Синхронные электрические машины

3.1. Общие сведения

Электромагнитная схема синхронной машины имеет вид (рис3.1):

Рис. 3.1. Электромагнитная схема синхронной машины (а) и схема ее включения (б)

Важным отличием синхронной машины от асинхронной является то, что главный магнитный поток в ней создается НС постоянного тока возбуждения Iв, который машина получает от источника Uв, т. е. в машине имеет место раздельное питание обмоток статора и ротора.

Статор машины выполнен аналогично статору асинхронной машины. На нем расположена -фазная (обычно трехфазная) обмотка. Обмотка ротора 4 состоит из одной или нескольких катушек, образующих многополосную систему с тем же числом пар полюсов р, что и обмотка статора 3. Обмотка ротора соединяется с внешним источником питания Uв посредством контактных колец 5 и щеток 6.

При вращении ротора со скоростью n2 в обмотке статора индуктируется ЭДС , изменяющаяся с частотой

где

p - число пар полюсов машины.

При подключении обмотки статора к какой-либо нагрузке в ней протекает многофазный ток, который создает вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого поля:

Из приведенных выше выражений следует n1=n2, т. е. магнитные поля ротора и статора вращаются с одинаковой скоростью. Поэтому рассматриваемая машина получила название синхронной. В синхронной машине результирующий магнитный поток Фрез создается совместным действием намагничивающих сил обмотки возбуждения и обмотки статора и вращается с той же скоростью, что и ротор.

Часть электрической машины, в которой индуктируется ЭДС, принято называть якорем, поэтому в синхронной машине статор является якорем, а ротор - индуктором. Синхронная машина может работать в качестве автономного генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, а так же подключаться параллельно к сети, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т.е. работать генератором или двигателем. В результате взаимодействия тока ротора Iв с вращающимся магнитным полем, создается электромагнитный момент, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а в генераторном - тормозящим.

Таким образом, синхронная машина имеет следующие особенности:

- ротор машины, как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной скоростью, равной скорости вращения магнитного поля;

- частота изменения ЭДС Е1, индуктируемой в обмотке статора, пропорциональна скорости вращения ротора;

- в обмотке ротора ЭДС не индуктируется, а магнитное поле создается постоянным током, подводимым от внешнего источника, или постоянными магнитами.

38 принцип работы синхронного генератора. Уравнение электрического состояния фазы статора. Угловая, внешняя и регулировочная характеристика.

В синхронных машинах частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля статора и, следовательно, определяется частотой тока сети и числом пар полюсов, т. е. n = 60f/p и f = pn/60.
Как и всякая электрическая машина, синхронная машина обратима, т. е. может работать как генератором, так и двигателем.
Электрическая энергия вырабатывается синхронными reнераторами, первичными двигателями которых являются либо гидравлические, либо паровые турбины, либо двигатели внутреннего cгорания. Обычно обмотки возбуждения получают энергию от возбудителя, который представляет собой генератор постоянного тока.
Возбудитель находится на одном валу с рабочей машиной, и мощность его составляет малую величину, порядка 1 - 5% мощности синхронной машины, возбуждаемой им.
При небольшой мощности часто используются схемы питания обмоток возбуждения синхронных машин от сети переменного тока через полупроводниковые выпрямители.
Простейшим генератором может быть виток из провода 1 и 2, вращающийся в магнитном поле (изо). Магнитное поле возбуждается током обмотки возбуждения, помещенной на полюсах статора N - S.
При вращении витка проводники 1 и 2 пересекают магнитное поле, созданное между полюсами N - S, вследствие чего в витке будет индуктироваться эдс.
Концы витка соединены с кольцами 3, вращающимися вместе с витком. Если на кольцах поместить неподвижные щетки и соединить их с приемником электрической энергии, то по замкнутой цепи, состоящей из витка, колец, щеток и приемника энергии, пойдет электрический ток под действием эдс.
Полученная в таком простейшем генераторе эдс будет непрерывно изменяться в зависимости от положения витка в магнитном поле. Когда проводники 1 и 2 находятся под осями полюсов (см. изо), то при вращении витка они пересекают в единицу времени наибольшее число линий магнитного поля. Следовательно, в данный момент индуктируемая в витке эдс будет иметь наибольшее значение.
В дальнейшем при повороте витка изменится число линий магнитного поля, пересекаемых в единицу времени проводниками 1 и 2. При повороте витка на 90° в пространстве проводники будут перемещаться в вертикальном направлении, совпадающем с направлением магнитных линий поля. Следовательно, проводники 1 и 2 не пересекают магнитных линий и эдс в витке равна нулю.

39 работа синхронной машины в режиме двигателя. Принцип действия. Зависимость электромагнитного момента от тока возбуждения.

Синхронная машина, работающая параллельно с сетью, автоматически переходит в двигательный режим, если к валу ротора приложен тормозной момент. При этом машина начинает потреблять из сети активную мощность и возникает электромагнитный вращающий момент.Частота вращения ротора остается неизменной, жестко связанной с частотой сети по соотношению п2 = п1 = 60f1/p, что является важнейшим эксплуатационным свойством синхронных двигателей.

Векторные диаграммы. По основным комплексным уравнениям синхронной машины (6.15 и 6.21) могут быть построены векторные диаграммы. Однако для синхронного двигателя в приведенные уравнения вместо напряжения машины Ú, надо подставить —Úс, так как термин «напряжение двигателя» обычно не употребляется; при этом для неявнополюсной и явнополюсной машин имеем Построение векторных диаграмм (рис. 6.45, а и б) по формулам (6.45) рекомендуется начинать с изображения векторов Úc и - Úc. Затем строится вектор тока Íа, активная составляющая которого совпадает с направлением вектора Úc, и определяется вектор É0. При построении диаграммы для явнополюсной машины (рис. 6.45,б) нужно также (по аналогии с построением диаграммы для генератора, см. рис. 6.26, в) сначала определить направление вектора É0, прибавив к - Úc вспомогательный вектор jÍа Xq.

Чтобы выяснить свойства синхронного двигателя, рассмотрим его работу при изменении нагрузочного момента Мвн и постоянном токе возбуждения; при этом для простоты будем пользоваться векторной диаграммой неявнополюсной машины. Допустим, что двигатель работает при cos φ = 1, чему на векторной диаграмме (рис. 6.46, а) соответствуют ток Iа1 и угол θ1. С повышением нагрузки увеличивается угол между векторамиÉ0 и - Úc до какого-то значения θ2, так как согласно (6.35) вращающий моментМ = Мвнпропорционаленsin θ. При этом конец вектора É0 перемещается по окружности с радиусом, равным Е0, и при принятых условиях (Iв = const; E0 = const; Uc = const) вектор тока Ía2 также поворачивается вокруг точки О, располагаясь перпендикулярно вектору - jÍa2Xсн. Из диаграммы видно, что в рассматриваемом случае ток двигателя Ía2имеет отстающую реактивную составляющую. Если нагрузка двигателя уменьшается по сравнению с исходной, то угол θ уменьшается до значения θ3. При этом ток двигателяÍa3 имеет опережающую реактивную составляющую.

40 регулирование коэффициента мощности СД. Векторные деаграммы. U- образная характеристика

для преобразования переменного тока в постоянный находят применение моторгенераторные установки, в которых двигателем служит синхронная машина. Íàгрузка таких двигателей может колебаться в широких пределах, а в некоторых случаях может быть резко ударной, если, например, преобразовательная установка питает двигатели прокатных станов. Если приводной двигатель реверсивный, то нагрузка синхронной машины может менять знак. Знак нагрузки у- синхронной машины может меняться и в том случае, если преобразовательная установка обслуживает регулируемые нереверсивные двигатели. Здесь при переходе от высоких скоростей к низшим освобождающаяся энергия инерционных масс привода может перевести генераторы постоянного тока в режим двигателя, а синхронную машину — в режим генератора.

При переменной нагрузке и постоянном возбуждении косинус фи двигателя будет меняться, а вместе с тем и напряжение на вводных шинах. Применение быстродействующих регуляторов, работающих в зависимости от параметров сети, мало надежно при нагрузке, меняющей знак и величину. Такие регуляторы требуют наличия квалифицированного персонала.

Фирма Метрополитен-Виккерс снабжает полюса возбудителя синхронного двигателя сериесными обмотками. Эти обмотки питаются током, ответвленным от главной цепи генераторов постоянного тока (приключаются, например, параллельно компенсационной обмотке), т. е. пропорциональным нагрузке. При перемене знака нагрузки синхронной машины сериесные обмотки ухудшают положение, так как, в связи с изменением направления тока, происходит недовозбуждение синхронной машины. Такой случай имеет место, например, у синхронного двигателя аггрегата Леонарда на Кузнецкстрое.

Предлагаемый ниже способ дает регулироку косинуса фи при любых изменениях нагрузки (фиг. 1) и заключается в следующем. В цепь возбуждения возбудителя включаются два генератора 5, 6 постоянного тока с обмотками 7, 8 независимого возбуждения, э.д.с. которых направлены навстречу приложенному напряжению. Они снабжены также сериесными обмотками 9, 10, соединенными последовательно и намотанными так, что при данном направлении тока в них, одна из них является компаундной, а другая — противокомпаундной.

Сила тока возбуждения возбудителя равна

41 Сравнительная оценка конструкции, свойства и характеристика асинхронных и синхронных двигателей.

Характеристики асинхронных двигателей. Для правильной эксплуатации асинхронного двигателя необходимо знать его характеристики: механическую и рабочие.

Механическая характеристика. Зависимость частоты вращения ротора от нагрузки (вращающегося момента на валу) называется механической характеристикой асинхронного двигателя (рис. 262, а). При номинальной нагрузке частота вращения для различных двигателей обычно составляет 98—92,5 % частоты вращения n1 (скольжение sном = 2 – 7,5 %). Чем больше нагрузка, т. е. вращающий момент, который должен развивать двигатель, тем меньше частота вращения ротора. Как показывает кривая

Рабочие характеристики. Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называются зависимости частоты вращения n (или скольжения s), момента на валу М2, тока статора I1коэффициента полезного действия? и cos?1, от полезной мощности Р2 = Рmx при номинальных значениях напряжения U1 и частоты f1 (рис. 264). Они строятся только для зоны практической устойчивой работы двигателя, т. е. от скольжения, равного нулю, до скольжения, превышающего номинальное на 10—20%. Частота вращения n с ростом отдаваемой мощности Р2 изменяется мало, так же как и в механической характеристике; вращающий момент на валу М2 пропорционален мощности Р2, он меньше электромагнитного момента М на значение тормозящего момента Мтр, создаваемого силами трения. Работа синхронного двигателя характеризуется рабочими характеристиками (рис. 42), которые представляют собой зависимость частоты вращения ротора n2, потребляемой мощности P1, полезного момента M2, коэффициента мощности cos φ, КПД η и тока в обмотке статора I1 от полезной мощности двигателя P2 при f = const (рис. 33). Частота вращения ротора n2 всегда равна синхронной частоте n2, поэтому график n2 = f(P2) имеет вид прямой параллельной оси абсцисс. Потребляемая мощность P1 = P2 + ∑P, где ∑P - мощность потерь, поэтому с увеличением потерь она растёт быстрее полезной мощности P2 и график P1 = f(P2) имеет несколько криволинейный вид. Т. к. полезный момент M2 = P2/2πf, а рабочие характеристики снимаются при условии f = const, то график M2 = f(P2) имеет вид прямой, выходящей из начала координат. Вид графика cos φ = f(P2) зависит от вида настройки тока возбуждения. Обычно синхронные двигатели рассчитывают на работу при номинальной нагрузке с опережающим током и cos φ ≈ 0,8, что приводит к повышению номинальной мощности сети. Вид графика η = f(P2) имеет характер, общий для всех электрических машин. График I1 = f(P2) показывает, что с увеличением нагрузки навалу двигателя ток I1 растёт быстрее, чем потребляемая мощность P1.

Режимы работы элетродвигателей в электроприводах. Нагрузочные диаграммы. Перегрев и охлаждение ЭД. Расчет эквивалетной мощности двигателя по нагрузочной диаграмме.

Электродвигатели должны соответствовать режиму работы приводимого механизма. Режимы работы судовых механизмов чрезвычайно разнообразны, поэтому характер тепловых процессов, протекающих в обмотках ЭД, неодинаков для различных приводов.

В соответствии с условиями нагрева ЭД различают 3 основных режима работы ЭП:

1. продолжительный,

2. кратковременный

3. повторно-кратковременный.

Продолжительным называют режим, длительность которого настолько велика, что температура нагрева при работе успевает достигнуть установившегося значения, а за время последующей паузы ЭД охлаждается до температуры окружающей среды.

В этом режиме работают ЭП судовых насосов, вентилято­ров, а также гребные ЭД.

Кратковременным называют циклический режим, продолжитель­ность рабочих периодов которого настолько мала, что температура нагрева ЭД не успевает за время работы достичь установившегося значения, а продолжительность паузы между двумя периодами настолько велика, что температура нагрева успевает снизиться до температуры окружающей среды.

В таком режиме на судах рабо­тают ЭП якорно-швартовных устройств. Если ЭД, рассчитанный заводом-изготовителем для продолжительного режима работы, использовать полностью в кратковременном режиме, то он будет перегружен по механическим свойствам. Другими словами, недос­таточная механическая перегрузочная способность двигателей, рассчитанных для продолжительного режима работы, не позволяет полностью использовать их в кратковременных режимах. В связи с этим промышленность выпускает ЭД, специально рассчитанные для кратковременных режимов работы. В каталогах эти двигатели приводятся для стандартных длительностей работы -10, 30 и 60 мин.

Повторно-кратковременный режим характеризуется тем, что за время работы ЭД не успеет нагреться до установившейся темпера­туры, а за время паузы не успеет охладиться до температуры окружающей среды. Суммарная продолжительность рабочего пе­риода и паузы т.е. время цикла не должна превышать 10 мин.