрав величину емкости. Таки образом будет регулироваться пусковой момент.
Рисунок 2 — фазосдвигающая цепь в виде пускового конденсатора
В момент пуска фазосдвигающая цепь подключается к пусковой обмотке, тем самым обеспечивая вращающееся магнитное поле. Которое, взаимодействуя с короткозамкнутым ротором, начинает его раскручивать. Время в течении которого пусковая обмотка подключена к питающей сети достаточно мало. Обычно оно составляет около трех секунд. За это время ротор выходит почти на полную скорость вращения и необходимость в пусковой обмотке отпадает. Пусковая емкость отключается от обмотки.
Так как время работы пусковой обмотки невелико ее, как правило, выполняют проводом меньшего сечения и меньшим числом витков. Иногда пусковую обмотку выполняют тем же проводом что и рабочую. Тогда при использовании фазосдвигающей цепи можно улучшить механические характеристики двигателя. В этом случае параллельно пусковой емкости включается рабочая. Эта ёмкость по величине меньше пусковой и, следовательно, обладает большим сопротивлением. Таки образом ток, протекающий во второй обмотке, будет меньше пускового.
Рисунок 3 — использование второй обмотки в качестве рабочей
После отключения пусковой емкости дающей пусковой момент вращения она отключается, а вот рабочая емкость остается, обеспечивая вращающееся магнитное поле и во время работы.
Основным недостатком однофазного асинхронного двигателя является то что он не обладает пусковым моментом. И, следовательно, необходимо применять какие либо меры по его пуску. Также в однофазном двигателе частота вращения ниже, чем у трех фазного. Так как встречное поле, формируемое второй половиной статорной обмотки, тормозит ротор.
Также из-за тормозящего поля падает и КПД двигателя. У однофазного двигателя такого же габарита, как и трех фазный мощность будет на одну треть меньше.
Представление об устройстве линейного асинхронного двигателя можно получить, если мысленно разрезать статор и ротор с обмотками обычного асинхронного двигателя вдоль оси по образующей и развернуть в плоскость. Образовавшаяся плоская конструкция представляет собой принципиальную схему линейного двигателя. Если теперь обмотки статора такого двигателя подключить к сети трехфазного переменного тока, то образуется магнитное поле, ось которого будет перемещаться вдоль воздушного зазора со скоростью V, пропорциональной частоте питающего напряжения f и длине полюсного деления t: V = 2tf. Это перемещающееся вдоль зазора магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке начнут протекать токи. Взаимодействие токов с магнитным полем приведет к появлению силы, действующей, по правилу Ленца, в направлении перемещения магнитного поля. Ротор — в дальнейшем будем называть его уже вторичным элементом — под действием этой силы начнет двигаться. Как и в обычном асинхронном двигателе, перемещение элемента происходит с некоторым скольжением относительно поля S = (V - v)/V, где v — скорость движения элемента. Номинальное скольжение линейного двигателя равно 2-6%. [1] Вторичный элемент линейного двигателя не всегда снабжается обмоткой. Одно из достоинств линейного асинхронного двигателя заключается в том, что в качестве вторичного элемента может использоваться обычный металлический лист. Вторичный элемент при этом может располагаться также между двумя статорами, или между статором и ферромагнитным сердечником. Вторичный элемент выполняется из меди, алюминия или стали, причем использование немагнитного вторичного элемента предполагает применение конструктивных схем с замыканием магнитного потока через ферромагнитные элементы. Принцип действия линейных двигателей со вторичным элементом в виде полосы повторяет работу обычного асинхронного двигателя с массивным ферромагнитным или полым немагнитным ротором. Обмотки статора линейных двигателей имеют те же схемы соединения, что и обычные асинхронные двигатели, и подключаются обычно к сети трехфазного переменного тока. Линейные двигатели очень часто работают в так называемом обращенном режиме движения, когда вторичный элемент неподвижен, а передвигается статор. Такой линейный двигатель, получивший название двигателя с подвижным статором, находит, в частности, широкое применение на электрическом транспорте. Например, статор неподвижно закреплен под полом вагона, а вторичный элемент представляет собой металлическую полосу между рельс, а иногда вторичным элементом служат сами рельсы. Одной из разновидностей линейных асинхронных двигателей являются трубчатый (коаксиальный) двигатель. Статор такого двигателя имеет вид трубы, внутри которой располагаются перемежающиеся между собой плоские дисковые катушки (обмотки статора) и металлические шайбы, являющиеся частью магнитопровода. Катушки двигателя соединяются группами и образуют обмотки отдельных фаз двигателя. Внутри статора помещается вторичный элемент также трубчатой формы, выполненный из ферромагнитного материала. При подключении к сети обмоток статора вдоль его внутренней поверхности образуется бегущее магнитное поле, которое индуцирует в теле вторичного элемента токи, направленные по его окружности. Взаимодействие этих токов с магнитным полем двигателя создает на вторичном элементе силу, действующую вдоль трубы, которая и вызывает (при закрепленном статоре) движение вторичного элемента в этом направлении. Трубчатая конструкция линейных двигателей характеризуется аксиальным направлением магнитного потока во вторичном элементе в отличие от плоского линейного двигателя, в котором магнитный поток имеет радиальное направление.
Синхронный линейный двигатель[править | править исходный текст]
Схема синхронного линейного двигателя.
Основной областью применения синхронных двигателей, где их преимущества проявляются особенно сильно, является высокоскоростной электрический транспорт. Дело в том, что по условиям нормальной эксплуатации такого транспорта необходимо иметь сравнительно большой воздушный зазор между подвижной частью и вторичным элементом. Асинхронный линейный двигатель имеет при этом очень низкий коэффициент мощности (cosφ), и его применение оказывается экономически невыгодным. Синхронный линейный двигатель, напротив, допускает наличие относительно большого воздушного зазора между статором и вторичным элементом и работает при этом с cosφ, близким к единице, и высоким КПД, достигающем 96%. Применение синхронных линейных двигателей в высокоскоростном транспорте сочетается, как правило, с магнитной подвеской вагонов и применением сверхпроводящих магнитов и обмоток возбуждения, что позволяет повысить комфортабельность движения и экономические показатели работы подвижного состава.
Синхронные машины (СМ)
На тепловозах с передачей мощности переменно-постоянного и переменного тока в качестве тяговых используют синхронные генераторы, первичными двигателями которых служат двигатели внутреннего сгорания (дизели). Их также используют в качестве вспомогательных машин на тепловозах, электровозах и в пассажирских вагонах.
Рис.3. Устройство синхронного генератора.
Статор является неподвижной частью синхронной машины (рис.3.а.) и состоит из корпуса и сердечника, в пазах которого располагается статорная обмотка, предназначенная для индуктирования в ней ЭДС. Сердечник статора набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, в которых вырубают пазы для укладки проводников обмотки статора. При помощи первичного двигателя ротор-индуктор вращается. Магнитное поле находится на роторе и вращается вместе с ним, поэтому скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля – отсюда название синхронная машина.
Рис.6. Генераторный режим работы синхронной машины.
При вращении ротора магнитный поток полюсов пересекает статорную обмотку и наводит в ней ЭДС по закону электромагнитной индукции: E = 4,44*f*w*kw*Ф, где:
f – частота переменного тока, Гц; w – количество витков; kw – обмоточный коэффициент; Ф – магнитный поток.
Частота индуктированной ЭДС (напряжения, тока) синхронного генератора: f = p*n/60, где:
р – число пар полюсов; п – скорость вращения ротора, об/мин.
Заменив: E = 4,44*(п*р/60)*w*kw*Ф и, определив: 4,44*(р/60)*w*kw – относится к конструкции машины и создаёт конструктивный коэффициент: C = 4.44*(р/60)*w*kw.
Тогда: Е = СЕ*п*Ф.
Таким образом, как и у любого генератора, основанного на законе электромагнитной индукции, индуктированная ЭДС пропорциональна магнитному потоку машины и скорости вращения ротора.
4.9. Обратимость синхронного генератора
Синхронные машины применяются также в качестве электрического двигателя, особенно в установках большой мощности (свыше 50 кВт)
Рис.7. Двигательный режим работы синхронной машины.
Для работы синхронной машины в режиме двигателя обмотку статора подключают к трёхфазной сети, а обмотку ротора к источнику постоянного тока. В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля машины с постоянным током обмотки возбуждения, возникает вращающий момент М, который увлекает его со скоростью магнитного поля.
Синхронные машины независимо от назначения их использования состоят из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося внутри него ротора. Ротор и статор разделены воздушным зазором.
Статор трехфазного синхронного электродвигателя аналогичен статору трехфазного асинхронного двигателя и содержит шихтованный цилиндрический сердечник с пазами на внутренней поверхности, в которых располагаются фазы трехфазной обмотки статора (рис. 2.132). Концы обмотки статора выведены на клеммную панель.
Ротор синхронного двигателя представляет собой электромагнит постоянного тока, который образует магнитное поле, вращающееся вместе с ротором. На роторе располагается обмотка возбуждения, концы которой через специальные кольца на роторе и неподвижные графитовые щетки подсоединены к источнику постоянного тока, называемому возбудителем.
Роторы синхронного двигателя бывают двух типов: с явно выраженными и неявно выраженными полюсами.
Роторы с явно выраженными полюсами (рис. 2.133) применяются в сравнительно тихоходных электродвигателях, число оборотов которых не превышает 1000 об/мин. Такие роторы, например, приводятся в действие тихоходными водяными турбинами ГЭС. На полюсах такого ротора размещаются катушки обмотки возбуждения. У синхронных двигателей с таким ротором витки пусковой короткозамкнутой обмотки типа «беличья клетка» закладываются в тело полюсов и по торцам замыкаются кольцами.
Ротор с неявно выраженными полюсами обладает повышенной динамической прочностью, так как выполняется из цельной стальной поковки цилиндрической формы (рис. 2.134). На внешней поверхности поковки фрезеруются пазы, в которые закладывается обмотка возбуждения.
Необходимо отметить следующее. Синхронные двигатели проектируют и изготавливают так, чтобы количество полюсов магнитного поля ротора и поля, создаваемого обмоткой статора, было одинаковым.
Поперечное сечение явнополюсного и неявнополюсного ротора с обмоткой возбуждения показано на рис. 2.135.
Условные графические обозначения синхронных двигателей с неявно выраженными полюсами приведен на рис. 2.136, а, с явно выраженными полюсами — на рис. 2.136, б.
Рис.2.135. Поперечное сечение явнополюсного (а) и неявнополюсного (б) роторов: 1 — сердечник; 2 — обмотка возбуждения.
Рис.2.136. Условные обозначения на схемах неявнополюсной (а) и явнополюсной (б) синхронной машины.
|
|
Синхронный двигатель может работать в качестве генератора и двигателя. Синхронный двигатель выполнен так же, как и синхронный генератор. Его обмотка якоря I (рис. 291, а) подключена к источнику трехфазного переменного тока; в обмотку возбуждения 2 подается от постороннего источника постоянный ток. Благодаря взаимодействию вращающегося магнитного поля 4, созданного трехфазной обмоткой якоря, и поля, созданного обмоткой возбуждения, возникает электромагнитный момент М (рис. 291,б), приводящий ротор 3 во вращение. Однако в синхронном двигателе в отличие от асинхронного ротор будет разгоняться до частоты вращения n = n1, с которой вращается магнитное поле (до синхронной частоты вращения). Объяс-
Рис. 291. Электрическая (а) и электромагнитная (б) схемы синхронного электродвигателя
няется это тем, что ток в обмотку ротора подается от постороннего источника, а не индуцируется в нем магнитным полем статора и, следовательно, не зависит от частоты вращения вала двигателя. Характерной особенностью синхронного двигателя является постоянная частота вращения его ротора независимо от нагрузки.
В синхронных машинах большой мощности отдельные части испытывают очень большие механические и электромагнитные нагрузки; по интенсивности нагрузок они превосходят все другие электрические машины. Поэтому в них выделяется большое количество теплоты, что требует применения весьма интенсивного охлаждения.
Стремление получить максимальную мощность в заданных габаритах или минимальные габариты при заданной мощности, характерное для проектирования всех электрических машин, в синхронных машинах привело к появлению своеобразных конструкций, сильно отличающихся друг от друга и определяемых в основном типом первичного двигателя.
По конструкции крупные синхронные машины подразделяют на турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы, синхронные компенсаторы и синхронные двигатели.
Типы синхронных машин и их устройство.
Синхронная машина состоит из неподвижной части — статора — и вращающейся части — ротора.
Статоры синхронных машин в принципе не отличаются от статоров асинхронных двигателей и состоят из корпуса, сердечника и обмотки.
Конструктивное исполнение статора синхронной машины может быть различным в зависимости от назначения и габаритов машины. Так, в многополюсных машинах большой мощности при наружном диаметре сердечника статора более 900 мм пластины сердечника делают из отдельных сегментов, которые при сборке образуют цилиндр сердечника статора. Корпуса статоров крупногабаритных машин делают разъемными, что необходимо для удобства транспортировки и монтажа этих машин.
Роторы синхронных машин могут иметь две принципиально различающиеся конструкции:
явнополюсную и неявнополюсную. В энергетических установках по производству
электроэнергии переменного тока в качестве первичных
(приводных) двигателей синхронных генераторов применяют в основном три вида двигателей: паровые турбины, гидравлические турбины либо двигатели внутреннего сгорания (дизели). Применение любого из перечисленных двигателей принципиально влияет на конструкцию синхронного генератора.
Если приводным двигателем является гидравлическая турбина, то синхронный генератор
называют гидрогенератором. Гидравлическая турбина обычно развивает небольшую частоту вращения (60—500 об/мин), поэтому для получения переменного тока промышленной частоты (50 Гц) в гидрогенераторе применяют ротор с большим числом полюсов. Роторы гидрогенераторов имеют явнополюсную конструкцию, т. е. с явно выраженными полюсами, при которой каждый полюс выполняют в виде отдельною узла, состоящего из сердечника 1,полюсного наконечника 2 и полюсной катушки 3. Все полюсы ротора закреплены на ободе 4, являющемся также и ярмом магнитной системы машины, в котором замыкаются потоки полюсов.
Гидрогенераторы обычно изготовляются с вертикальным расположением вала . Паровая турбина работает при большой частоте вращения, поэтому приводимый ею во вращение генератор, называемый турбогенератором.
Гидрогенератор
1 — корпус статора; 2 — сердечник
статора; 3 — полюс ротора; 4 —
обод ротора; 5 — грузонесущая
крестовина.
В процессе работы турбогенератора на его ротор действуют значительные центробежные силы. Поэтому по условиям механической
прочности в турбогенераторах применяют неявнополюсный ротор, имеющий вид удлиненного стального цилиндра.
Турбогенератор:
1 — возбудитель, 2 — корпус, 3 — сердечник
статора, 4 — секции водородного охлаждения, 5 —
ротор профрезерованными на поверхности
продольными пазами для обмотки возбуждения.
Сердечник неявнополюсного ротора изготовляют в виде цельной стальной поковки вместе с хвостовиками (концами вала) или же делают сборным. Обмотка возбуждения
неявнополюсного ротора занимает лишь 2/3 его поверхности (по периметру). Оставшаяся 1/3 поверхности образует полюсы. Для защиты лобовых частей обмотки ротора
от разрушения действием центробежных сил ротор с двух сторон прикрывают стальными бандажными кольцами (каппами), изготовляемыми обычно из немагнитной стали.
Турбогенераторы и дизельгенераторы изготовляют с горизонтальным расположением вала.
Дизельгенераторы рассчитывают на частоту вращения 600—1500 об/мин и выполняют с
явнополюсным ротором.
Большую группу синхронных машин составляют синхронные двигатели, которые обычно
изготовляются мощностью до нескольких тысяч киловатт и предназначены для привода мощных вентиляторов, мельниц, насосов и других устройств, не требующих регулирования частоты вращения.
Понятие о реакции якоря синхронного генератора
При холостом ходе генератора в машине имеется только магнитный поток ротора . При нагрузке, кроме потока ротора, появляется мдс статора и поток статора , который вращается с той же скоростью, что и ротор. Воздействие мдс статора на мдс ротора называется реакцией якоря. Следствием этого воздействия является изменение результирующего потока и результирующей эдс статора, а следовательно, потока и результирующей эдс статора.
Изучим электромагнитные реакции якорной обмотки при активной, индуктивной и ёмкостной нагрузках (рис. 2.15–2.17).
Чисто активная нагрузка. Для момента времени, изображённого на рис. 2.15, максимальная эдс будет в фазе А, так как проводники этой фазы в данный момент находятся под полюсами, т. е. на продольной оси dd. В этот момент эдс в других фазах будет иметь величину и направление, соответствующие звезде эдс на рис. 2.15, а.
Так как при чисто активной нагрузке , то векторы токов во всех фазах будут совпадать с векторами соответствующих эдс. Направление токов в обмотках на чертеже поперечного сечения машины (рис. 2.15, а) будет такое же, как и эдс. По правилу буравчика для статорной обмотки определяется направление результирующего потока якоря. Он замыкается по поперечной оси ротора qq. Последовательность всех электромагнитных процессов, вызывающих реакцию якоря, может быть представлена следующей схемой:
, (2.23)
где поперечный ток статора (ток статора, создающий поперечную реакцию якоря); , поперечная мдс и поперечный поток реакции якоря; поперечная эдс реакции якоря. Векторная диаграмма по этой схеме представлена на рис. 2.15. На векторной диаграмме условно показан ротор, продольная ось которого совмещена с векторами и . Векторы эдс и отстают от векторов, создающих их потоки, на угол .
а
|
|
б
|
|
Рис. 2.15. Реакция якоря при чисто активной нагрузке: а – векторная диаграмма эдс и направление токов в обмотке ротора; б – веторная диграмма действия мдс и поперечного потока при реакции якоря
Итак, при чисто активной нагрузке мдс реакции якоря является поперечной . На обегающей части полюса ротора она действует согласно с мдс ротора, а на набегающей – встречно, соответственно увеличивая магнитную индукцию в воздушном зазоре под полюсами.
Чисто индуктивная нагрузка. При чисто индуктивной нагрузке ток статора отстаёт от эдс на угол , как это показано на звезде эдс и токов (рис. 2.16).
|
|
|
Рис. 2.16. Реакция якоря при чисто индуктивной нагрузке: а – направление ток в обмотке ротора; б – определение максимального значения мдс; в – векторная диаграмма эдс, направление токов в обмотке ротора и поперечного потока при реакции якоря
Максимальная эдс в момент, соответствующий рис. 2.16, а, будет также в проводниках фазы А, однако ток в этой фазе . Направление тока в фазах В и C и результирующей мдс определяем как и в предыдущем случае. Результирующая мдс реакции якоря и поток действуют по продольной оси dd навстречу потоку ротора (рис. 2.16, б). Последовательность электромагнитных процессов
, (2.24)
где ток статора, создающий продольную реакцию (продольный ток якоря); и соответственно продольная мдс и продольный поток реакции якоря; продольная эдс реакции якоря. Векторная диаграмма по этой схеме представлена на рис. 2.16, в.
Чисто ёмкостная нагрузка. При ёмкостной нагрузке ток якоря I опережает эдс на угол , поэтому ток в фазах статора по сравнению с предыдущим случаем изменяет своё направление на обратное (рис. 2.17, а). Поток реакции якоря будет также замыкаться по продольной оси, но действовать согласно с потоком ротора.
На рис. 2.17, б представлены кривые мдс и векторная диаграмма при ёмкостной нагрузке. Как видим на рисунке, при чисто ёмкостной нагрузке мдс реакции якоря является продольной и намагничивающей.
б
|
|
а
|
|
в
|
|
Рис. 2.17. Реакция якоря при чисто ёмкостной нагрузке: а – направление ток в обмотке ротора; б – определение максимального значения мдс; в – векторная диаграмма эдс, направление токов в обмотке ротора и поперечного потока при реакции якоря
Общий случай нагрузки. При смешанной нагрузке генератора мдс реакции якоря будет действовать частично по продольной и частично по поперечной оси.
У явнополюсного генератора вектор мдс , направленный по току статора I (рис. 2.17, а), раскладываем на составляющие – продольную и поперечную:
; . (2.25)
Аналогично мдс раскладываем на продольную и поперечную составляющие ток статора:
; . (2.26)
Действие реакции якоря может быть изображено следующей схемой (рис. 2.18).
Рис. 2.18. Действие реакции якоря
В общем случае нагрузки реакцию якоря рассматривают как реакцию при чисто активной и чисто реактивной нагрузках.
Регулирование реактивной мощности синхронной машины, включенной в сеть
Регулирование реактивной мощности в энергосистемах имеет такое же важное значение, как и регулирование активной мощности. Реактивная мощность необходима для создания магнитных полей во многих электротехнических устройствах, работающих в энергосистеме. Регулирование реактивной мощности позволяет повысить перегрузочную способность этих устройств, поддерживать постоянство напряжения в сети, снизить ее перетоки по линиям и тем самым обеспечить устойчивую и экономичную работу энергосистемы.
Вернемся вновь к режиму холостого хода синхронной машины (рис. 5.34, а).
В этом режиме по обмотке возбуждения протекает ток , соответствующий по характеристике холостого хода напряжению сети . Увеличим ток возбуждения , тогда модуль ЭДС возрастет и возникнет ток
.
|
|
По отношению к напряжению синхронной машины ток будет индуктивным, а по отношению к напряжению сети - емкостным (рис. 5.34, б), поэтому синхронная машина вырабатывает и отдает в сеть реактивную мощность
.
При уменьшении тока возбуждения () модуль ЭДС снижается и фаза тока меняется на противоположную (рис. 5.34, в). В этом случае ток по отношению к напряжению синхронной машины является емкостным, а по отношению к напряжению сети - индуктивным. Следовательно, сеть является источником реактивной мощности, и синхронная машина ее потребляет.
Таким образом, изменение тока возбуждения синхронной машины обуславливает изменение в обмотке якоря реактивного тока и, следовательно, происходит регулирование реактивной мощности.
Синхронная машина, загруженная только реактивным током и не несущая активной нагрузки, называется синхронным компенсатором.
Регулирование реактивной мощности возможно при работе синхронной машины в режимах генератора и двигателя. Согласно векторным диаграммам (рис. 5.35), в генераторном режиме при увеличении тока возбуждения (рис. 5.35, а) синхронная машина отдает в сеть реактивную мощность, а при уменьшении тока возбуждения (рис. 5.35, б) потребляет из сети реактивную мощность.
Аналогичные явления имеют место и в двигательном режиме (рис. 5.36).
|
|
При увеличении тока возбуждения (рис. 5.36, а) синхронный двигатель отдает в сеть реактивную мощность, а при уменьшении (рис. 5.36, б) - потребляет реактивную мощность.
Активная мощность при этом как в двигательном, так и в генераторном режимах, не меняется.
Возможность плавного регулирования реактивной мощности в широких пределах является важным преимуществом синхронных машин перед асинхронными.
Регулирование активной мощности синхронной машины, включенной в сеть
После включения в сеть методом точной синхронизации синхронная машина работает в режиме холостого хода (). ЭДС находится в противофазе с напряжением сети (рис. 5.33, а). Для того, чтобы синхронная машина отдавала в сеть активную мощность, необходимо увеличить внешний момент на валу в направлении вращения ротора. Тогда ротор начнет ускоряться. Вектор сместится на угол q в направлении вращения ротора и возникнет ЭДС , под действием которой потечет ток
.
При этом вектор напряжения синхронной машины
сохранит свое положение в противофазе с вектором напряжения сети (рис. 5.33, б).
|
|
Проекция тока статора на напряжение положительна, а на напряжение отрицательна, поэтому активная мощность
будет вырабатываться синхронной машиной и отдаваться в сеть. Синхронная машина работает в режиме генератора. Соответствующий активной мощности электромагнитный момент
будет действовать против направления вращения ротора. При равенстве моментов
увеличение угла q прекратится и ротор вновь будет вращаться с синхронной частотой.
Если к валу двигателя приложить внешний момент в направлении против вращения ротора, то ротор начнет тормозиться. Вектор сместится на угол q в отрицательном направлении (против направления вращения). Под действием возникшей ЭДС потечет ток
,
проекция которого на вектор напряжения синхронной машины будет отрицательной, а на вектор напряжения сети - положительной (рис. 5.33, в). Следовательно, направление потока активной мощности изменится на обратное.
Синхронная машина переходит в режим двигателя, потребляя из сети активную мощность. Развиваемый ею электромагнитный момент будет действовать в направлении вращения ротора. При равенстве моментов торможение ротора прекратится, и он вновь будет вращаться с синхронной частотой.
Таким образом, синхронная машина обладает свойством саморегулирования (автоматического поддержания синхронной частоты вращения).
U-образная характеристика. Это зависимость тока статора от тока возбуждения ротора I=ƒ(Iв), когда момент на валу двигателя М= const.
Рис.2.150. Векторные диаграммы для фазы обмотки статора синхронного двигателя при разных токах.
Рис.2.151. U-образные характеристики синхронного двигателя.
Допустим, что двигатель работает при напряжении статора Uc = const и угловой скорости ω = const. Тогда из формулы (12) при постоянстве момента
M=(3UcE0sinΘ)/(ωXсин)=const
следует
E0sinΘ=const (13)
Полученное соотношение показывает, что при любом токе возбуждения ротора Iв (любой ЭДС Е0) все проекции вектора E0 на линию, перпендикулярную вектору Uс, одинаковы. Следовательно, годографом вектора E0 является прямая а-b, параллельная вектору Uc и отстоящая от него на расстоянии E0sinΘ. На рис. 2.150 построены векторные диаграммы двигателя при трех различных токах возбуждения. При большей ЭДС E03 (перевозбуждение машины и наименьший угол Θ3) ток статора I3 опережает напряжение Uc на угол φ3 т е. двигатель ведет себя как реактивный емкостной элемент. Поэтому двигатель потребляет из сети (вернее отдает) емкостную реактивную отрицательную мощность
Q1=Qc=3UcI3sinφ3<0 (14)
Этот режим работы двигателя весьма ценен, так как его емкостной ток статора компенсирует индуктивные токи в сети от большинства других потребителей и тем самым улучшает cosφ всей сети.
При меньшей ЭДС E02 ток статора I2 совпадает по фазе с напряжением Uc (в этом случае угол Θ2 > Θ3) и двигатель работает как активный элемент, потребляя из сети только активную электрическую мощность. Ток возбуждения, при котором cosφ = 1 обычно считается номинальным Iвн. И, наконец, при самой маленькой ЭДС E01 < Uc (недовозбуждение машины и самый большой угол Θ1) двигатель работает с отстающим током статора I1, который имеет индуктивную составляющую. Поэтому потребляемая двигателем из сети реактивная мощность положительна
Q1=QL=3UcI1sinφ1>0 (15)
Таким образом, как при уменьшении, так и при увеличении тока возбуждения Iв по сравнению с номинальным изменяется величина ЭДС E0, а значения тока статора I и фазового угла φ увеличиваются. При этом также меняется характер потребляемой двигателем электрической мощности из сети. Поэтому зависимости I = ƒ(Iв) имеют вид буквы U и называются U-образными. Их строят при условии Uc=const, M=const (P=const). Каждый двигатель имеет семейство U-образных характеристик для различных значений момента М и мощности P(рис.2.151).
Работа генератора с неизменным моментом. Неизменность внешнего момента на валу генератора эквивалентна неизменности его мощности Р = mUIa cos φ. При работе на сеть большой мощности U = Uс = const, следовательно, при изменении тока возбуждения остается постоянной активная составляющая тока якоря Ia cos φ = const. На векторной диаграмме (рис. 6.35, б) это условие выражается в том, что конец вектора Íа скользит по прямой АВ, перпендикулярной вектору напряжения Ú. Однако при неизменной мощности (для машины с неявновыраженными полюсами) справедливо условие
|
Рис. 6.36. U-образные характеристики синхронного генератора |
Р = (mЕ0U/Xсн )sinθ = const. При изменении тока возбуждения остаются неизменными все величины, кроме Е0 и sin θ; следовательно, условие неизменной мощности приводит к условию Е0 sin θ = const. На диаграмме это условие выражается в том, что конец вектора É0 скользит по прямой CD, параллельной вектору напряжения Ú. Чем меньше ток возбуждения, тем меньше по модулю вектор É0, но больше угол θ. Вектор тока Iа перпендикулярен вектору падения напряжения jÍа Xсн , поэтому его можно легко построить для каждого угла θ. На рис. 6.35,б показаны положения векторов É0, Íа и jÍа Xсн для трех значений тока Iв (эти векторы имеют индексы 1,2 и 3). Минимальному значению тока Iа соответствует режим работы при cos φ = 1. Чему соответствует определенный ток возбуждения. При увеличении тока возбуждения свыше этого значения или его уменьшения ток Iа возрастает. Зависимость тока якоря от тока возбуждения, называемая U-образной характеристикой, представлена на рис. 6.36. Для каждой мощности имеется вполне определенный ток возбужде-ния, которому соответствует минимум тока якоря. Чем больше мощность, тем больше ток возбуждения, соответствующий минимальному току якоря. Штриховая кривая, проведенная через точки минимумов, соответствует режимам работы генератора с cos φ = 1.
Электромагнитный момент. В синхронных машинах большой и средней мощности потери мощности в обмотке якоря ΔРа эл = mIa2Ra малы по сравнению с электрической мощностью Р, отдаваемой (в генераторе) или потребляемой (в двигателе) обмоткой якоря. Следовательно, если пренебречь величиной ΔРа эл, то можно считать, что электромагнитная мощность машины Рэм = Р. Электромагнитный момент пропорционален мощности Рэм, поэтому для неявнополюсной и явнополюсной машин соответственно
|
М = Рэм/ω1 = [mUE0/(ω1Xсн )] sin θ; |
(3.35)
(3.36)
|
М = Рэм /ω1 = [mUE0 /(ω1 Xd )] sinθ + [mU2/(2ω1 )] (1/Xq - 1/Xd ) sin 2θ. |
|
Рис. 6.38. Угловые характеристики явнополюсной и неявнополюсной машин |
|
Рис. 6.39. Характер взаимодействия машине |
При неявнополюсной машине зависимость М = f(θ) представляет собой синусоиду, симметричную относительно осей координат (рис. 6.38, кривая 1). При явнополюсной машине из-за неодинаковой магнитной проводимости по различным осям (Хd ≠ Xq ) возникает реактивный момент
(6.37)
|
Мр = [mU2 /(2ω1 )] (1/Хq - 1/Хd ) sin 2θ |
Он появляется в результате стремления ротора ориентироваться по оси результирующего поля, что несколько искажает синусоидальную зависимость М = f(θ) (кривая 2). Реактивный момент возникает даже при отсутствии тока возбуждения (когда Е0 = 0); он пропорционален sin 2θ (кривая 3). Так как электромагнитная мощность Рэм пропорциональна моменту, то приведенные на рис. 6.38 характеристики в другом масштабе представляют собой зависимости Рэм = f (θ) или при принятом предположении (ΔРа эл = 0) — зависимости Р = f (θ). Кривые М = f (θ) и Рэм = f (θ) называют угловыми характеристиками.
Физически полученная форма кривой М =f (θ) обусловлена тем, что потоки Фв и ΣФ сдвинуты между собой на тот же угол θ, на который сдвинуты векторы É0 и Ú (векторы Фв и ΣФ опережают É0 и Ú на 90°). Поэтому если угол θ = 0 (холостой ход), то между ротором и статором существуют только силы притяжения f, направленные радиально (рис. 6.39, а),и электромагнитный момент равен нулю.
При θ > 0 (генераторный режим) ось потока возбуждения Фв (полюсов ротора) под действием вращающего момента Мвн опережает ось суммарного потока ΣФ на угол θ (рис. 6.39, б), вследствие чего электромагнитные силы, возникающие между ротором и статором, образуют тангенциальные составляющие, которые создают электромагнитный тормозной момент М. Максимум момента соответствует значению θ = 90°, когда ось полюсов ротора расположена между осями «полюсов» суммарного потока ΣФ. При θ < 0 (двигательный режим) ось потока возбуждения под действием тормозного момента нагрузки Мвн отстает от оси суммарного потока (рис. 6.39, в), вследствие чего тангенциальные составляющие электромагнитных сил, возникающие между ротором и статором, создают электромагнитный вращающий момент М.
Электромагнитная мощность.
Для более подробного изучения свойств синхронной машины, работающей параллельно с мощной сетью, найдем, от чего зависит ее электромагнитная мощность. Обозначим эту мощность через Рэм. Для генератора она равна полной электрической мощности обмотки статора, состоящей из электрической мощности Р = mUсоsφ, отдаваемой генератором в сеть, и электрических потерь в обмотке тI2rа, т. е. Рэм = Р + тI2rа.
Электромагнитная мощность Рэм передается статору через вращающееся поле. Она получается в результате преобразования части механической мощности, подведенной к валу генератора. Другая часть этой механической мощности расходуется на механические и магнитные потери.
Пренебрежем электрическими потерями, в обмотке статора. Тогда будем иметь: Рэм = Р. Упрощенная диаграмма синхронного генератора при Ira = 0 показана на рис. 4-63 (ср. с рис. 4-27). Из этой диаграммы получаем, проектируя векторы напряжений на направление и умножая проекции на mI:
. (4-67)
Согласно диаграмме в машине имеют место два магнитных потока (рис. 4-63), сцепляющихся с обмоткой статора: поток , созданный н.с. обмотки возбуждения и индуктирующий э.д.с. , и поток статора ,созданный н.с. обмотки статора и обусловливающий синхронное индуктивное сопротивление обмотки статора хc.
Рис. 4-63. Диаграмма синхронного генератора
(к выводу уравнения дня электромагнитной мощности).
В действительности с обмоткой статора сцепляется только один результирующий поток , созданный совместным действием н. с. ротора и статора. Он наводит в обмотке статора э.д.с. , которая остается при параллельной работе с мощной сетью неизменной. Следовательно, также остается неизменным.
На рис. 4-63 показано, что при работе генератора с нагрузкой результирующий поток отстает от потока на угол θ, так же как относительно . Этому временному сдвигу фаз соответствует такой же пространственный сдвиг между осью результирующего поля машины и осью полюсов, т. е. между пространственными векторами Fв и Fр (в общем случае при р парах полюсов пространственный угол меньше временного в р раз; на рис. 4-63 р = 1).
Покажем, что угол θ определяет активную мощность синхронной машины, которая будет наибольшей при θ = 90°, что является характерным свойством синхронной машины.
Зависимость электромагнитной мощности Рэм или электромагнитного момента от угла θ найдем при помощи диаграммы рис. 4-63.
Из нее имеем:
. (4-68)
Подставляя в (4-57) найденное значение cosφ, получим:
(4-69)
и соответственно
. (4-70)
Из этого уравнения следует, что электромагнитный вращающий момент зависит от угла θ, напряжения U, синхронного индуктивного сопротивления xс и от Е0, т. е. от возбуждения Fв, причем хс и Е0 соответствуют здесь ненасыщенной машине.
Электромагнитный момент в синхронной машине действует всегда в направлении уменьшения угла θ, т. е. стремится, поставить ротор так, чтобы ось полюсов совпадала с осью поля.
Угловой характеристикой синхронной машины называют зависимость при постоянных токе возбуждения, напряжении и частоте сети (,, ). Знание этой характеристики позволяет установить ряд важных свойств синхронной машины, определяющих устойчивость ее работы параллельно с сетью.
Найдем эту зависимость для синхронной машины с явнополюсным ротором, полагая, что сопротивление якоря равно нулю () и машина не насыщена.
Активная мощность синхронной машины определяется выражением
.
|
|
Для преобразования этого выражения в искомую зависимость воспользуемся векторной диаграммой синхронной машины, включенной в мощную сеть с напряжением и и работающей в режиме генератора с выдачей реактивной мощности в сеть (рис. 5.37).
Согласно векторной диаграмме
.
С учетом этого соотношения выражение для активной мощности преобразуется к виду
.
Учитывая, что
, ,
выразим активную мощность через продольную и поперечную составляющие тока якоря:
.
Из векторной диаграммы находим выражения для продольной и поперечной составляющих тока якоря:
; .
Подставляя эти выражения в формулу для активной мощности, получим
.
Если синхронная машина имеет неявнополюсный ротор (), то второе слагаемое обращается в нуль и
.
Согласно этому выражению угловая характеристика неявнополюсной машины является синусоидальной функцией угла q (рис. 5.38). При мощность , машина работает в генераторном режиме. При мощность , машина работает в режиме двигателя. При синхронная машина развивает максимальную по модулю мощность
.
Величина максимальной мощности прямо пропорциональна току возбуждения (определяющему ЭДС ) и обратно пропорциональна полному индуктивному сопротивлению якоря по продольной оси . При проектировании синхронной машины сопротивление выбирают так, чтобы при номинальном токе возбуждения кратность максимального момента была не менее 1,7,
|
|
.
|
|
Выражение для угловой характеристики явнополюсной синхронной машины содержит составляющую, зависящую от (рис. 5.39). Эта составляющая обусловлена магнитной несимметрией ротора и появлением в связи с этим в явнополюсной машине чисто магнитного вращающего момента из-за стремления ротора ориентироваться по оси магнитного поля (подобно магнитной стрелке компаса). Этот эффект существует даже при отсутствии возбуждения ().
Синхронные машины, работающие без возбуждения, называются реактивными. Они имеют небольшую мощность (несколько киловатт). С целью повышения мощности в них стремятся конструктивными мерами увеличить разницу между сопротивлениями и , так чтобы отношение . В синхронных машинах нормального исполнения отношение . Поэтому амплитуда второй гармоники мощности не превышает 25% от амплитуды первой гармонической составляющей.
Условия статической устойчивости. Угловая характеристика синхронной машины имеет важное значение для оценки статической устойчивости и степени перегружаемости. Под статической устойчивостью синхронной машины, работающей параллельно с сетью, понимают ее способность сохранять синхронное вращение (т. е. условие п2 = п1 ) при изменении внешнего вращающего или тормозного момента Мвн , приложенного к ее валу. Статическая устойчивость обеспечивается только при углах θ, соответствующих М < Мmах .
Допустим, что синхронный генератор работает при некотором внешнем моменте Мвн , передаваемом его ротору от первичного двигателя. При этом ось полюсов ротора сдвинута на некоторый угол в относительно оси суммарного потока ΣФ и машина развивает электромагнитный момент М, который можно считать равным Мвн (точки А и С на рис. 6.40, а).Если момент Мвн возрастает, то ротор генератора ускоряется, что приводит к увеличению угла θ до значения θ + Δθ. При работе машины в точке А возрастание угла в вызывает увеличение электромагнитного момента до значения М + ΔM (точка В); в результате равновесие моментов, действующих на вал ротора, восстанавливается и машина после некоторого колебательного процесса продолжает работать с синхронной частотой вращения.
Аналогичный процесс происходит и при уменьшении Мвн ; при этом соответственно уменьшаются угол θ и момент М, а следовательно, равновесие моментов также восстанавливается. Однако если машина работает при π/2 < θ < π (точка С), то увеличение угла θ вызывает уменьшение электромагнитного момента до значения М - ΔМ (точка D). В результате равновесие моментов, действующих на вал ротора, нарушается, ротор продолжает ускоряться, а угол в возрастать. Возрастание угла θ может привести к двум результатам: 1) машина переходит в точку устойчивой работы (аналогичную точке А) на последующих положительных полуволнах; 2) ротор по инерции проскакивает устойчивые положения, при этом происходит выпадение из синхронизма, т. е. ротор начинает вращаться с частотой, отличающейся от частоты вращения магнитного поля статора.
|
Рис. 6.40. Угловые характеристики при различных значениях |
Выпадение из синхронизма является аварийным режимом, так как оно сопровождается прохождением по обмотке якоря больших токов. Это объясняется тем, что ЭДС генератора E и напряжение сети Uc при указанном режиме могут складываться по контуру «генератор — сеть», а не вычитаться, как при нормальной работе. Если внешний момент по какой-либо причине снижается, то при работе машины в точке С угол θ уменьшается, электромагнитный момент возрастает, что приводит к дальнейшему уменьшению угла θ и переходу к работе в устойчивой точке А. Из рассмотрения рис. 6.40, а следует, что синхронная машина работает устойчиво, если dM/dθ > 0, и неустойчиво, если dM/dθ < 0; чем меньше угол θ, тем больший запас по устойчивости имеет машина. Если машина работает в установившемся режиме при некотором угле θ, то малое отклонение Δθ от этого угла сопровождается возникновением момента
(6.38)
ΔМ = (dM/dθ)Δθ,
который стремится восстановить исходный угол θ. Этот момент называют синхронизирующим. Ему соответствует понятие синхронизирующей мощности
(6.39)
ΔPэм = (dPэм /dθ)Δθ.
Производные dM/dθ и dPэм /dθ называют соответственно удельным синхронизирующим моментом и удельной синхронизирующей мощностью (иногда их называют коэффициентами синхронизирующего момента и синхронизирующей мощности). При неявнополюсной машине dM/dθ = Mmax cos θ; dPэм /dθ = Pэм max cos θ. Удельный синхронизирующий момент имеет максимальное значение при θ = 0 — с возрастанием θ он уменьшается; при θ = π/2 он равняется нулю, поэтому синхронные машины обычно работают с θ = 20 ÷ 35°, что соответствует двукратному или несколько большему запасу по моменту. Статическая перегружаемостъ синхронной машины оценивается отношением
(6.40)
kп = Mmax /Mном = Рmax /Рном .
Согласно ГОСТу это отношение для мощных генераторов должно быть не менее 1,6—1,7, а для синхронных двигателей большой и средней мощности — не менее 1,65.
Влияние тока возбуждения на устойчивость. Устойчивость генератора при заданном значении активной мощности, от-даваемой в сеть, зависит от тока возбуждения. При увеличении тока возбуждения возрастает ЭДС E0, а следовательно, и момент Мmах ; при этом увеличивается устойчивость машины.
На рис. 6.40, б изображены угловые характеристики при различных токах возбуждения (при различных E0), откуда следует, что чем больше ток возбуждения, тем меньше угол в при заданной нагрузке, а следовательно, тем больше отношение Мmах /Мном и перегрузочная способность генератора.
Обычно электрическая сеть, на которую работают синхронные генераторы, является для них активноиндуктивной нагрузкой (генераторы отдают как активную Р, так и реактивную Q мощности). При этом синхронные генераторы должны работать с некоторым перевозбуждением, обеспечивающим повышение перегрузочной способности. Так, например, согласно ГОСТу в синхронных генераторах при номинальном режиме ток Íа должен опережать напряжение сети Úc (т. е. отставать от напряжения Ú и иметь cos φ = 0,8. Однако если сеть создает активно-емкостную нагрузку (например, из-за подключения к ней большого числа статических или вращающихся компенсаторов), то генератор для поддержания стабильного напряжения работает с недовозбуждением, т. е. при токе Ia , опережающем напряжение U. Такой режим неблагоприятен для него, так как с уменьшением тока возбуждения при заданной активной мощности Р возрастает угол θ и снижается перегрузочная способность Мmах /Мном , определяющая устойчивость машины.
Регулирование тока возбуждения. В современных синхронных генераторах широко применяют автоматическое регулирование тока возбуждения для стабилизации напряжения при изменении нагрузки и повышения статической и динамической устойчивости. Для этого генераторы большой мощности снабжают регуляторами сильного действия, которые реагируют не только на отклонение напряжения U от установленного значения, но и на производные во времени dU/dt и dIa/dt; последняя производная определяется изменениями угла нагруз¬ки dθ/dt.
Компаундированные системы возбуждения. В современных синхронных генераторах широко применяют компаундирование, т. е. автоматическое изменение тока возбуждения при изменении тока нагрузки генератора. В генераторах малой и средней мощности используют систему фазового компаундирования (рис. 6.41). В этой системе обмотка возбуждения 2 генератора получает питание от обмотки якоря 1 через полупроводниковый выпрямитель 6. Ко входу выпрямителя подключены параллельно вторичные обмотки двух трансформаторов 3 и 5, первичные обмотки которых включены соответственно параллельно и последовательно с обмоткой якоря 1. Последовательно с вторичной обмоткой трансформатора 3 включен реактор 4.
На рис. 6.42, а приведена упрощенная схема замещения рассматриваемой системы при условии, что внутренние сопротивления трансформаторов 3 и 5 (см. рис. 6.41) и выпрямителя 6 равны нулю. Из нее следует:
(6.41)
Í'в = Íu + Íi ,
(6.42)
Úu = Í'в R'в + jÍu XL ,
где Í'в — ток на входе в выпрямитель 6; Iu и Ii — выходные токи трансформаторов 3 и 5; Uu — выходное напряжение трансформатора 3; XL — индуктивное сопротивление реактора 4; R'в — сопротивление обмотки возбуждения, приведенное к входу выпрямителя 6.
Из (6.41) и (6.42) имеем
(6.43)
Úu = Í'в R'в + j(I'в - Íi )XL ,
откуда
(6.44)
Í'в = (Úu+ jÍi XL)/(R'в + jXL) = U'в /(R'в + jXL).
|
Рис. 6.41. Принципиальная схема системы фазового компаундирования |
|
Рис. 6.42. Схема замещения (в) и векторная диаграмма (б) системы фазового компаундирования |
Так как напряжение Uu пропорционально и совпадает по фазе с напряжением генератора U (рис. 6.42, б), а ток Ii — пропорционален и совпадает по фазе с током якоря генератора Iа, то напряжение на входе выпрямителя U'в , а следовательно, и ток возбуждения Iв автоматически изменяются при изменении напряжения генератора U, его тока нагрузки Iа и угла сдвига фаз φ между ними. Путем подбора коэффициентов трансформации трансформаторов 3 и 5 и индуктивности реактора 4 (его часто выполняют с подмагничиванием) можно обеспечить стабилизацию выходного напряжения генератора при изменении в широких пределах тока нагрузки и угла сдвига фаз между током и напряжением. Практически из-за насыщения магнитной системы и других причин система фазового компаундирования поддерживает напряжение U = const с точностью порядка ± 5 %. В некоторых схемах фазового компаундирования трансформаторы 3 и 5 объединяют в общий трансформатор с двумя первичными и одной вторичной обмоткой, подключенной к выпрямителю 6.
Самовозбуждение синхронного генератора в рассматриваемой системе осуществляется за счет потока остаточного магнетизма (см. более подробно § 8.8). Однако вследствие нелинейного сопротивления выпрямителя (оно увеличивается при малых токах) и других причин индуцируемая этим потоком в обмотке якоря ЭДС может оказаться недостаточной для обеспечения процесса самовозбуждения. В этом случае необходимо применять дополнительные меры для самовозбуждения генератора. К числу этих мер относятся: подключение обмотки возбуждения на период пуска генератора к внешнему источнику постоянного тока небольшой мощности, увеличение потока остаточного магнетизма путем установки на полюсах машины магнитных прокладок или применение резонансного контура.
Для получения резонансного контура на вход выпрямителя можно подключить конденсаторы 7 (см. рис. 6.41), емкость которых подбирают так, чтобы при п < пном возникал режим резонанса напряжений. В этом случае напряжение на конденсаторах 7, т. е. на входе выпрямителя, резко возрастает, благодаря чему обеспечивается процесс самовозбуждения. При п = пном условия резонанса нарушаются и конденсаторы не оказывают влияния на работу схемы.
Для генераторов малой и средней мощности система фазового компаундирования обеспечивает достаточную точность стабилизации напряжения. Однако в генераторах значительной мощности применяют обычно дополнительное регулирование посредством корректора напряжения. Один из вариантов системы компаундирования с корректором напряжения представлен на рис. 6.43. В этой системе обмотка возбуждения 2 синхронного генератора получает питание от возбудителя, который имеет две обмотки возбуждения 4 и 5. Обмотка 4 подключена через регулировочный реостат 6 к якорю 3 возбудителя и, кроме того, через выпрямитель 9 ко вторичной обмотке трансформатора 7. Первичная обмотка этого трансформатора включена последовательно с якорем 1 генератора. Поэтому при увеличении тока нагрузки генератора возрастает ток в обмотке 4 возбудителя, а следовательно, и его напряжение и ток возбуждения генератора, т. е. осуществляется компаундирование. Степень компаундирования может изменяться посредством реостата 8.
Дополнительное более точное регулирование осуществляется с помощью корректора напряжения 11, который подает питание на обмотку возбуждения 5. Он подключен посредством трансформатора 10 к обмотке якоря генератора, а посредством реостата 8 ко вторичной обмотке трансформатора 7. В результате корректор реагирует на изменения напряжения и тока нагрузки генератора и изменяет соответствующим образом ток в обмотке возбуждения 5. Корректор напряжения представляет собой регулятор напряжения, выполненный на транзисторах или магнитных усилителях. Точность стабилизации напряжения генератора в такой системе достигает ±2% при изменении в широких пределах его тока нагрузки и cosφ.
|
Рис. 6.43. Система возбуждения с токовым компаундированием и корректором напряжения |
|
Рис. 6.44. Изменение тока возбуждения и напряжения возбудителя при форсировке |
Форсировка возбуждения. Для удержания синхронной машины в синхронизме при снижении напряжения в сети, к которой подключена машина (это может произойти при удаленных коротких замыканиях), применяют форсировку ее тока возбуждения. Форсировка осуществляется автоматически релейной защитой, которая управляет контактными аппаратами, замыкающими накоротко резисторы или реостаты, включенные в цепь обмотки возбуждения возбудителя генератора (например, реостат 6 на рис. 6.43) или подвозбудителя. Согласно ГОСТу эффективность форсировки возбуждения характеризуется кратностью предельного установившегося напряжения возбудителя kф.в , под которой понимается отношение наибольшего установившегося напряжения возбудителя Uв mах к номинальному напряжению возбуждения Uв ном (рис 6.44), а также скоростью нарастания напряжения возбудителя duв /dt на участке от точки 1 до точки 2, определяемой по формуле
|
duв /dt = (1-1/e) |
Uвmax - Uвном |
|
Uвном tв |
При пуске двигателя в ход должны по возможности удовлетворяться следующие основные требования: процесс пуска должен быть простым и осуществляться без сложных пусковых устройств, пусковой момент должен быть достаточно большим, а пусковые токи — по возможности малыми. Иногда к этим требованиям добавляются и другие, обусловленные особенностями конкретных приводов, в которых используются двигатели: необходимость плавного пуска, наибольшего пускового момента и пр. Практически используются следующие способы пуска: непосредственное подключение обмотки статора к сети (прямой пуск); понижение напряжения, подводимого к обмотке статора при пуске; подключение к обмотке ротора пускового реостата.
Прямой пуск применяется для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Двигатели этого типа малой и средней мощности обычно проектируют так, чтобы при непосредственном подключении обмотки статора к сети возникающие пусковые токи не создавали чрезмерных электродинамических усилий и превышений температуры, опасных с точки зрения механической и термической прочности основных элементов машины. Однако при прямом пуске двигателей большой мощности, особенно при подключении их к недостаточно мощным электрическим сетям, могут возникать чрезмерно большие падения напряжения (свыше 10—15%). В этом случае прямой пуск для двигателей с короткозамкнутым ротором не применяют и пускают их при пониженном напряжении.
Прямой пуск асинхронного двигателя широко применяют в технике. Недостатками его являются большой пусковой ток и сравнительно небольшой пусковой момент.
Пуск при пониженном напряжении применяется для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором большой мощности, а также для двигателей средней мощности при недостаточно мощных электрических сетях. Понижение напряжения осуществляется следующими способами:
переключением обмотки статора при пуске с рабочей схемы «треугольник» на пусковую схему «звезда». В этом случае фазное напряжение, подаваемое на обмотку статора, уменьшается в ?З раз, что обусловливает уменьшение фазных токов в ?З раз и линейных токов в 3 раза. По окончании процесса пуска и разгона двигателя до номинальной частоты вращения обмотку статора переключают обратно на схему «треугольник»;
включением в цепь обмотки статора на период пуска добавочных резисторов или реакторов. При этом на указанных аппаратах создаются некоторые падения напряжения ?U, пропорциональные пусковому току, вследствие чего к обмотке статора будет приложено пониженное напряжение U1 — ?U. По мере увеличения частоты вращения ротора двигателя уменьшается э. д. с, индуцированная в обмотке ротора, а следовательно, и пусковой ток. В результате этого уменьшается падение напряжения ?U и автоматически возрастает приложенное к двигателю напряжение;
подключением двигателя к сети через понижающий автотрансформатор. Последний может иметь несколько ступеней, которые в процессе пуска двигателя переключаются соответствующей аппаратурой.
Недостатком всех указанных способов является значительное уменьшение пускового и наибольшего моментов двигателя, которые пропорциональны квадрату приложенного напряжения. Поэтому они могут применяться только при пуске двигателя без нагрузки.
Пуск с помощью пускового реостата применяется для двигателей 1 с фазным ротором (рис. 265, а). Пусковой реостат 2 обычно имеет четыре — шесть ступеней, что позволяет в процессе пуска постепенно уменьшать пусковое сопротивление Rп, поддерживая высокое значение пускового момента на все время, разгона двигателя. При пуске предварительно устанавливают пусковой реостат в положение, при котором он имеет максимальное
Рис. 265. Схема включения асинхронного двигателя с пусковым реостатом (а) и механические характеристики двигателя при пуске (б)
сопротивление Rп4 = Rп max, после чего подключают обмотку статора к сети трехфазного тока. При этом двигатель пускается по характеристике 4 (рис. 265,б) и развивает в начале пуска вращающий момент Mпmax.
По мере увеличения частоты вращения ротора вращающий момент двигателя, как видно из его механической характеристики, уменьшается и может стать меньше некоторого момента Mп min. Поэтому при уменьшении вращающего момента до Mп min часть сопротивления пускового реостата выводят. При этом вращающий момент двигателя возрастает до Mп max, а затем с увеличением частоты вращения будет изменяться по характеристике 3, полученной при сопротивлении пускового реостата Rп3 < Rп4. При дальнейшем уменьшении вращающего момента до Mп min часть сопротивления реостата снова выключается, и двигатель переходит на работу по характеристике 2, соответствующей сопротивлению Rп2 < Rп3.
Таким образом, в процессе пуска двигателя сопротивление пускового реостата постепенно (ступенями) уменьшают и вращающий момент двигателя изменяется в пределах от Mп max до Mп min по ломаной кривой, показанной на рис. 265, б жирной линией. В конце пуска пусковой реостат полностью выводят, обмотка ротора двигателя замыкается накоротко и двигатель переходит на работу по естественной характеристике 1. Отдельные ступени пускового реостата в процессе разгона двигателя могут выключаться вручную или автоматически. Таким образом, путем включения реостата в цепь обмотки ротора можно осуществить пуск двигателя при Mп ? Mп max и резко уменьшить пусковой ток.
Недостатком этого способа является относительная сложность пуска, возникновение потерь энергии в пусковом реостате и необходимость применения более сложных и дорогих двигателей с фазным ротором. Кроме того, эти двигатели имеют несколько худшие рабочие характеристики, чем двигатели с короткозамкнутым ротором такой же мощности (кривые ? и cos?1 идут у них ниже). В связи с этим двигатели с фазным ротором применяют только при тяжелых условиях пуска (когда необходимо развивать максимально возможный пусковой момент), при малой мощности электрической сети или при необходимости плавного регулирования частоты вращения.
Метод асинхронного пуска. Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока, электромагнитный момент будет дважды изменять свое направление, т. е. средний момент за период равняется нулю. При этих условиях двигатель не сможет прийти во вращение, так как его ротор, обладающий определенной инерцией, не может быть в течение одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.
В настоящее время для этой цели применяют метод асинхронного пуска. При этом методе синхронный двигатель пускают как асинхронный, для чего его снабжают специальной коротко-замкнутой пусковой обмоткой, выполненной по типу «беличья клетка». Чтобы увеличить сопротивление стержней, клетку изготовляют из латуни. При включении трехфазной обмотки статора в сеть образуется вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с током Iпв пусковой обмотке (рис. 6.48, а), создает электромагнитные силы F и увлекает за собой ротор. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм.
Применяют две основные схемы пуска синхронного двигателя. При схеме, изображенной на рис. 6.48, б,обмотку возбуждения сначала замыкают на гасящий резистор, сопротивление которого Rдоб превышает в 8 — 12 раз активное сопротивление Rв обмотки возбуждения. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной (при s ≈ 0,05), обмотку возбуждения отключают от гасящего резистора и подключают к источнику постоянного тока (возбудителю), вследствие чего ротор втягивается в синхронизм. Осуществить пуск двигателя с разомкнутой обмоткой возбуждения нельзя, так как во время разгона ротора при s > 0 в ней вращающимся магнитным полем индуцируется ЭДС Ев = 4,44f2wвФm = 4,4f1swвФm , где f2 = f1s — частота изменения тока в обмотке возбуждения; wв — число витков обмотки возбуждения; Фm — амплитуда магнитного потока вращающегося поля.
|
Рис. 6.48. Устройство пусковой обмотки синхронного двигателя (о) и схемы его асинхронного пуска (б и в): 1 - обмотка возбуждения; 2 - пусковая обмотка; 3 - ротор; 4 - обмотка якоря; 5 - гасящее сопротивление; 6 - якорь возбудителя; 7 - кольца и щетки |
В начальный момент пуска при s = 1 из-за большого числа витков обмотки возбуждения ЭДС Ев может достигать весьма большого значения и вызвать пробой изоляции. При схеме, изображенной на рис. 6.48, в, обмотка возбуждения постоянно подключена к возбудителю, сопротивление которого по сравнению с сопротивлением Rв весьма мало, поэтому эту обмотку в режиме асинхронного пуска можно считать замкнутой накоротко. С уменьшением скольжения до
s = 0,3 ÷ 0,4 возбудитель возбуждается и в обмотку возбуждения подается постоянный ток, обеспечивающий при s ≈ 0,05 втягивание ротора в синхронизм. Различие пусковых схем обусловлено тем, что не во всех случаях может быть применена более простая схема с постоянно подключенной к возбудителю обмоткой возбуждения (рис. 6.48, в), так как она имеет худшие пусковые характеристики, чем более сложная схема, приведенная на рис. 6.48,б. Главной причиной ухудшения пусковых характеристик является возникновение одноосного эффекта — влияние тока, индуцируемого в обмотке возбуждения при пуске, на характеристику пускового момента.
Принцип действия и устройство. Реактивным двигателем называют синхронный двигатель с явнополюсным ротором без обмотки возбуждения и постоянных магнитов, у которого магнитный поток создается реактивным током, проходящим по обмотке статора. Вращающий момент в таком двигателе возникает из-за различия магнитных проводимостей по продольной и поперечной осям. При этом явновыраженные полюсы ротора стремятся ориентироваться относительно поля так, чтобы магнитное сопротивление для силовых линий поля было минимальным. Вследствие этого появляются тангенциальные силы fт (рис. 7.5), образующие вращающий момент, и ротор вращается в том же направлении и с той же частотой вращения n1 , что и поле статора.
Обмотка статора в двигателях общего применения распределенная, трех- или двухфазная с конденсатором в одной из фаз; она создает вращающееся магнитное поле. Ротор двигателя может иметь различные конструктивные исполнения. На рис. 7.6,а приведено наиболее простое устройство ротора; его собирают из стальных листов аналогично роторам асинхронных двигателей; листы имеют впадины, обеспечивающие различные индуктивные сопротивления по осям d и q. Для пуска в ход двигателя на роторе предусмотрена короткозамкнутая обмотка типа «беличья клетка». Однако двигатели с роторами этой конструкции имеют низкие технико-экономические показатели.
Более высокие показатели получены при использовании современных усовершенствованных конструкций ротора (рис. 7.6,б и в), в которых пазы или вырубки в листах заливают алюминием. Реактивные двигатели с роторами новой конструкции имеют приблизительно такие же технико-экономические показатели, как и другие типы синхронных и асинхронных микродвигателей.
|
Рис. 7.5. Схема возникновения реактивного момента |
|
Рис. 7.6. Роторы реактивных двигателей: |
Электромагнитный момент и угловые характеристики. Электромагнитный момент реактивного синхронного двигателя можно определить по общей формуле (6.36) для синхронной машины, при работе с током возбуждения, равным нулю. В этом случае ЭДС Е0 = 0 и (6.36) принимает вид
(7.4)
|
М = Рэм /ω1 = [mU2/(2ω1 )] (1/Xq + 1/Xd ) sin2θ. |
Однако при выводе (6.36) не учтены потери мощности ΔPэл1 в обмотке якоря и принято, что электромагнитная мощность Рэм равна мощности Pэл , поступающей в обмотку якоря (в двигателе) или отдаваемой ею (в генераторе). В машинах большой и средней мощности это допущение не вносит заметных погрешностей в основные положения теории работы синхронных машин, так как активное сопротивление Ra обмотки якоря у них значительно меньше реактивных сопротивлений Xd и Хq . В микромашинах при Рном < 0,5 кВт активное сопротивление Ra имеет такой же порядок, как и реактивные сопротивления, вследствие чего потери мощности в нем оказывают влияние на электромагнитный момент, а следовательно, и угловую характеристику. Из векторной
|
Рис. 7.7. Векторная диаграмма реактивного двигателя (а),его угловые характеристики при различных значениях Rа /Xd |
диаграммы (рис. 7.7, а) синхронного двигателя, работающего без возбуждения при Е0 = 0 и учете активного сопротивления якоря Ra (она может быть построена на основании диаграммы, приведенной на рис. 6.37,б), можно получить формулу для определения электромагнитного момента:
(7.5)
|
M = |
Pэм |
= |
mU2(Xd - Xq ) |
[(Xd Xq - Ra2)sin2θ - 2Ra(Xd - Xq )sin2θ + 2Ra Xq ]. |
|
ω1 |
2ω1(Xd Xq + Ra2) |
С увеличением Ra максимальный момент Мmax уменьшается, и угловая характеристика (рис. 7.7,б) сдвигается в область меньших углов θ. Максимальный момент реактивного двигателя соответствует углу θ = 25 ÷ 45°.
Устойчивость работы двигателя зависит от значения удельного синхронизирующего момента Мсн.уд — электромагнитного момента, приходящегося на один градус угла θ. Этот момент обычно определяют при значениях θ, близких нулю, т. е. при Мсн.уд = (dM/dθ)θ = 0. Значения удельного синхронизирующего момента Мсн.уд зависят от приложенного напряжения U и отношения Xq /Xd .
Начальный пусковой момент у реактивных двигателей, так же как и у синхронных двигателей с обмоткой возбуждения. и постоянными магнитами, равен нулю. Следовательно, peaктивные двигатели должны иметь пусковую обмотку типа «беличья клетка» для асинхронного пуска. Эта обмотка является одновременно демпферной, которая способствует быстрому затуханию колебаний ротора.
Преимущества и недостатки реактивного двигателя. 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. 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.
Принцип действия. Шаговые (импульсные) двигатели представляют собой синхронные микродвигатели, у которых питание фаз обмотки якоря осуществляется путем подачи импульсов напряжения от какого-либо (например, электронного) коммутатора. Под воздействием каждого такого импульса ротор двигателя совершает определенное угловое перемещение, называемое шагом. Коммутатор преобразует заданную последовательность управляющих импульсов в т-фазную систему одно- или двухполярных прямоугольных импульсов напряжения;
|
Рис. 7.15. Схемы работы шагового двигателя при питании различных фаз обмотки якоря |
На рис. 7.15 изображена схема m-фазного шагового двигателя без обмотки возбуждения на роторе. Если фазы 1, 2, 3,...,m обмотки якоря рассматриваемого двигателя питаются поочередно однополярными импульсами напряжения, то ротор двигателя скачкообразно перемещается в положения, при которых его ось совпадает с осями фаз 1,2, 3 и т. п. Следовательно, ротор имеет m устойчивых состояний, соответствующих направлению вектора МДС F→1 (рис. 7.15, а) обмотки якоря в данный момент времени; при этом шаг ротора равен 2π/m.
Для увеличения результирующей МДС якоря, а следовательно, магнитного потока и синхронизирующего момента обычно одновременно подают питание на две, три и большее количество фаз. Так, например, если одновременно подают питание на две фазы, то положение результирующего вектора МДС F→peз и оси ротора совпадает с линией, проходящей между осями двух соседних фаз (рис. 7.15,б). При подаче питания одновременно на три соседние фазы ротор перемещается в положение, совпадающее с осью средней фазы (рис. 7.15, в). Если поочередно включают то четное (две), то нечетное (одна, три) число фаз, то ротор двигателя имеет 2m устойчивых состояния и шаг равен π/m. Управление двигателем, при котором фазы обмотки якоря включают поочередно равными группами по две, три и т, п., называют симметричным; поочередное включение неравных групп фаз — несимметричным.
В качестве шаговых обычно применяют синхронные двигатели без обмотки возбуждения на роторе: с постоянными магнитами, реактивные и индукторные (с подмагничиванием). Для получения требуемых статических характеристик и динамических свойств их выполняют без пусковой обмотки, с ротором минимального диаметра и рассчитывают на большие электромагнитные нагрузки.
|
Рис. 7.16. Положения ротора шагового двигателя с постоянными магнитами при различных полярностях включения его фаз и диаграмма изменения тока в этих фазах |
Применение шагового двигателя целесообразно для привода механизмов, имеющих старт-стопное движение, или механизмов с непрерывным движением, если управляющий сигнал задан в виде последовательности импульсов (лентопротяжных устройств для ввода и вывода информации, счетчиков, приводов станков с программным управлением и т. п.).
Обычно на каждой электростанции устанавливается несколько генераторов. Электрические станции объединяются в единую энергетическую систему, поэтому параллельно на общую сеть работает большое число синхронных генераторов. Мощность генераторов объединенной энергетической системы России около 200 млн. кВт [2]. При объединении электрических станций в единую систему обеспечивается экономичное покрытие суточных максимумов нагрузки, а также резервирование и маневрирование агрегатов электростанций.
При включении генераторов на параллельную работу с сетью необходимо избегать чрезмерно большого толчка тока и возникновения ударных электромагнитных моментов и сил, способных вызвать повреждение генератора и другого оборудования, а также нарушить работу электрической сети.
Идеальные условия для включения генератора на параллельную работу достигаются при соблюдении следующих условий:
1) напряжение включаемого генератора Uг должно быть равно напряжению сети Uс;
2) частота генератора fг должна равняться частоте сети fс;
3) чередование фаз генератора и сети должно быть одинаково;
4) напряжение генератора Uг и сети Uс должны быть в фазе.
|
|
То есть при подключении генератора к сети мгновенные значения напряжения (эдс) генератора всегда соответствовали мгновенным значениям напряжения одноименных фаз сети. При указанных условиях векторы напряжений генератора и сети совпадают и вращаются с одинаковой скоростью (рис. 16.1). Разность напряжений сети и генератора одноименных фаз (16.1) и поэтому при подключении не возникает никакого толчка тока. Равенство напряжений достигается путем регулирования тока возбуждения генератора и проверяется с помощью вольтметра. Изменение частоты и фазы напряжения генератора достигается изменением скорости вращения генератора. |