Как осуществляется возбуждение синхронных машин. Системы возбуждения синхронных машин. Конструкция синхронного электродвигателя с обмоткой возбуждения

Система возбуждения синхронной машины состоит из возбудителя и системы регулирования тока возбуждения, замыкающегося в обмотке возбуждения синхронной машины и в обмотках возбудителя. Система возбуждения должна обеспечивать надежную работу синхронной машины, выполняя регулирование тока возбуждения, форсировку возбуждения, гашение поля возбуждения. Эти процессы в крупных машинах осуществляются автоматически. Системы возбуждения делятся на два типа - прямые и косвенные.

В прямых системах возбуждения якорь возбудителя жестко соединен с валом синхронной машины. В косвенных системах возбуждения возбудитель приводится во вращение двигателем, который питается от шин собственных нужд электростанции или вспомогательного генератора. Последний может быть соединен с валом синхронной машины или работать автономно. Прямые системы более надежны, так как при аварийных ситуациях в энергосистеме ротор возбудителя продолжает вращаться вместе с ротором синхронной машины и обмотка возбуждения не обесточивается.

На рис. 4.79, а -в приведены наиболее распространенные схемы возбуждения синхронных машин.

На рис. 4.79, а представлена наиболее распространенная прямая схема с электромашинными возбудителями. К обмотке возбуждения ОВГ синхронного генератора СГ постоянный ток через контактные кольца подается с якоря возбудителя В. Обмотка возбуждения возбудителя ОВВ питается от якоря подвозбудителя ПДВ. Управление током в обмотке возбуждения синхронного генератора осуществляется резистором R p , включенным в цепь обмотки возбуждения подвозбудителя ОВПДВ.

Подвозбудитель и возбудитель - генераторы постоянного тока. Их якоря муфтами соединены с ротором синхронного генератора. Мощность обмотки возбуждения ге-

Рис. 4.79.

нераторов постоянного тока составляет 0,2-5% мощности генератора. Поэтому мощность управления в каскадной схеме из двух генераторов постоянного тока (см. рис. 4.79, а) составляет несколько процентов мощности возбуждения синхронного генератора. Коэффициент усиления схемы равен произведению коэффициентов усиления по мощности двух генераторов постоянного тока (И) 2 -10 3).

Предельная мощность генератора постоянного тока с частотой вращения 3000 об/мин примерно 600 кВт. Поэтому генераторы постоянного тока в качестве возбудителей могут применяться в турбогенераторах мощностью 100-150 МВт. Генераторы постоянного тока в качестве возбудителей находят широкое применение в синхронных двигателях и синхронных генераторах автономных энергетических систем.

На рис. 4.79, б дана схема косвенного возбуждения с возбудителем - генератором постоянного тока с независимым возбуждением. Якорь генератора постоянного тока вращается асинхронным АД или синхронным двигателем, которые подсоединяются к сети переменного тока, не зависящей от напряжения синхронного генератора.

Наибольшее распространение получили схемы возбуждения со статическими преобразователями переменного тока в постоянный. В 1950-х гг. для возбуждения гидрогенераторов применялась схема возбуждения с ртутными выпрямителями, а в последнее время широкое применение находят

тиристорные схемы возбуждения, которые могут быть контактными и бесконтактными. В контактных схемах через кольца ток возбуждения от тиристорного преобразователя подается на обмотку возбуждения. При этом переменный ток на тиристорный преобразователь подается или от элек- тромашинного возбудителя, или от сети.

В крупных турбогенераторах в качестве электромашин- ного источника электрической энергии используется индукторный высокочастотный генератор (рис. 4.80). Ротор индукторного генератора жестко связан с ротором турбогенератора. На роторе индукторного генератора нет обмоток, а обмотки якоря расположены на статоре. Принцип действия индукторного генератора рассматривается в параграфе 4.23.

В бесщеточных системах возбуждения обмотка якоря и выпрямители находятся на роторе. Возбудитель выполняется многофазным для турбогенератора мощностью 1000 МВт, 1500 об/мин. Возбудитель имеет длину 3 м. Мощность возбудителя в кратковременном режиме 7,2 МВт и при длительной работе 2,8 МВт. Максимальный ток 9,6 к А при напряжении 0,75 кВ. В турбогенераторе мощностью 500 МВт мощность возбудителя 2,4 МВт.

Ко всем системам возбуждения предъявляются жесткие требования, регламентированные ГОСТ 21558-2000. Систе-

Рис. 4.80. Индукторный возбудитель турбогенераторов мы возбуждения должны обеспечивать форсировку возбуждения при снижении напряжения сети и аварийных режимах. Согласно указанному ГОСТу кратность предельного установившегося напряжения возбудителя (отношение максимального напряжения возбудителя к номинальному напряжению возбудителя) для крупных генераторов и синхронных компенсаторов равна 1,8-2, для других синхронных машин - 1,4-1,6.

Системы возбуждения должны быть быстродействующими. Номинальная скорость нарастания напряжения возбудителя, т.е. изменение напряжения от номинального до максимального, должна быть 1 - 1,5 с для крупных машин, а для остальных 0,8-1 с.

Регулирование тока возбуждения, как правило, осуществляется путем изменения напряжения возбудителя. Так как возбудитель не насыщен, ток возбуждения изменяется пропорционально напряжению. Только в синхронных машинах небольшой мощности регулирование тока возбуждения осуществляется реостатами.

Гашение поля при аварийных режимах обеспечивается ЛГП за 0,8-1,5 с. Обычно сопротивление, на котором происходит гашение поля, в 5 раз превышает сопротивление контура возбуждения, а напряжение на нем в переходном процессе не превышает более чем в 5 раз напряжение возбуждения.

Наряду с системами возбуждения, рассмотренными выше, применяются системы возбуждения от высших гармоник и обратной последовательности.

В воздушном зазоре электрической машины существует бесконечный спектр гармоник поля, которые вращаются со скоростью, отличающейся от основной гармоники, или вращаются в противоположном направлении по отношению к основной гармонике. Высшие гармоники поля наводят в обмотках ротора напряжения, зависящие от скольжения и амплитуды гармоники. Если закоротить обмотки ротора выпрямителями, в них будет протекать пульсирующий ток высших гармоник, который создаст постоянный поток возбуждения (рис. 4.81).

Обычно для возбуждения используется 3-я гармоника поля и выполняется специальная обмотка на роторе с числом полюсов, в 3 раза большим по отношению к основной гармонике. С возбуждением от 3-й гармоники выпускается серия синхронных генераторов ЕС мощностью до 100 кВт.

Представляет интерес использование для возбуждения обратного поля. В однофазных двигателях при возбуждении от обратной последовательности (см. рис. 4.81) могут быть получены массогабаритные и энергетические характеристики, близкие к характеристикам трехфазных асинхронных двигателей.

Рис. 4.81.

Системы возбуждения синхронных машин весьма разнообразны и во многом определяют конструкцию синхронной машины. Некоторые видоизменения систем возбуждения будут рассмотрены при изучении специальных синхронных машин.

Характеристики системы возбуждения определяются сочетанием свойств источника питания обмотки возбуждения и устройств автоматического регулирования. Системы возбуждения должны обеспечивать:

1) надежное питание обмотки ротора синхронной машины во всех режимах, в том числе и при авариях;

2) устойчивое регулирование тока возбуждения при изменении нагрузки в пределах номинальной;

3) достаточное быстродействие;

4) форсировку возбуждения.

Системы возбуждения классифицируются в зависимости от источника питания-обмотки возбуждения на зависимые (самовозбуждение) и независимые. Зависимая - питается от главной или дополнительной обмотки якоря возбуждаемого генератора. Независимая питается от других источников (от шин собственных нужд станции, от возбудителя или вспомогательного генератора).

Среди независимых систем возбуждения различают:

а) прямые системы возбуждения, в которых ротор возбудителя или вспомогательного генератора находится на одном валу с ротором
синхронной машины или сопрягается с ним редуктором скорости;

б) косвенные системы возбуждения, в которых ротор возбудителя или вспомогательного генератора приводится во вращение синхронным или асинхронным двигателем, специально установленным для этой цели.

До 60-х годов прошлого века применялись прямые электромашинные системы возбуждения, в которых обмотка возбуждения синхронной машины питается от коллекторного генератора постоянного тока - возбудителя (рис. 24.26, а).

В соответствии с ГОСТ 533-76, ГОСТ 5616-81 и ГОСТ 609-75 турбо- и гидрогенераторы и синхронные компенсаторы могут иметь только обладающие наибольшей надежностью прямую систему возбуждения или систему самовозбуждения. Но электромашинные системы возбуждения по условиям коммутации не могут применяться в турбогенераторах мощностью 200 МВт и выше, у которых мощность возбуждения превышает 800-1000 кВт.

В. настоящее время все большее распространение получают вентильные системы возбуждения . Они применяются для синхронных двигателей и генераторов небольшой мощности, а также для крупных турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов, в том числе и для установок предельных мощностей.

Различают три основные разновидности вентильных систем возбуждения.

1. Независимая вентильная система возбуждения (рис. 24.26, б), в которой питание обмотки возбуждения осуществляется от вспомогательного синхронного генератора, ротор которого укреплен на валу главного генератора. В схемах выпрямителей в этом случае используются полупроводниковые вентили (кремниевые диоды или тиристоры), собранные по трехфазной мостовой схеме. При регулировании возбуждения генератора используются одновременно возможности управления выпрямителями и возможности изменения напряжения вспомогательного генератора.

2. Бесщеточная система возбуждения, которая отличается от независимой вентильной системы (рис. 24.26, б )тем, что имеет обращенный вспомогательный синхронный генератор, у которого обмотка переменного тока 3 размещается на роторе. Выпрямитель 5, получающий питание от этой обмотки, расположен на валу главного генератора. Преимуществом данной системы является отсутствие скользящих контактов, которые в мощных турбогенераторах должны быть рассчитаны на тысячи ампер

3 . Система самовозбуждения (рис. 24.26, в), в которой питание обмотки возбуждения производится от главной или дополнительной обмотки якоря. Выпрямление переменного тока осуществляется с помощью тиристоров. Отбор энергии осуществляется с помощью трансформаторов 9 и 7, включенных соответственно параллельно и последовательно с обмоткой статора. Трансформатор 7 позволяет обеспечить форсирование возбуждения при близких коротких замыканиях, когда напряжение на обмотке якоря существенно снижается. Система самовозбуждения имеет по сравнению с другими системами более высокую надежность и меньшую стоимость из-за отсутствия в ней возбудителя или вспомогательного генератора.

Важными параметрами систем возбуждения являются номинальная скорость нарастания напряжения возбуждения, номинальное напряжение возбуждении, кратность форсировки возбуждения.

Номинальное напряжение возбуждения - напряжение на выводах обмотки возбуждения при питании ее номинальным током возбуждения и сопротивлении обмотки, приведенном к расчетной рабочей температуре.

Кратность форсировки возбуждения - отношение наибольшего установившегося значения напряжения возбуждения к номинальному напряжению возбуждения.

В схеме возбуждения предусматривается специальное устройство, с помощью которого можно в аварийной ситуации достаточно быстро уменьшить ток возбуждения до нуля (погасить магнитное поле ). Например, при внутренних коротких замыканиях в обмотке статора гашение поля осуществляется с помощью автомата гашения поля, который замыкает обмотку возбуждения на специальный гасительный резистор.

Для удержания синхронной машины в синхронизме при снижении напряжения сети при удаленных коротких замыканиях прибегают к форсированию ее тока возбуждения. Форсирование производится автоматически релейной защитой машины. Эффективность форсировки характеризуется кратностью форсировки возбуждения.

Синхронные машины - это такие машины, в которых частота вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля статора. Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор. Наиболее частым исполнением является, якорь располагается на статоре, а на отделённом от него воздушным зазором роторе находится индуктор. Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора. Индуктор состоит из полюсов - электромагнитов постоянного тока или постоянных магнитов. Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, незаполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса. Для уменьшения магнитного сопротивлени я, применяют ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную конструкцию из электротехнической стали. Любая синхронная машина нуждается в процессе возбуждения - наведения в ней магнитного поля. Основным способом возбуждения синхронных машин является электромагнитноевозбуждение, сущность которого состоит в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения. При про­хождении по этой обмотке постоянного тока возни­кает МДС возбуждения, которая наводит в магнит­ной системе машины магнитное поле. Для питания обмотки возбуждения применяются специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В, обмотка возбуждения которого (ОВ) получала пита­ние постоянного тока от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронной машины и якоря возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронной машины поступает через контактные кольца и щетки. Для регулирования тока возбуждения применяют регу­лировочные реостаты, включаемые в цепи возбуж­дения возбудителя (r 1)и подвозбудителя (r 2).

Получила применение в синхронных генераторах бескон­тактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе.

В качестве возбудителя и в этом случае применяют генератор переменного тока, у которого обмотка, в которой наводится ЭДС (обмотка якоря), расположена на роторе, а обмот­ка возбуждения расположена на статоре. В результате обмотка якоря возбудителя и обмотка возбуждения синхронной машины оказываются вращающимися, и их электрическое соединение осу­ществляется непосредственно, без контактных колец и щеток. Но так как возбудитель является генератором переменного тока, а об­мотку возбуждения необходимо питать постоянным током, то на выходе обмотки якоря возбудителя включают полупроводниковый преобразователь, закрепленный на валу синхронной машины и вращающийся вместе с обмоткой возбуждения синхронной маши­ны и обмоткой якоря возбудителя. Питание постоянным током обмотки возбуждения возбудителя осуществляется от подвозбудителя (ПВ) - генератора постоянного тока. В синхронных генераторах, в том числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения, когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупро­водниковый преобразователь (ПП) преобразуется в энергию по­стоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного магнетизма магнитопровода машины.

Вопрос 58. Характеристики синхронного генератора: холостого хода, короткого замыкания, внешняя характеристика, регулировочная, нагрузочная, угловые характеристики. Их вид и анализ. Характеристика холостого хода синхронного генератора . Имеет прямолинейные и криволинейные участки, что связано с насыщением стали магнитной системы. Характеристика к.з: Это зависимость тока статора от тока возбужденияпри замкнутых выводах обмотки статора и постоянной частоте вращения. Машина будет работать на прямолинейном участке нагрузочной характеристики, и характеристика к.з. будет прямолинена.Внешняя характеристика . Представляет собой зависимость напряжения на выводах обмотки статора от тока нагрузки: U 1 = f (I 1) при I в = const; соs φ 1 , = const; n 1 = n ном = const.Регулировочная характеристика . Она показывает, как следует изменять ток возбуждения генератора при изменениях нагрузки, что­бы напряжение на зажимах генератора оставалось неизменно равным номинальному: I в = f (I 1) при U 1 = U 1ном = const; n 1 = n ном = const и cos φ 1 = const.++++Рисунки

Вопрос 57. Магнитное поле и реакция якоря синхронной машины. Уравнение напряжений синхронного генератора. Векторные диаграммы синхронного генератора при различных видах нагрузок. Воздействие МДС обмотки статора (якоря) на МДС обмотки возбуждения называется реакци­ей якоря. Реакция якоря оказывает влияние на рабочие свойства синхронной машины, так как изменение магнитного поля в маши­не сопровождается изменением ЭДС, наведенной в обмотке стато­ра, а следовательно, изменением и рада других величин, связан­ных с этой ЭДС. Влияние реакции якоря на работу синхронной машины зависит от значения и характера нагрузки. Синхронные генераторы, как правило, работают на смешан­ную нагрузку (активно-индуктивную или активно-емкостную). Но для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря на работу син­хронной машины целесообразно рассмотреть случаи работы гене­ратора при нагрузках предельного характера, а именно: активной, индуктивной и емкостной. При активной нагрузке ток в обмотке статора совпадает по фазе с ееЭДС . Это означает, что максимальной будет соот­ветствовать максимальному току. Показав по правилу «буравчика» направление магнитных потоков обмоток возбуждения и статора, видим, что поток статора Ф направлен перпендикулярно потоку возбуждения Фо, т. е. имеет место поперечная реакция якоря. В синхронной машине поперечная реакция якоря приводит к тем же последствиям, что и в машине постоянного тока искажается результирующее поле машины. Магнит­ное поле ослабляется под набегающим краем полюса и усиливает­ся под сбегающим краем полюса. Так как усиление поля ограни­чено насыщением стали, а ослабление не ограничено, результирующий магнитный поток машины уменьшается. Это ведет к уменьшению ЭДС машины. При индуктивной нагрузке ток статора отстает от ЭДС по фазе на 90°. Поэтому, когда ток статора достигнет мак­симума, ротор успеет провернуться на 90° и поток статора Ф г на­правлен вдоль оси полюса ротора противоположно основному по­току Фо- Таким образом, поток статора при индуктивной нагрузке ослабляет поле машины, и реакция якоря оказывает продольно-размагничивающее действие. При емкостной нагрузк е ток статора опережает ЭДС на 90°, и ток будет максимальным тогда, когда ротор еще не довернется до вертикального положения на 90°, и потоки статора и обмотки возбуждения будут совпадать. При этом магнитное по­ле машины усиливается, реакция якоря - продольно-намагничивающаяся.

Вопрос 60. Параллельная работа синхронных генераторов. Необходимость и условия включения на параллельную работу синхронных генераторов. Способы включения синхронных генераторов на параллельную работу. Применение нескольких параллельно включенных синхронных генераторов вместо одного генератора суммарной мощности необходимо для обеспечения бесперебойного энергоснабжения в случае аварии в каком-либо генераторе или отключения его для ремонта. Для включения синхронного генератора на параллельную работу необходимо выполнить следующие условия : 1. Напряжение подключаемой машины должно быть равно напряжению сети или работающей машины. 2. Частота подключаемого генератора должна быть равна частоте сети. 3. Напряжения всех фаз подключаемой машины должны быть противоположны по фазе напряжениям соответствующих фаз сети или работающей машины. 4. Для подключения на параллельную работу трехфазного синхронного генератора необходимо также обеспечить одинаковое чередование фаз подключаемой машины и сети.Приведение генератора в состояние, удовлетво­ряющее всем указанным условиям, называют син­хронизацией. Несоблюдение любого из условий син­хронизации приводит к появлению в обмотке статора больших уравнительных токов, чрезмерное значение которых может явиться причиной аварии.Включить генератор в сеть с параллельно рабо­тающими генераторами можно или способом точной синхронизации, или способом самосинхронизацииСпособ точной синхронизации . Сущность это­го способа состоит в том, что, прежде чем включить генератор в сеть, его приводят в состояние, удовле­творяющее всем вышеперечисленным условиям. Момент соблюдения этих условий, т. е. момент син­хронизации, определяют прибором, называемым синхроноскопом. Способ самосин­хронизации . Ротор не­возбужденного генера­тора приводят во вра­щение первичным дви­гателем до частоты вращения, отличающейся от синхронной не более чем на 2-5%, затем генератор подключают к сети. Для того чтобы избежать перенапряжений в обмотке ротора в момент подключения генератора к сети, ее замыкают на некоторое активное Сопротивление. Так как в момент подключения генератора к сети его ЭДС равна нулю (генератор не возбужден), то под действием напряжения сети в обмотке статора наблюдается резкий бросок тока, превышающий номинальное значение тока генератора. Вслед за включением обмотки статора в сеть подключают обмотку возбуждения к источнику постоянного тока и синхронный генера­тор под действием электромагнитного момента, действующего на его ротор, втягивается в синхронизм, т. е. частота вращения ротора становится синхронной. При этом ток статора быстро уменьшается.

Вопрос 62. Синхронные машины специального назначения. Реактивные синхронные, гистерезесные, шаговые двигатели. Назначение, устройство и принцип действия. Реактивный двигатель представляет собой явнополюсную синхронную машину без обмотки возбуждения. Поток двигателя и его вращающий момент создается м. д. с. реакции якоря, отсюда и название - реактивный двигатель. Момент двигателя М д возникает за счет дополнительной мощности Р д, имеющей место вследствие неодинаковой проводимости ротора по осям d и q. На выгоднейшим отношением x q /x d можно считать величину, близкую к 0,5.У реактивных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. Поэтому их роторы снабжаются короткозамкнутой пусковой обмоткой. При синхронном вращении короткозамкнутая обмотка является успокоительной, демпфирующей колебания ротора. Недостаток реактивных двигателей - низкий максимальный момент, коэффициент мощности (cosφ = 0,5) и к. п. д. У двигателей мощностью в несколько десятков ватт η= 35÷40%, а у двигателей мощностью в несколько ватт η<25%. К достоинству реактивных синхронных двигателей следует отнести отсутствие колебаний ротора и высокую надежность работы.Шаговые двигатели .Для преобразования управляющих импульсов в заданный угол поворота применяются синхронные двигатели, в которых поле вращается не равномерно, а при подаче сигнала поворачивается скачкообразно. Такие двигатели называются шаговыми. На статоре шаговые двигатели имеют две (иногда три) сдвинутые в пространстве обмотки, которые могут быть сосредоточенными или распределенными. Ротор двигателей всегда имеет явновыражен-ное исполнение. Шаговые двигатели разделяются на двигатели с активным ротором (имеющие обмотку возбуждения или постоянные магниты) и двигатели с реактивным ротором (не имеющие возбуждения). Шаговый двигатель работает следующим образом. В обмотку статора (или комбинацию статоров) подается постоянный ток. При этом полюса ротора устанавливаются против возбужденных полюсов статора, по обмоткам которых проходит ток. Когда постоянный ток подают в другие обмотки статора, ротор поворачивается на один шаг в положение, при котором его полюсы устанавливаются против следующих возбужденных полюсов статора. При каждом переключении постоянного тока в обмотках управления ротор двигателя поворачивается на один шаг. К шаговым двигателям предъявляются следующие требования : надежность в работе, быстродействие, малый шаг, недопустимость накопления ошибки с увеличением числа шагов, отсутствие свободных колебаний при отработке шага, минимальное число обмоток управления. Гистерезисным двигателем называют синхронный двигатель, вращающий момент которого создается за счет явления гистерезиса при перемагничивании феррамагнитного материала ротора. Статор гистерезисного двигателя выполняется аналогично статору асинхронного двигателя: на нем имеется обмотка, создающая вращающееся магнитное поле (трехфазная, двухфазная с постоянно включенной емкостью, сосредоточенная с экранированным полюсом и т. п.). Ротор двигателя сделан из магнитно-твердого материала и обмотки не имеет. Вращающий момент гистерезисного двигателя возникает за счет сильно выраженного гистерезиса материала ротора.Сущность гистерезиса состоит в том, что при изменении (вращении) внешнего по отношению к ротору магнитного поля элементарные магниты вследствие сил молекулярного трения устанавливаются (поворачиваются) по направлению поля с некоторым отставанием.При включении обмотки статора в сеть переменного тока в машине образуется вращающееся магнитное поле; при этом наведенные полюсы ротора вращаются с той же частотой, что и полюсы статора. При отсутствии гистерезиса полюсы ротора располагаются точно под полюсами статора:

Вопрос 61. Синхронные двигатели. Основные сведения и принцип работы. Пуск синхронных двигателей. Рабочие и U-образные характеристики синхронных двигателей. Синхронный компенсатор. Назначение и устройство. Синхронная машина состоит из двух основных частей: неподвижной - статора и вращающейся - ротора, и имеет две основные обмотки. Одна обмотка подключается к источнику постоянного тока. Протекающий по этой обмотке ток создает основное магнитное поле машины. Эта обмотка располагается на полюсах и называется обмоткой возбуждения. Иногда у машин небольшой мощ­ности обмотка возбуждения отсутствует, а магнитное поле создается постоянными магнитами. Другая обмотка является обмоткой якоря. В ней индуктируется основная ЭДС машины. Она укладывается в пазы якоря и состоит из одной, двух или трех обмоток фаз. Если через обмотку возбуждения протекает постоянный ток, то он создает постоянное во времени магнитное поле с чередующейся полярностью. При вращении полюсов и, следовательно, магнитного поля относительно проводников обмотки якоря в них индуктируются переменные ЭДС, которые, суммируясь, определяют результирующие ЭДС фаз. Если на якоре уложены три одинаковые обмотки, магнитные оси которых сдвинуты в пространстве на электрический угол, равный 120°, то в этих обмотках индуктируются ЭДС, образующие трехфазную систему. Частота индук­тируемых в обмотках ЭДС зависит от числа пар полюсов р и частоты вращения ротора п:f1 = pn/60.

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

Одним из главных недостатков синхрон ных двигателей является сложность их пуска в ход. Пуск синхронных двигателей может быть осуществлен при помощи вспомогательного пускового двигателя или путем асинхронного пуска. Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя . Если ротор синхронного двигателя с возбужденными полюсами развернуть другим, вспомогательным двигателем до скорости вращения поля статора, то магнитные полюсы статора, взаимодействуя с полюсами ротора, заставят ротор вращаться далее самостоятельно без посторонней помощи, в такт с полем статора, т. е. синхронно. Для осуществления пуска необходимо, чтобы число пар полюсов асинхронного двигателя было меньше числа пар полюсов синхронного двигателя, ибо при этих условиях вспомогательный асинхронный двигатель может развернуть ротор синхронного двигателя до синхронной скорости. Сложность пуска и необходимость вспомогательного двигателя являются существенными недостатками этого способа пуска синхронных двигателей. Поэтому в настоящее время он применяется редко. Асинхронный пуск синхронного двигателя. Для осуществления этого способа пуска в полюсных наконечниках полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкнутая обмотка. Так как во время пуска в обмотке возбуждения двигателя наводится большая э. д. с, то по соображениям безопасности она замыкается рубильником на сопротивление. При включении напряжения трехфазной сети в обмотку статора синхронного двигателя возникает вращающееся магнитное поле, которое, пересекая короткозамкнутую (пусковую) обмотку, заложенную в полюсных наконечниках ротора, индуктирует в ней токи. Эти токи, взаимодействуя с вращающимся полем статора, приведут ротор во вращение. При достижении ротором наибольшего числа оборотов (95-97% синхронной скорости) рубильник переключают так, чтобы обмотку ротора включить в сеть постоянного напряжения. Недостатком асинхронного пуска является большой пусковой ток. Зависимость тока якоря от тока возбуждения называется U-о бразной характеристикой синхронной машины. Анализируя эти характеристики, видим, что минимальное значение тока якоря имеет место при некотором определенном значении тока возбуждения, соответствующем работе с cosφ = 1. При любом изменении (увеличении или уменьшении) тока возбуждения ток якоря I a возрастает вследствие увеличения реактивной составляющей. Рабочие характеристики синхрон­ного двигателя

Синхронные компенсаторы применяют для регулирования режимов работы энергетических систем, для поддержания оптимального уровня напряжения, снижения потерь электроэнергии в сетях, увеличения пропускной способности и обеспечения устойчивости энергосистем.

Синхронные компенсаторы представляют собой синхронные машины, работающие в режиме двигателя без активной нагрузки и генерирующие в сеть реактивный опережающий (емкостный) или отстающий (индуктивный) ток.

Электроприводы с синхронными двигателями можно разделить на три класса из условий формирования нагрузок: электроприводы с неизменной или медленно меняющейся нагрузкой, электроприводы с пульсирующей нагрузкой, электроприводы с резкопеременной нагрузкой. Основные технические характеристики синхронных электроприводов в зависимости от типа возникающей нагрузки приведены в табл. 6.1.

Как следует из табл. 6.1, в электроприводах с пульсирующей и резкопеременной нагрузкой необходимо осуществлять автоматическое регулирование возбуждения синхронного двигателя. Системы автоматического регулирования возбуждения обеспечивают устойчивую работу синхронного двигателя при набросах нагрузки или при снижении напряжения питающей сети. В этих случаях системы автоматического регулирования возбуждения увеличивают ток возбуждения, благодаря чему увеличивается максимальный момент синхронного двигателя. Кроме того, изменение тока возбуждения синхронного двигателя позволяет регулировать реактивную мощность статорной цепи двигателя.

Таблица 6.1

Возможность регулирования реактивной мощности в цепи статора синхронного двигателя путем изменения его тока возбуждения иллюстрируется векторными диаграммами, приведенными на рис. 6.14.

Рис. 6.14. Векторные диаграммы синхронного двигателя при разных токах обмотки возбуждения: а - ток возбуждения меньше номинального; б - ток возбуждения равен номинальному; в - ток возбуждения больше номинального

Векторная диаграмма рис. 6.14, а соответствует току обмотки возбуждения меньше номинального, при этом вектор тока статора /, отстает от вектора напряжения сети LJ X на угол ср. Реактивная мощность активно-индуктивная. При увеличении тока возбуждения (рис. 6.14, б) ЭДС Е } , наводимая в обмотках статора, увеличивается и может достигнуть такого значения, при котором ток статора /, будет совпадать по фазе с напряжением (/, то есть costp = 1. Реактивная мощность равна нулю. Если ток обмотки возбуждения еще увеличить, то вектор тока статора /, будет опережать по фазе вектор напряжения 6/, (работа с опережающим coscp) и синхронный двигатель будет эквивалентен активно-емкостной нагрузке, включенной параллельно с сетью (рис. 6.14, в).

На рис. 6.15 приведены ^/-образные характеристики. Они показывают зависимость тока статора /, синхронного двигателя от тока возбуждения / в при различных нагрузках на валу двигателя (М с! При численных значениях параметров 67-образные характеристики позволяют правильно выбрать ток возбуждения, для того чтобы обеспечить необходимый режим работы синхронного двигателя.

В настоящее время на практике применяются системы автоматического регулирования возбуждения. В зависимости от схемных решений системы автоматического регулирования тока возбуждения могут выполнять следующие основные функции:

• обеспечивать устойчивую работу синхронного двигателя при заданных режимах нагрузки;
• поддерживать оптимальное напряжение в узле нагрузки, к которому подключен синхронный двигатель;
• обеспечивать минимум потерь энергии в синхронном двигателе и системе электроснабжения.

Рис. 6.15.

При выборе схем автоматического регулирования тока возбуждения руководствуются следующими положениями:

• в электроприводах с неизменной нагрузкой и незначительными колебаниями напряжения питающей сети установка устройств автоматического регулирования тока возбуждения, как правило, не предусматривается;
• в электроприводах с пульсирующей нагрузкой или ударной нагрузкой необходима установка устройств автоматического регулирования тока возбуждения. Ток возбуждения таких двигателей регулируется в функции активного тока статора, что позволяет значительно повысить перегрузочную способность двигателя, а в ряде случаев уменьшить его установленную мощность;
• при работе синхронного двигателя с резкопеременной нагрузкой также необходима установка устройств автоматического регулирования тока возбуждения, однако в этом случае система регулирования должна реагировать не только на изменение нагрузки, но также и на скорость этого изменения.

Простейшая схема системы автоматического регулирования тока возбуждения для электроприводов с пульсирующей нагрузкой приведена на рис. 6.16. Система позволяет обеспечить возбуждение синхронного двигателя во всех штатных режимах его работы. При изменении нагрузки на валу двигателя возрастает и ток обмотки статора /, что

приводит к росту сигнала положительной обратной связи по току U oc[

и, как следствие, - к увеличению напряжения управляемого выпрямителя и росту тока возбуждения синхронного двигателя.

Рис. 6.16.

Учитывая пропорциональность между ЭДС и магнитным потоком Ф, а следовательно, и током обмотки возбуждения / в, уравнение (1.71) можно записать в следующем виде:

где к в - коэффициент пропорциональности между потоком Ф и током возбуждения 1 а.

Анализ (6.10) показывает, что увеличение тока возбуждения вызывает рост максимального момента синхронного двигателя. Следовательно, автоматическая регулировка возбуждения приводит к повышению динамической устойчивости синхронного двигателя при изменении нагрузки на его валу и демпфированию качания ротора.

Поддерживать оптимальное напряжение в узле нагрузки, к которому подключен синхронный двигатель, также возможно с помощью систем автоматического регулирования тока возбуждения.

Для улучшения показателей работы разветвленной промышленной сети производят компенсацию реактивной мощности путем установки синхронных двигателей или синхронных компенсаторов . На рис. 6.17 показана схема узла нагрузки, к которому подключены потребители, генерирующие и потребляющие реактивную мощность.

Рис. 6.1 7.

Индуктивный реактивный ток / р равен сумме реактивных токов п

потребителей (трансформаторов; асинхронных двигателей; двигателей постоянного тока, питающихся от регулируемых преобразователей) и определяется по выражению

где / . - реактивный ток /-й нагрузки.

Для полной компенсации реактивной мощности в сети необходимо выполнить условие

Реактивный ток синхронной машины, необходимый для компенсации падения напряжения сети:

где Х п - эквивалентное фазное реактивное сопротивление сети с учетом всех потребителей:

AU C - падение напряжения сети; - фазное напряжение сети;

- суммарное фазное сопротивление всех потребителей электрической энергии, кроме синхронного двигателя; р, - электрическая проводимость участка цепи; U, t - линейное напряжение сети; S K с -

мощность короткого замыкания сети.

Современные системы автоматического регулирования тока возбуждения синхронных двигателей, предназначенных для компенсации реактивной мощности, строятся по принципу подчиненного регулирования координат и предусматривают регулирование трех переменных: тока возбуждения, падения напряжения на эквивалентном фазном реактивном сопротивлении сети, реактивного тока статора синхронного двигателя. Функциональная схема такой системы приведена на рис. 6.18.

Рис. 6.18.

Внутренний контур обеспечивает регулирование тока возбуждения с помощью регулятора тока возбуждения РТВ. Заданием на ток возбуждения синхронного двигателя является выходной сигнал U pj регулятора

реактивного тока РРТ. Из этого сигнала вычитается напряжение обратной связи по току возбуждения синхронного двигателя. Выходной сигнал?/ ртв регулятора тока возбуждения воздействует на управляемый

выпрямитель УВ, изменяя ток возбуждения / в синхронного двигателя.

Регулятор реактивного тока входит во второй контур - контур регулирования реактивного тока I . На его входе суммируются сигналы

отрицательной обратной связи по реактивному току (7 орт и сигнал задания на реактивный ток - с выхода регулятора напряжения PH.

На входе регулятора напряжения PH суммируются сигналы отрицательной обратной связи по напряжению U on . Обратная связь по напряжению сформирована из реактивного тока и эквивалентного фазного сопротивления сети: U 0H = I Х С1 . Регулятор напряжения адаптивный, пропорционального типа, изменяющий коэффициент усиления при снижении напряжения питающей среды ниже (0,8 -ь 0,85) U H .

Передаточные функции контуров регулирования и регуляторов токов получены при следующих основных допущениях:

Насыщение магнитной цепи синхронного двигателя не учитывается;

Управляемый выпрямитель - апериодическое звено первого порядка с передаточной функцией

где к. ш - коэффициент усиления управляемого выпрямителя (тиристорного преобразователя); - постоянная времени запаздывания

тиристорного преобразователя; т в - число пульсаций напряжения тиристорного преобразователя за период напряжения питающей сети; со е -

угловая частота питающей сети, равная 314,15 с" 1 , при частоте питающей сети / с =50Гц; все постоянные времени фильтров и малые инерционности суммируются и заменяются одной постоянной времени.

Передаточные функции регуляторов в соответствии с модульным оптимумом:

Регулятор тока возбуждения

Регулятор реактивного тока

где Т - постоянная времени контура регулирования тока возбуждения; 7j ipp - постоянная времени контура регулирования реактивного тока; к яп - коэффициент передачи датчика тока возбуждения; R B - активное сопротивление обмотки возбуждения синхронного двигателя; к яря - коэффициент передачи датчика реактивного тока; к ся - коэффициент передачи синхронного двигателя, управляемого по цепи обмотки возбуждения изменением напряжения.

Компенсация форсирующего звена 7^ ртв р +1 в числителе передаточной функции регулятора тока возбуждения W pTB (p) выполняется внутри объекта регулирования - синхронного двигателя. Таким образом, в контуре регулирования реактивного тока не оказывается постоянной времени, которую требуется компенсировать, поэтому выполнение регулятора с пропорционально-интегральной характеристикой позволяет ликвидировать недостаток системы подчиненного регулирования.

Использование синхронного двигателя с автоматической регулировкой возбуждения позволяет поддерживать на заданном уровне реактивную мощность и напряжение в узле нагрузки. Задание в автоматический регулятор возбуждения на генерирование реактивной мощности является величиной переменной, зависящей от параметров и загрузки питающей сети.

Синхронная машина в обычном исполнении состоит из неподвижной части - статора, в пазах которого помещается трехфазная обмотка, и вращающейся части - ротора с электромагнитами, к обмотке которых подводится постоянный ток при помощи контактных колец и наложенных на них щеток (рис. 1). Статор синхронной машины ничем не отличается от статора асинхронной машины. Ротор её выполняется или явнополюсным (с выступающими полюсами, рис. 1), или неявнополюсным (цилиндрический ротор, рис. 2).

Рис. 1 Явнополюсная синхронная машина (2 p = 8). Рис. 2 Неявнополюсная синхронная машина (2 p = 2).

В зависимости от рода первичного двигателя, которым приводится во вращение синхронный генератор, применяются названия: паротурбинный генератор или сокращенно турбогенератор (первичный двигатель - паровая турбина), гидротурбинный генератор или сокращенно гидрогенератор (первичный двигатель - гидравлическая турбина) и дизель-генератор (первичный двигатель - дизель). Турбогенераторы - быстроходные неявнополюсные машины, выполняемые в настоящее время, как правило, с двумя полюсами. Турбогенератор вместе с паровой турбиной, с которой он механически соединяется называется турбоагрегатом.

Гидрогенераторы - в обычных случаях тихоходные явнополюсные машины, выполняемые с большим числом полюсов и с вертикальным валом

Дизель-генераторы представляют собой в большинстве случаев машины с горизонтальным валом. Синхронные машины небольшой мощности иногда выполняются с неподвижными электромагнитами, помещенными на статоре, и обмоткой переменного тока, заложенной в пазы ротора, изготовленного из листовой электротехнической стали; в этом случае обмотка переменного тока соединяется с внешней цепью через контактные кольца и щетки.

Ту часть синхронной машины, в обмотке которой наводится э. д. с. , называют якорем. Электромагниты (полюсы) вместе с замыкающим их ярмом образуют полюсную систему; ее называют индуктором. В синхронных машинах обычной конструкции статор служит якорем, ротор - полюсной системой. Основные преимущества конструкции с вращающимися полюсами заключаются в том, что здесь возможно осуществить более надежную изоляцию обмотки неподвижного якоря, более просто, без скользящих контактов соединить ее с сетью переменного тока.

Устройство скользящих контактов для подвода постоянного тока в обмотке электромагнитов, называемой обмоткой возбуждения, не представляет затруднений, так как мощность, подводимая к этой обмотке, составляет небольшую долю [(0, 3 - 2)%] номинальной мощности машины. Кроме того, нужно отметить, что в современных мощных турбогенераторах, работающих с частотой вращения 3000 об/мин, окружная частота ротора достигает 180 - 185 м/сек; при такой частоте не представлялось бы возможным выполнить вращающийся якорь, собранный из тонких листов, механически достаточно прочным.

Ротор современного турбогенератора выполняется из цельной стальной поковки, высокого качества. Катушки обмотки возбуждения закладываются в пазы, выфрезерованные на внешней поверхности ротора, и закрепляются в пазах прочными металлическими клиньями. Лобовые части обмотки возбуждения закрываются кольцевыми бандажами, выполненными из особо прочной стали. Ток для питания обмотки возбуждения синхронная машина получает обычно от небольшого генератора постоянного тока, помешенного на общем валу с ней или механически с ней соединенного. Такой генератор называется возбудителем. В случае мощного турбогенератора вал возбудителя с валом турбо генератора соединяется при помощи полуэластичной муфты.

В синхронных генераторах применяют два основных способа возбуждения: независимое (рис. а.) и самовозбуждение (рис. б.)

При независимом возбуждении обмотка возбуждения питается от генератора постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения, расположенного на валу ротора синхронного генератора и вращающегося вместе с ним (большой мощности). При самовозбуждении питание обмотки возбуждения осуществляется самим синхронным генератором через выпрямитель (малой и средней мощности).

При помощи первичного двигателя роториндуктор вращается. Магнитное поле находится на роторе и вращается вместе с ним, поэтому скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля – отсюда название синхронная машина.

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; n – скорость вращения ротора, об/мин.

Заменив в: E = 4, 44*(п*р/60)*w*kw*Ф и, определив что: 4, 44*(р/60)*w*kw – относится к конструкции машины и создаёт конструктивный коэффициент: C = 4. 44*(р/60)*w*kw. Тогда: Е = СЕ*n*Ф. Таким образом, как и у любого генератора, основанного на законе электромагнитной индукции, индуктированная ЭДС пропорциональна магнитному потоку машины и скорости вращения ротора.

Синхронные машины применяются также в качестве электрического двигателя, особенно в установках большой мощности (свыше 50 к. Вт)

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.

Для включения генератора в сеть необходимо: одинаковое чередование фаз в сети и генераторе; равенство напряжения сети и ЭДС генератора; равенство частот ЭДС генератора и напряжения сети; включать генератор в тот момент, когда ЭДС генератора в каждой фазе направлена встречно напряжению сети. Невыполнение этих условий ведёт к тому, что в момент включения генератора в сеть возникают токи, которые могут оказаться большими и вывести генератор из строя.