К сожалению, здесь только текст без рисунков и формул.
Лекцию "Синхронные машины" с рисунками и формулами можно найти, если перейти по ссылке Электрические машины, размещенной в конце моей страницы Прозы.ру. .
Лекция 4.
§ 1 Общие сведения о синхронных машинах
П1 Область применения синхронных машин
Синхронная машина в настоящее время наиболее широко используется как генератор электрической энергии, как правило, в трехфазном исполнении. В стационарных энергетических установках применяются синхронные генераторы единичной мощностью в несколько сотен мегаватт. При этом, синхронные генераторы гидроэлектростанций проектируются на малую частоту вращения ротора (до 150 оборотов в минуту). Турбогенераторы тепловых электростанций имеют высокоскоростные роторы (3000 оборотов в минуту). У синхронных машин с низкой частотой вращения, роторы изготовляются явнополюсными, у высокоскоростных машин роторы имеют неявнополюсную конструкцию. (1) В качестве резервных источников электрической энергии и на транспортных энергоустановках находят широкое применение дизель-генераторы. Роторы дизель-генераторов , как правило, явнополюсные , с частотой вращения 1500 оборотов в минуту.
Синхронные двигатели , обычно, применяются в электроприводе большой мощности ( свыше 100 киловатт ), там, где не требуется регулирования скорости .(2) Синхронные двигатели строятся на различные частоты вращения ротора , в пределах от 100 до 3000 оборотов в минуту.
Для повышения коэффициента мощности энергосистем находят широкое применение синхронные компенсаторы - синхронные двигатели, работающие на холостом ходе и являющиеся генераторами реактивной мощности. Это обычно явнополюсные машины со скоростью ротора 750 оборотов в минуту.
В системах автоматики нашли широкое применение синхронные микродвигатели специального назначения мощностью от долей ватта до нескольких десятков ватт.
П2 Особенности конструкции синхронных машин разных типов.
Различные типы синхронных машин в конструктивном исполнении могут заметно различаться. Так турбогенераторы обычно выполняются в горизонтальном исполнении с относительно длинным ротором. Диаметр ротора, даже у машин большой мощности не более 1,1 - 1,2 метра. Ротор вращается в подшипниках скольжения, размещенных в торцевых щитах или на отдельных стойках. Неявнополюсный ротор представляет собой поковку из высококачественной стали. В ней фрезеруются продольные пазы, симметрично расположенные относительно центральной части полюса ротора. Свободные от пазов центральные части полюса занимают примерно половину полюсного деления. В пазы ротора укладывается обмотка возбуждения и укрепляется металлическими клиньями. Лобовые части обмотки удерживаются от смещения под действием центробежных сил металлическими кольцами - бандажами. (3)
Гидрогенераторы, в большинстве случаев , выполняются с относительно коротким, вертикальным валом. Диаметр ротора крупных машин может быть более 10 - 15 метров. Вес вращающегося агрегата и давление воды воспринимается упорным подшипником - подпятником. Сила, действующая на подпятник крупных машин, может измеряться тысячами тонн. Кроме подпятника ротор имеет еще направляющий подшипник, воспринимающий радиальные усилия. Явнополюсный ротор гидрогенератора представляет собой обод, собираемый на спицах, крепящихся к втулке ротора. Пакет полюса набирают из стальных листов и закрепляют на ободе с помощью Т-образных выступов. На полюсах, кроме обмотки возбуждения, размещается демпферная обмотка, напоминающая обмотку ротора короткозамкнутого асинхронного двигателя, но имеющая стержни только в пределах полюсов. (4)
П3 Системы возбуждения синхронной машины
Магнитное поле, индуцирующее трехфазную систему ЭДС, в трехфазной обмотке синхронного генератора, получают с помощью индуктора - системы электромагнитов или постоянных магнитов. Полюса индуктора, как правило, закрепляют на роторе, и только для синхронных машин малой мощности трехфазную обмотку размещают на роторе, а индуктор - на статоре. Индуктор с постоянными магнитами используют для синхронных машин тоже, как правило, малой мощности. Обычно обмотки индуктора получают питание от специального самовозбуждающегося генератора постоянного тока - возбудителя, установленного на одном валу с синхронным генератором. У турбогенераторов, ток возбуждения получают от специального трансформатора или вспомогательного генератора переменного тока через полупроводниковые выпрямители..
У генераторов мощностью 500 МВт и более возбудитель получает питание от подвозбудителя - генератора с постоянными магнитами. (5)
Например , турбогенератор 500 МВт имеет возбудитель мощностью 2,2 МВт и подвозбудитель 200 кВт
Система возбуждения синхронной машины, как правило, охватывается системой автоматического регулирования обеспечивающей начальное возбуждение и поддержание на заданном уровне напряжения генератора
Вопросы для самоконтроля.
1. Как различаются роторы турбогенераторов и гидрогенераторов? (1)
2. Какова область применения синхронных двигателей? (2)
3. Как устроен неявнополюсный ротор синхронного генератора? (3)
4. Какова конструкция явнополюсного ротора? (4)
5. Каковы функции возбудителя и подвозбудителя СГ? (5)
§2 Принцип действия синхронного генератора
П1 Понятие о реакции якоря синхронной машины
Вращающее магнитное поле, созданное индуктором ротора синхронного генератора, представляет собой бегущую вдоль зазора волну магнитной индукции. Для простоты картины, рассмотрим двухполюсную машину. Будем считать ее магнитную цепь ненасыщенной, а нагрузку фаз симметричной.
Рис.22 Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре явнополюсной СМ
Форма волны, близкая синусоидальной, достигается в явнополюсных машинах профилированием полюса, то есть за счет разной толщины зазора между статором и ротором. (1) (рис.22). Под центром полюса зазор минимальный, в пространстве между полюсами - максимальный. В неявнополюсных машинах форма волны в виде ступенчатой трапеции, приближающаяся к синусоиде, получается благодаря распределению витков роторной обмотки. (Рис 23) (2)
Рис 23. Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре неявнополюсной СМ
Чтобы использовать возможности векторных диаграмм, будем считать бегущую волну синусоидальной. С каждой фазой статорной обмотки такая волна образует потокосцепления , изменяющиеся во времени по синусоидальному закону, и сдвинутые друг относительно друга на угол 120 градусов. В каждой фазе статора изменяющемуся потокосцеплению сопоставляется синхронная с ним магнитодвижущая сила (рисунок 24.)
Рис. 24 Временные векторы диаграммы МДС СГ
Магнитодвижущие силы всех трех фаз образуют на комплексной плоскости симметричную звезду - трехфазную систему МДС ротора
Электродвижущая сила индуцируемая в рассматриваемой фазе статорной обмотки под влиянием изменения потокосцепления будет отставать от него по времени на угол 90 градусов. Ток протекающий в данной фазе статорной обмотке под действием ЭДС будет смещен относительно ее на угол , определяемый характером нагрузки синхронного генератора. При индуктивном характере нагрузки ток будет отставать от ЭДС. Намагничивающая сила фазной обмотки - синусоидально изменяющаяся величина, синхронная с током . Векторы намагничивающих сил трехфазных обмоток статора образуют симметричную трехфазную систему МДС токов статора. Трехфазная система МДС токов статора отстает от трехфазной системы МДС ротора на угол (3)
. Сумма синусоидально изменяющихся магнитодвижущих сил и образуют результирующую магнитодвижущую силу обмотки рассматриваемой фазы . (4) Результирующие МДС всех трех фаз образуют трехфазную систему МДС - симметричную звезду на комплексной плоскости. Эта звезда, чтобы не усложнять картину на рисунке не показана, а представлена лишь одним вектором .
Трехфазная система МДС образует в зазоре между статором и ротором бегущую волну результирующего магнитного поля синхронного генератора. Эта волна представима как суперпозиция бегущей волны магнитной индукции поля ротора и отстающей от нее в пространстве на угол волны магнитной индукции от тока статора. Такой пространственный сдвиг между синусоидами объясняется тем, что трехфазная система МДС ротора сдвинута во времени относительно трехфазной системы МДС тока статора на угол . На рисунке 25 изображена векторная диаграмма, представляющая пространственное распределение волн магнитной индукции в зазоре двухполюсного синхронного генератора.
Рис. 25 Пространственные векторы диаграммы магнитной индукции в зазоре СГ
Процесс взаимодействия волн поля статора и ротора с образованием результирующей бегущей волны называется реакцией якоря. (5) Поток через контур статорной обмотки обусловленный током статора называется потоком реакции якоря. (6)
П2 Эквивалентная схема и векторная диаграмма неявнополюсного синхронного генератора с ненасыщенной магнитной цепью
Понимание электромагнитных процессов, происходящих в синхронной машине, существенно облегчается такими математическими моделями, какими являются векторные диаграммы СГ. Они позволяют демонстрировать пространственные и временные фазовые соотношения электромагнитных величин, описывающих работу СГ, наглядно показывая такие важнейшие понятий, как фазовый угол, реакция якоря, угол нагрузки.
Векторные диаграммы для явнополюсных синхронных генераторов, отражающие разные магнитные сопротивления при замыкании магнитных линий вдоль и поперек полюсов ротора, достаточно сложны.
Приходится рассматривать отдельно составляющую тока статора по продольной оси Id , в зависимости от характера нагрузки генератора размагничивающую или подмагничивающую машину, и составляющую тока статора по поперечной оси Iq , чье действие создает основной электромагнитный момент машины.
Значительно проще векторная диаграмма для неявнополюсной машины с ненасыщенной магнитной системой. Так как такая диаграмма в целом отражает физику явлений имеющих место в синхронной машине, то ограничимся рассмотрением последней.
Эквивалентная схема замещения одной фазы неявнополюсного синхронного генератора имеет вид представленный на рисунке26.
Рис. 26 Схема замещения и векторная диаграмма неявнополюсного СГ
при резистивно-индуктивной нагрузке
Здесь резистор представляет резистивное сопротивление обмотки статора. Катушка индуктивности учитывает поток рассеяния, а ха - поток реакции якоря. - ЭДС холостого хода, индуцируемая в обмотке статора потоком ротора. - напряжение на зажимах статора. (7).
По второму закону Кирхгофа имеем:
При начертании векторных диаграмм синхронного генератора будем располагать вектор МДС ротора , влево вдоль оси абсцисс( рисунок 26 ). Тогда вектор ЭДС будет направлен вверх вдоль оси ординат. При индуктивной нагрузке генератора вектор тока статора отстает от вектора на угол , а вектор МДС реакции якоря , коллинеарный с вектором тока статора. Результирующий вектор намагничивающих сил находится как геометрическая сумма векторов и .(8) Угол между векторами и , выражающий фазовый сдвиг между соответствующими временными синусоидами, определяет пространственный сдвиг между волной поля ротора и волной результирующего поля в зазоре машины. Здесь р - число пар полюсов. Угол называется углом нагрузки. Как мы увидим дальше, величина этого угла непосредственно связана с нагрузкой машины. Вектор ЭДС , индуцируемый в статорной обмотке суммарным магнитным потоком, существующим в зазоре машины, будет перпендикулярен вектору .
Его начало находится в начале координат, а конец - на перпендикуляре, проведенном из конца вектора к вектору тока статора . Вектор напряжения статорной обмотки отстает от вектора на угол и опережает вектор тока статора на угол . Вектор падения напряжения на резистивном сопротивлении статора пойдет из конца вектора напряжения параллельно вектору тока статора. Вектор падения напряжения на индуктивном сопротивлении реакции якоря и индуктивном сопротивлении рассеяния замкнет ЭДС . При этом вектор напряжения меньше вектора ЭДС .
Если нагрузка генератора чисто резистивная, то векторы тока и напряжения статора коллинеарные. Углы и равны друг другу. Вектор напряжения меньше вектора ЭДС (рисунок27).
Рис. 27 Векторная диаграмма СГ при резистивной нагрузке
Если нагрузка генератора имеет емкостной характер, то угол отрицателен и напряжение на зажимах синхронного генератора больше ЭДС ( рисунок 28 ). (9)
Рис. 28 Векторная диаграмма СГ при резистивно-емкостной нагрузке
П3 Энергетическая диаграмма синхронного генератора
Рассмотрим энергетическую диаграмму, показывающую соотношения между различными мощностями в синхронном генераторе в процессе того, как механической энергии приводного двигателя синхронного генератора преобразуется в электрическую энергию, отдаваемую генератором в сеть. (рис. 29)
Рис.29 Энергетическая диаграмма СГ
Энергии приводного двигателя соответствует затраченная мощность Р2 . Электрической энергии отдаваемой генератором в сеть соответствует полезная мощность Р1. Коэффициент полезного действия синхронного генератора . Для определенности будем считать, что возбудитель синхронного генератора находится на одном валу с индуктором, поэтому, мощность, расходуемая в системе возбуждения , может быть суммирована с механическими потерями на поддержание вращения ротора.
Механическая мощность, преобразуемая в зазоре машины в электромагнитную мощность , поступает в статор. Часть мощности теряется в виде потерь в стали статора .
Остальная часть передается в статорную обмотку. Электрическая мощность, отдаваемая генератором в сеть, находится после вычитания потерь в меди статорной обмотки.
Разные типы синхронных генераторов имеют разные соотношения между потерями мощности. Механические потери и потери в стали будут выше у машин высокооборотных. Потери на возбуждение тем больше, чем выше число полюсов машины.
Вопросы для самоконтроля?
1. За счет чего формируют синусоиду поля индуктора в синхронных генераторах? (1,2)
2. На какой угол отстает МДС синусоиды поля статора от МДС ротора? (3)
3. Какие составляющие имеет результирующая МДС в зазоре СГ?(4)
4. Что называют реакцией якоря СГ? (5)
5. Что называют потоком реакции якоря СГ? (6)
6. Какие функции выполняют элементы эквивалентной схемы СГ? (7)
7. Как ориентируют векторы МДС ротора и реакции якоря на векторных диаграммах СГ? (8)
8. В каких случаях напряжение на зажимах синхронного генератора больше чем ЭДС холостого хода? (9)
§3 Электромагнитная мощность синхронной машины
П1 Упрощенная эквивалентная схема и векторная диаграмма неявнополюсного синхронного генератора
Как следует из энергетической диаграммы электромагнитная мощность синхронного генератора Рэм меньше его полезной мощности Р2 на величину потерь в меди и стали статора. Но уже в машинах средней мощности эти потери составляют только около 1 процента номинальной мощности машины. На этом основании ими можно пренебречь и считать электромагнитную мощность машины равной ее полезной мощности
. (1)
Такому упрощению соответствует эквивалентная схема без резистора r, учитывающего потери статора, и векторная диаграмма представленная на рисунке 30 . Кроме того, здесь индуктивные сопротивления учитывающие реакцию якоря ха и потоки рассеяния xs объединены в индуктивное сопротивление хс, называемое синхронным сопротивлением статорной обмотки. . (2)
Рис. 30Упрощенная эквивалентная схема и векторная диаграмма СГ
На упрощенной векторной диаграмме угол называют углом нагрузки.
П2 Электромагнитная мощность синхронной машины
Проведем из конца вектора перпендикуляр аk на направление вектора . Этот перпендикуляр с вектором jI1xc образует угол . Отсюда следует, что . Или . Подставив это выражение в формулу мощности (1) имеем:
(3)
Вопросы для самоконтроля.
1. Почему оказывается возможным считать электромагнитную мощность машины равной ее полезной мощности? (1)
2. Что такое синхронное сопротивление статорной обмотки? (2)
3. Как электромагнитная мощность синхронной машины связана с углом нагрузки? (3)
§4 Электромагнитный момент синхронной машины
П1 Угол нагрузки.(Угол рассогласования полюсов)
Если пренебречь потоком рассеяния и активным сопротивлением статорной обмотки, как было сделано при построении упрощенной векторной диаграммы (рисунок 27), то вектора неотличимы. В этих условиях магнитная ось ротора сдвинута относительно оси основного поля синхронной машины с одной парой полюсов на угол нагрузки .
В генераторном режиме работы синхронной машины ее электромагнитная мощность считается положительной, при этом угол , отсчитываемый от оси полюсов результирующего поля к оси полюсов ротора, также положителен. (1)
Ротор, вращаясь, своим магнитным полем по закону электромагнитной индукции наводит в трехфазной обмотке статора трехфазную систему ЭДС. Если распределение индукции магнитного поля ротора вдоль зазора машины синусоидально, скорость вращения равномерна, то токи в трехфазной симметричной обмотке статора тоже симметричны. Тогда, создаваемая ими синусоида магнитного поля, равномерно движется вдоль зазора машины, следуя за синусоидой поля ротора. Ротор, в процессе своего вращения, как бы увлекает за собой по зазору эквивалентную синусоиду результирующего поля машины. При работе синхронной машины в двигательном режиме ее мощность считается отрицательной, угол также отрицательный.
Реакция на силу Ампера, вызванную взаимодействием токов статора с магнитным полем ротора, создает момент, вращающий ротор со скоростью поля трехфазной системы обмоток.
Эквивалентная синусоида суммарного магнитного поля, бегущая в зазоре по окружности статора, как бы увлекает за собой ротор машины.
П2. Электромагнитный момент неявнополюсной синхронной машины
Электромагнитный момент машины пропорционален ее электромагнитной мощности с коэффициентом пропорциональности - синхронной частотой .
(2)
При изменении угла от нуля до + , модуль электромагнитного момента возрастает, обеспечивая устойчивую работу генератора (Рис.31)
Рис. 31 Угловые характеристики неявнополюсной СМ.
При уменьшении активной мощности генератора (например, от точки 1) угол нагрузки уменьшается, и уменьшается электромагнитный момент тормозящий первичный двигатель. При том же вращающем моменте, двигатель начнет увеличивать скорость. Система регулирования уменьшит расход топлива, уменьшая вращающий момент и поддерживая синхронную скорость СГ при новом, уменьшенном угле нагрузки (точка 4).
При увеличении активной мощности генератора от точки 4 до точки 3 угол нагрузки увеличивается и возрастает электромагнитный момент СГ, тормозящий первичный двигатель. Двигатель начнет замедляться. Система регулирования увеличит расход топлива, увеличивая вращающий момент и поддерживая синхронную скорость СГ при новом, увеличенном угле нагрузки (точка 1).
При угле нагрузки в 90 градусов тормозящий момент максимален. При выходе угла нагрузки за этот предел, противодействующий момент генератора оказывается меньше вращающего момента первичного двигателя. Синхронный генератор начинает разгоняться. Система регулирования начнет уменьшать подачу топлива, вследствие чего, ротор будет ускоряться еще больше, с грохотом вращаясь, из-за переменного момента на валу. Этот очень опасный аварийный режим называется выпадением из синхронизма.
Чтобы исключить выпадение из синхронизма разрешают работу машины с углом нагрузки не более 30 градусов. При большем угле нагрузки, возможные при эксплуатации случаи понижения напряжения или возбуждения, могут привести к выпадению из синхронизма.
В двигательном режиме устойчивой работе соответствует угол нагрузки от нуля до - .
П3 Электромагнитный момент явнополюсной синхронной машины
У явнополюсных синхронных машин, электромагнитный момент имеет, кроме составляющей, пропорциональной синусу угла рассогласования полюсов, составляющую пропорциональную синусу двойного угла рассогласования. Последняя составляющая момента называется дополнительным или реактивным моментом. Реактивный момент объясняется большей магнитной проводимостью ротора по продольной оси. Ротор стремится занять энергетически выгоднейшее положение продольной осью вдоль магнитных линий поля, когда суммарная энергия полей ротора и статора максимальна, а момент взаимодействия равен нулю. Формулу реактивного момента можно получить, взяв производную энергии магнитного поля в зазоре машины по углу поворота.
. (3)
Параметры называются синхронными, индуктивными сопротивлениями вдоль осей продольной и поперечной. Или, короче, продольной и поперечной индуктивными сопротивлениями машины. Для явнополюсных машин , а разность в скобках равна нулю.
Вопросы для самоконтроля.
1. Какой знак имеет угол рассогласования полюсов в генераторном режиме работы синхронной машины? (1)
2. Как увеличение числа пар полюсов СМ сказывается на ее электромагнитном моменте? (2)
3. Какова природа дополнительной составляющей электромагнитного момента в явнополюсных синхронных машинах? (3)
Лекция 8 Режимы работы и характеристики синхронных машин
§1 Работа синхронной машины с бесконечно мощной сетью
П1. Включение синхронной машины на параллельную работу
Составной частью включения синхронной машины на работу с сетью является операция синхронизации. Для того, чтобы операция синхронизации прошла с минимальными токами, сопровождающими процесс включения, необходимо, что бы мгновенное значение напряжения сети было, как можно ближе к мгновенному значению напряжения на зажимах подключаемой машины. Это достигается соблюдением условий синхронизации. Условия синхронизации предполагают одинаковое чередование фаз, а также равенство частот, напряжений и фаз включаемого генератора и сети. (1) Одинаковый порядок следования фаз генератора и сети, проверяется с помощью приборов, называемых фазоуказателями. Чтобы изменить порядок фаз достаточно поменять местами две любые фазы генератора или используемой сети. Равенство напряжений проверяется вольтметрами. Равенства добиваются воздействием на возбуждение синхронной машины. Равенство частот проверяется частотомерами, а достигается воздействием на регулятор скорости первичного двигателя. Равенство фаз двух синусоид напряжения фиксируется с помощью синхроноскопа. Так как при изменении частоты, фаза синусоиды изменяется, то достигается равенство фаз воздействием на регулятор частоты первичного двигателя.
В современных электроэнергетических системах процесс синхронизации, как правило, автоматизирован с помощью приборов называемых автосинхронизаторами. При ручной синхронизации, с помощью первичного двигателя синхронного генератора, доводят частоту вращения ротора до номинальной, обеспечивающей примерное равенство частот генератора и сети. Далее, подают ток возбуждения в обмотку ротора и регулируя его устанавливают напряжение синхронного генератора равным напряжению сети. Подключая синхроноскоп, убеждаются, что частота синхронного генератора на одну вторую - одну четвертую герца больше частоты сети. Такой оптимальной разности частот соответствует медленное вращение стрелки синхроноскопа. При подходе стрелки синхроноскопа к вертикальному положению в зоне двенадцати часов производят включение генератора на параллельную работу. (2) Активную нагрузку генератора регулируют, воздействуя на регулятор скорости первичного двигателя.(3) Реактивную нагрузку - воздействуя на ток возбуждения ротора. (4)
П2. Генераторный и двигательный режимы работы синхронной машины
Рассмотрим работу синхронного генератора, включенного на параллельную работу с сетью бесконечной мощности. Обязательным условием такой работы является равенство частоты сети и генератора, а также равенство их напряжений. И то, и другое объясняется тем, что синхронный генератор присоединен параллельно сети. Если по какой либо причине вращающий момент первичного двигателя синхронного генератора возрастет, то ротор генератора начнет ускоряться, увеличивая угол .(5) Это, в свою очередь, приведет к возрастанию мощности Рэм, а значит и электромагнитного момента сопротивления Мэм генератора. Частоты вращения ротора и поля статора станут равными, при больших значениях угла нагрузки , новой мощности Рэм и новом токе статора I1.(6)
Если вращающий момент первичного двигателя уменьшится, то ротор начнет замедляться, угол , момент сопротивления генератора и ток его статора - уменьшаться, до тех пор, пока не стабилизируются на новых установившихся уровнях.
Если вращающий момент первичного двигателя уменьшится до нуля, то синхронная машина перейдет в двигательный режим, потребляя из сети активный ток.(7) Угол станет отрицательным, основная волна результирующего поля в зазоре машины побежит впереди ротора. Если увеличивать момент сопротивления на валу синхронного двигателя, то модуль , вращающий момент синхронного двигателя и ток статора начнут увеличиваться до тех пор, пока не уравновесят момент сопротивления.
Таким образом, синхронная машина, работая параллельно с сетью бесконечной мощности, автоматически поддерживает синхронную скорость своего вращения. Это полезное качество синхронной машины имеет место только в диапазоне изменения угла от до .
При выходе за пределы этого диапазона синхронная машина “выпадает из синхронизма”, что является аварийным режимом работы.(8) Однако, значение критических моментов, соответствующих выпадению из синхронизма, достаточно велики и, как правило, обеспечивают успешную работу машины .
Вопросы для самоконтроля.
1. Каковы условия синхронизации синхронной машины при включении ее в сеть? (1)
2. Расскажите порядок проведения ручной синхронизации (2)
3. На какой регулятор надо воздействовать для изменения активной нагрузки синхронного генератора, работающего параллельно с сетью? (3)
4. На какой регулятор надо воздействовать для изменения реактивной нагрузки синхронного генератора, работающего параллельно с сетью? (4)
5. Какие параметры режима работы синхронного генератора, работающего параллельно с сетью, изменятся при воздействии на регулятор скорости его первичного двигателя? (5,6)
6. На какой регулятор надо воздействовать для перевода синхронного генератора, работающего параллельно с сетью в двигательный режим? (7)
7. В каких случаях синхронный генератор, работающий параллельно с сетью может выпасть из синхронизма? (8)
§2 Угловые характеристики синхронных машин
П1 Перевозбужденные и недовозбужденные синхронные генераторы работающие параллельно с мощной сетью
Воздействуя на возбуждение синхронного генератора, меняют его фазовый угол, то есть сдвиг фаз между одноименными синусоидами тока и напряжения обмотки статора.(1) Если этот угол больше нуля, то говорят о перевозбужденном генераторе, если меньше, то - недовозбужденном. По ГОСТ 27471-87: Перевозбуждением СГ называют режим работы СМ, при котором продольная составляющая поле МДС якоря направлена навстречу МДС ротора.
Рассмотрим упрощенную векторную диаграмму неявнополюсного нормально возбужденного синхронного генератора, у которого фазовый угол равен нулю. (Рисунок 30). На векторной диаграмме вектор магнитодвижущих сил обмотки ротора перпендикулярен вектору ЭДС холостого хода , а вектор суммарной магнитодвижущей силы ротора и реакции якоря перпендикулярен вектору напряжения обмотки статора. Вектор магнитодвижущих сил реакции якоря сонаправлен с вектором напряжения, так как только масштабом отличается от тока якоря. Проекция вектора на направление вектора называется продольной составляющей реакции якоря . Можно видеть, что и направлены навстречу друг другу. Вектор падения напряжения на синхронном сопротивлении статора перпендикулярен вектору напряжения. Необходимо заметить, что вектор напряжения синхронного генератора работающего с мощной сетью целиком определяется напряжением сети, и не зависит от тока ротора.(2)
Даже если изменять ток возбуждения, но не воздействовать на регулятор скорости первичного двигателя, соблюдая условие постоянной активной мощности, то неизменной является и проекция вектора тока статора на вектор напряжения.
Допустим, что возбуждение синхронного генератора, включенного на параллельную работу с сетью бесконечной мощности, увеличилось. Так как напряжение на зажимах статора увеличиться не может, то начнет увеличиваться ток статора с до , из-за увеличения реактивной составляющей тока статора. При этом активная составляющая , проекция вектора тока на вектор напряжения, остается неизменной. (3) Пропорционально увеличению тока статора увеличится МДС реакции якоря с до . Так как результирующая МДС в синхронного генератора останется неизменной, из-за неизменности напряжения сети, то вектор магнитодвижущих сил ротора изменит не только свою величину (до ), но и направление. Вектор ЭДС холостого хода вырастет до величины и будет перпендикулярен вектору . Вектор падения напряжения на синхронном сопротивлении статора увеличится пропорционально росту тока статора и повернется на угол 1 от своего исходного положения. Фазовый угол увеличится. (4) Можно заметить , что геометрическим местом точек, по которым скользит конец вектора падения напряжения на синхронном сопротивлении статора , является прямая 1-2, проведенная параллельно вектору напряжения статора через конец вектора холостого хода. Точке 2 на этой прямой соответствует ЭДС холостого хода недовозбужденного генератора ( при токе статора и фазовом угле ). Вершины векторов тока статора при изменении тока возбуждения скользят по прямой 3-4, параллельной вектору .
П2. Угловые характеристики синхронных машин
Угловыми характеристиками синхронных машин называют зависимость электромагнитного момента машины от угла нагрузки при фиксированном возбуждении ротора, неизменных напряжении и частоте статора. (5) В соответствие с формулой электромагнитного момента неявнополюсной синхронной машины угловая характеристика представляет собой синусоиду ( рисунок 31).
Правая полуволна синусоиды соответствует генераторному режиму работы синхронной машины. Левая - двигательному. Чем меньше ток возбуждения машины, тем меньше амплитуда синусоиды. Покажем на угловой характеристике генератора значение вращающего момента приводного двигателя. Предположим так же, что значения моментов не зависят от угла нагрузки. Точке пересечения угловой характеристики генератора с прямой вращающего момента первичного двигателя соответствует угол нагрузки, при котором происходит работа генератора. Меньшему возбуждению ротора соответствует больший угол нагрузки. (6) При дальнейшем уменьшении возбуждения ротора возможно выпадения из синхронизма. Аналогичные рассуждения можно провести для двигательного режима работы синхронной машины. Также как и электромагнитный момент, электромагнитная мощность, развиваемая синхронным генератором, зависит не от мощности приемников сети, а вплоть до амплитудного значения электромагнитной мощности, соответствующей выпадению из синхронизма, всецело определяется мощностью первичного двигателя. Амплитудное значение электромагнитной мощности называют пределом статической устойчивости синхронной машины.(7)
П3. Об устойчивости и синхронизме синхронных машин
Прямая постоянного момента первичного двигателя синхронного генератора, пересекают полуволну угловой характеристики синхронной машины дважды( рисунок 31). Однако, устойчивая работа возможна только в точке 1 полуволны. В точке 2 устойчивая работа синхронной машины невозможна. На пределах статической устойчивости синхронной машины устойчивая работа также невозможна. Для обеспечения динамической устойчивости генератора при значительных изменениях момента первичного двигателя допускается работа синхронной машины при углах рассогласования полюсов не более 30 градусов.(8) Аналогичные требования предъявляются и к синхронным двигателям.
Причинами выпадения из синхронизма могут быть короткие замыкания в сети, снижающие напряжения на зажимах синхронных машин, уменьшение тока возбуждения, снижающего ЭДС холостого хода. Уменьшение вращающего момента первичного двигателя, например, при уменьшении подачи топлива, может послужить причиной выпадения из синхронизма синхронного генератора. Синхронный двигатель может выпасть из синхронизма из-за неконтролируемого увеличения нагрузки исполнительного механизма. Автономные синхронные генераторы могут потерять устойчивость из-за снижения частоты вращения при неконтролируемом росте нагрузки. (9)
П4. V- образные характеристики синхронного генератора
Анализируя векторную диаграмму (рисунок 30) можно заметить, что ток статора минимален тогда, когда возбуждение генератора обеспечивает коэффициент мощности равный единице. (10)
Зависимость тока статора от тока ротора при фиксированном значении активной мощности синхронного генератора носит название V- образной характеристики генератора. (11)На рисунке 32 представлены V- образные характеристики для трех значений активной мощности. Линии проведенной через минимумы V-образных кривых соответствует коэффициент мощности равный единице. Пунктирной линией отмечена граница устойчивости синхронного генератора. За ее пределами (из-за недостаточного тока возбуждения ротора) амплитуда электромагнитного момента уменьшается. В этих условиях, при увеличении активной мощности синхронный генератор выпадает из синхронизма.. Граница устойчивости показывает, что нагруженный генератор без достаточного тока в обмотке ротора работать не в состоянии.
Рис.31.Векторная диаграмма и V-образные характеристики СГ
Действительно, как следует из формулы электромагнитной мощности
она зависит от ЭДС холостого хода, а, значит , от тока возбуждения ротора. Как следует из анализа векторной диаграммы рисунка 30, ток статора перевозбужденного генератора отстает от напряжения .(6)
Так как условно положительные направления напряжения сети и напряжения генератора по-разному ориентированы относительно условно положительного тока в контуре, то отстающий от напряжения генератора ток, является опережающим для напряжения сети. Поэтому, перевозбужденный синхронный генератор ведет себя относительно сети, как емкостная нагрузка. А недовозбужденный - как индуктивная. (11)
Вопросы для самоконтроля.
1. Какие параметры режима работы синхронного генератора, работающего параллельно с сетью, изменятся при воздействии на его возбуждение? (1)
2. Как зависит от тока ротора напряжение СГ работающего параллельно с мощной сетью? (2)
3. Как изменяется значения активного и реактивного тока статора при увеличении возбуждения синхронной машины? (3)
4. С каким коэффициентом мощности работает перевозбужденный синхронный генератор? (4)(11)
5. Что такое угловые характеристики синхронного генератора? (5)
6. Как возбуждение синхронного генератора влияет на величину угла рассогласования полюсов? (6)
7. Что такое предел статической устойчивости синхронного генератора? (7)
8. Почему синхронный генератор должен работать при углах рассогласования не более 40 градусов? (8)
9. Перечислите причины, по которым возможно выпадение из синхронизма синхронных машин. (9)
10. Как регулируется коэффициент мощности СГ работающего с мощной сетью? (4)
11 Что такое V-образные характеристики синхронного генератора? (5)
§3 Основные характеристики синхронного генератора
П1 Характеристика холостого хода
Характеристикой холостого хода синхронного генератора называют зависимость напряжения на зажимах статорной обмотки в отсутствии тока статора от тока возбуждения. Характеристика холостого хода снимается в условиях номинальной частоты. Часто характеристики холостого хода генераторов представляют в относительных единицах. При этом, за единицу напряжения принимается номинальное напряжение . За единицу тока возбуждения - ток возбуждения , обеспечивающий на холостом ходу номинальное напряжение. Будем называть такой ток током возбуждения холостого хода. Характеристики абсолютного большинства синхронных генераторов, построенные в относительных единицах, близки друг другу. (Рис.33)Все они пересекаются в единичной точке. Усреднение таких характеристик, взятое по большому числу вариантов, называется нормальной характеристикой холостого хода.(1)
Рис. 33 Характеристика холостого хода синхронного генератора
Касательная, проведенная из начала координат к нормальной характеристике холостого хода, называется спрямленной ненасыщенной характеристикой холостого хода. Прямая, проведенная из начала координат через единичную точку, называется спрямленной насыщенной характеристикой холостого хода с ЭДС равной номинальному напряжению (2)
П2 Характеристика симметричного короткого замыкания
Характеристикой симметричного короткого замыкания называют зависимость тока статора синхронного генератора от тока возбуждения в условиях симметричного короткого замыкания и при номинальной частоте. Ток возбуждения, при котором обеспечивается ток короткого замыкания равный номинальному току генератора , будем называть током возбуждения короткого замыкания . Так как из - за размагничивающей реакции якоря магнитная цепь генератора не насыщена, то характеристика короткого замыкания представляет собой прямую линию (рисунок 34).(3)
Рис. 34 Характеристика симметричного короткого замыкания СГ
По данным холостого хода и короткого замыкания можно определить важную характеристику синхронного генератора отношение короткого замыкания. Отношение короткого замыкания ( принято обозначать ОКЗ ) представляет собой отношение тока возбуждения холостого хода к току возбуждению короткого замыкания. (4)
Величина обратная ОКЗ равна выраженному в относительных единицах синхронному индуктивному сопротивлению машины по продольной оси.
(5)
От величины ОКЗ зависит , статическая перегружаемость СГ, характеризуемая отношением максимальной мощности , которую может развивать СГ, к номинальной мощности .
Перегрузочная способность с помощью ОКЗ выражается следующим образом:
Где - номинальный ток возбуждения СГ, а - ток возбуждения холостого хода.
Для турбогенераторов ОКЗ обычно несколько меньше единицы, поэтому ток короткого замыкания при токе возбуждения холостого хода меньше номинального тока статора.
П3. Внешние характеристики синхронного генератора
Внешними характеристиками называют кривые, показывающие, как изменяется напряжение синхронного генератора при изменении тока нагрузки и фиксированных коэффициентах мощности, номинальных токе возбуждении и частоте генератора. (6)
Рис. 35 Внешние характеристики СГ
На рисунке 35 представлен вид внешних характеристик при различном характере нагрузки. На внешней характеристике, соответствующей номинальному коэффициенту мощности, отмечена точка номинальной работы. Разница между напряжением холостого хода, соответствующим номинальному возбуждению, и номинальным напряжением синхронного генератора называется номинальным изменением напряжения .
Обычно это величина составляет 25 - 35 процентов от номинального напряжения.
П4. Регулировочные характеристики синхронного генератора
Регулировочными характеристиками называются зависимости показывающие, как следует менять ток возбуждения, чтобы при росте тока нагрузки, фиксированных значениях коэффициента мощности и номинальной частоте напряжение на зажимах генератора оставалось бы неизменным. (7) На рисунке 36 представлены три регулировочные характеристики для трех значений коэффициента мощности.
Рис. 36 Регулировочные характеристики СГ
Очевидно, что характер нагрузки определяет вид регулировочных характеристик.
Вопросы для самоконтроля.
1. Что такое нормальная характеристика холостого хода синхронного генератора? (1)
2. Как определяют спрямленную, насыщенную, и спрямленную, ненасыщенную характеристики холостого хода? (2)
3. Почему характеристика симметричного короткого замыкания СГ представляет собой прямую линию? (3)
4. Что такое отношение короткого замыкания? (4)
5. Как индуктивное сопротивление СМ по продольной оси связано с отношением короткого замыкания? (5)
6. Что такое внешние характеристики СГ? (6)
7. Какие характеристики синхронного генератора называются регулировочными? (7)
§4 Характеристики синхронных двигателей
П1 Упрощенная векторная диаграмма неявнополюсного перевозбужденного синхронного двигателя
Расположим вектор магнитодвижущих сил ротора влево вдоль оси абсцисс ( рисунок 37).
Рис.37 Векторная диаграмма перевозбужденного синхронного двигателя
Вектор ЭДС холостого хода , соответствующий такому возбуждению отстает от него на 90 градусов. Вектор суммарной МДС , соответствующий основной волне поля в зазоре машины, опережает вектор МДС ротора на угол рассогласования полюсов . Вектор напряжения статора , перпендикулярный вектору , опережает вектор на угол . Вектор напряжения сети равен вектору и направлен в противоположную сторону. Как будет показано далее, перевозбужденный двигатель ведет себя относительно сети подобно конденсатору, и, следовательно, вектор тока статора опережает вектор напряжения сети на угол . (1) Вектор падения напряжения на синхронном сопротивлении , перпендикулярный вектору тока статора, начинаясь из конца вектора , замыкает вектор .
При изменении тока возбуждения, вектор сохраняет свое положение на векторной диаграмме. Концы векторов перемещаются по прямой 1-2 параллельной вектору напряжения
.
П2 V- образные характеристики синхронного двигателя. Синхронные компенсаторы.
В недовозбужденном синхронном двигателе, как во всякой индуктивной катушке, ток статора отстает от напряжения сети. Анализируя векторную диаграмму (рис.37), можно видеть, что в перевозбужденном синхронном двигателе ток статора опережает напряжение сети.
Рис. 38 V-образные характеристики синхронного двигателя
Поэтому, также как генератор, перевозбужденный синхронный двигатель является для сети емкостной нагрузкой. (2) На рисунке 38 представлены V-образные характеристики синхронного двигателя для трех значений электромагнитной мощности. Пунктирной линией отмечена граница устойчивости работы. Линии, проходящей через минимумы кривых, соответствует коэффициент мощности равный единице. Видно, что нагруженный синхронный двигатель может работать только при достаточном возбуждении ротора.
Возможность работы синхронного двигателя с опережающим коэффициентом мощности широко используются в промышленности. Для целей улучшения коэффициента мощности сети изготовляют специальные электрические машины, называемые синхронными компенсаторами. Синхронный компенсатор представляет собой перевозбужденный синхронный двигатель, работающий без нагрузки на валу с большим емкостным током. (3)
П3 Рабочие характеристики синхронных двигателей
Рабочими характеристиками синхронного двигателя называю зависимость основных эксплуатационных параметров режима работы от развиваемой механической мощности. (4)Основными эксплуатационными параметрами, характеризующие режим работы двигателя являются ток статора, потребляемая двигателем мощность, момент на валу, частота вращения ротора, коэффициент мощности и кпд.(5)
Рис.39 Рабочие характеристики СД
Вид рабочих характеристик представлен на рисунке 39. Исходя из принципа работы синхронного двигателя, следует, что частота вращения ротора не зависит от развиваемой мощности. Следовательно, момент на валу будет линейно увеличиваться с ростом развиваемой мощности. Линейной будет и изменение потребляемой мощности. Но, начинаться прямая мощности, из-за потерь на холостом ходе, будет не в начале координат. Нелинейной, но такой же монотонно возрастающей, будет кривая коэффициента мощности. Кривая коэффициента полезного действия начинается из нуля, быстро растет и имеет слабый экстремум в окрестности номинальной мощности. Так как рабочие характеристики снимаются при номинальных напряжении, частоте и токе возбуждении, то, при нулевой развиваемой мощности, ток статора значителен и равен реактивному току отдаваемому двигателем в сеть. Из-за наличия реактивной составляющей, ток статора с ростом развиваемой мощности растет несколько быстрее, чем по линейному закону.
П4 Пусковые характеристики синхронных двигателей
Без принятия специальных мер прямой пуск синхронных двигателей , как правило, не возможен. При подключении статора к сети, вращающее магнитное поле действует на ротор со знакопеременным моментом синхронной частоты, при скольжении ротора равном единице. Вследствие его большой инерционности, он не успевает следовать за полем. (6) Двигатели малой и средней мощности обычно проектируют со специальной разгонной обмоткой типа беличьей клетки, устанавливаемой на ротор. Когда такой ротор достигает скорости близкой к синхронной, его возбуждают постоянным током. При малом скольжении ротора, электромагнитного момента взаимодействия полей ротора и статора оказывается достаточно, чтобы, почти мгновенно, ускорить ротор до синхронной скорости. Перед пуском обмотку возбуждения замыкают на резистор с большим сопротивлением. Если этого не делать, то индуцируемое в обмотке с частотой поля, переменное напряжение может вызвать пробой изоляции.(7) В стационарном режиме в обмотке возбуждения переменного напряжения нет, так как скорость ротора равна скорости поля. При невозможности прямого асинхронного пуска из-за больших пусковых токов, возможно использование асинхронного пуска с переключением звезды на треугольник. Для мощных двигателей, как правило, применяют пуск с помощью специального разгонного двигателя. Хотя это сильно увеличивает стоимость двигателя, однако, для мощностей более 100 кВт синхронные двигатели оказываются предпочтительнее из-за возможности работать с опережающим коэффициентом мощности. (8)
Вопросы для самоконтроля.
1. Какой нагрузкой для сети является перевозбужденный синхронный двигатель? (1,2)
2. Каково назначение синхронных компенсаторов? (3)
3. Что такое рабочие характеристики синхронных двигателей? (4)
4. Перечислите основные эксплуатационные параметры синхронных двигателей .(5)
5. Почему прямой пуск СД без принятия специальных мер невозможен? (6)
6. Как запускают синхронные двигатели малой мощности? (7)
7. Каково основное достоинство синхронных двигателей? (8)