Cât de entuziasmate sunt mașinile sincrone. Sisteme de excitare pentru mașini sincrone. Proiectarea unui motor electric sincron cu o înfășurare de excitație

Sistemul de excitație al unei mașini sincrone constă dintr-un excitator și un sistem de reglare a curentului de excitație, care este închis în înfășurarea de excitație a mașinii sincrone și în înfășurările excitatorului. Sistemul de excitație trebuie să asigure funcționarea fiabilă a mașinii sincrone prin reglarea curentului de excitație, forțarea excitației și stingerea câmpului de excitație. Aceste procese sunt efectuate automat în mașini mari. Sistemele de excitare sunt împărțite în două tipuri - DreptȘi indirect.

În sistemele cu excitație directă, armătura excitatorului este conectată rigid la arborele mașinii sincrone. În sistemele de excitație indirectă, excitatorul este antrenat în rotație de un motor, care este alimentat de magistralele auxiliare ale centralei electrice sau de un generator auxiliar. Acesta din urmă poate fi conectat la arborele unei mașini sincrone sau poate funcționa independent. Sistemele directe sunt mai fiabile, deoarece în situații de urgență în sistemul de alimentare, rotorul excitator continuă să se rotească împreună cu rotorul mașinii sincrone și înfășurarea de excitație nu este dezactivată.

În fig. 4,79, a-c Sunt date cele mai comune circuite de excitație pentru mașinile sincrone.

În fig. 4,79, A Este prezentat cel mai comun circuit direct cu excitatoare de mașini electrice. Înfășurării de excitație OVG a generatorului sincron SG, curent continuu este furnizat prin inele colectoare de la armătura excitatorului B. Înfășurarea de excitație a excitatorului OVG este alimentată de la armătura subexcitatorului MDV. Curentul din înfășurarea de excitație a unui generator sincron este controlat de un rezistor Rp, incluse în circuitul de înfăşurare de excitaţie a subexcitatorului OVPDV.

Subexcitatorul și excitatorul sunt generatoare de curent continuu. Armăturile lor sunt conectate prin cuplaje la rotorul unui generator sincron. Puterea de bobinaj de excitare

Orez. 4,79.

Neratoarele de curent continuu reprezintă 0,2-5% din puterea generatorului. Prin urmare, puterea de control într-un circuit în cascadă a două generatoare de curent continuu (vezi Fig. 4.79, A) este câteva procente din puterea de excitație a unui generator sincron. Câștigul circuitului este egal cu produsul câștigurilor de putere a două generatoare de curent continuu (I) 2 -10 3).

Puterea maximă a unui generator de curent continuu cu o viteză de rotație de 3000 rpm este de aproximativ 600 kW. Prin urmare, generatoarele de curent continuu ca excitatoare pot fi utilizate în turbogeneratoare cu o capacitate de 100-150 MW. Generatoarele de curent continuu ca excitatoare sunt utilizate pe scară largă în motoarele sincrone și generatoarele sincrone ale sistemelor de alimentare autonome.

În fig. 4,79, b Un circuit de excitație indirectă cu un excitator - este dat un generator de curent continuu cu excitație independentă. Armatura generatorului de curent continuu este rotită de un motor IM asincron sau sincron, care este conectat la o rețea de curent alternativ care este independentă de tensiunea generatorului sincron.

Cele mai răspândite sunt circuitele de excitație cu convertoare statice AC-DC. În anii 1950 pentru a excita generatoarele de hidrogen, a fost folosit un circuit de excitare cu redresoare cu mercur, iar recent au găsit o utilizare pe scară largă

circuite de excitație a tiristoarelor, care pot fi de contact și fără contact. În circuitele de contact, prin inele, curentul de excitație de la convertorul tiristor este furnizat înfășurării de excitație. În acest caz, curent alternativ este furnizat convertorului tiristor fie de la un excitator de mașină electrică, fie de la rețea.

În turbogeneratoarele mari, un generator de înaltă frecvență cu inductor este utilizat ca sursă de energie electrică a mașinii electrice (Fig. 4.80). Rotorul generatorului inductor este conectat rigid la rotorul turbogeneratorului. Nu există înfășurări pe rotorul unui generator inductor, iar înfășurările armăturii sunt situate pe stator. Principiul de funcționare al generatorului inductor este discutat în paragraful 4.23.

În sistemele de excitație fără perii, înfășurarea armăturii și redresoarele sunt situate pe rotor. Excitatorul este multifazat pentru un turbogenerator cu o putere de 1000 MW, 1500 rpm. Excitatorul are o lungime de 3 m Puterea excitatorului în regim de scurtă durată este de 7,2 MW și în funcționare pe termen lung de 2,8 MW. Curent maxim 9,6 kA la tensiune 0,75 kV. Într-un turbogenerator de 500 MW, puterea excitatorului este de 2,4 MW.

Toate sistemele de excitare sunt supuse cerințelor stricte reglementate de GOST 21558-2000. Sistem

Orez. 4,80. Excitatorul cu inductor al turbogeneratoarelor trebuie să ofere o creștere a excitației atunci când tensiunea rețelei scade și în modurile de urgență. Conform GOST specificat, multiplicitatea tensiunii maxime în regim de echilibru a excitatorului (raportul dintre tensiunea maximă a excitatorului și tensiunea nominală a excitatorului) pentru generatoare mari și compensatoare sincrone este de 1,8-2, pentru alte sincrone. mașini - 1.4-1.6.

Sistemele de excitare trebuie să acționeze rapid. Rata nominală de creștere a tensiunii excitatorului, de ex. modificarea tensiunii de la nominal la maxim ar trebui să fie de 1 - 1,5 s pentru mașinile mari și 0,8-1 s pentru altele.

Reglarea curentului de excitație se realizează de obicei prin schimbarea tensiunii excitatorului. Deoarece excitatorul nu este saturat, curentul de excitație variază proporțional cu tensiunea. Numai la mașinile sincrone de putere mică, curentul de excitație este controlat de reostate.

Stingerea câmpului în condiții de urgență este asigurată de LGP în 0,8-1,5 s. De obicei, rezistența la care câmpul este stins este de 5 ori rezistența circuitului de excitație, iar tensiunea pe acesta în timpul procesului tranzitoriu nu depășește tensiunea de excitare de mai mult de 5 ori.

Alături de sistemele de excitație discutate mai sus, sunt utilizate sisteme de excitație din armonici superioare și secvență negativă.

În spațiul de aer al unei mașini electrice, există un spectru infinit de armonici de câmp care se rotesc cu o viteză diferită de armonica fundamentală sau se rotesc în direcția opusă armonicii fundamentale. Armonicele mai mari ale câmpului induc tensiuni în înfășurările rotorului care depind de alunecarea și amplitudinea armonică. Dacă scurtcircuitați înfășurările rotorului cu redresoare, un curent pulsatoriu de armonici superioare va curge prin ele, ceea ce va crea un flux de excitație constant (Fig. 4.81).

În mod obișnuit, armonica a 3-a a câmpului este utilizată pentru excitare și se face o înfășurare specială pe rotor cu un număr de poli de 3 ori mai mare decât armonica principală. O serie de generatoare sincrone EC cu putere de până la 100 kW sunt produse cu excitație de la armonica a 3-a.

Este interesant să îl folosiți pentru a excita un câmp invers. La motoarele monofazate, atunci când sunt excitate de secvență negativă (vezi Fig. 4.81), pot fi obținute caracteristici de greutate, dimensiune și energie apropiate de cele ale motoarelor asincrone trifazate.

Orez. 4,81.

Sistemele de excitație ale mașinilor sincrone sunt foarte diverse și determină în mare măsură proiectarea unei mașini sincrone. Unele modificări ale sistemelor de excitație vor fi luate în considerare la studierea mașinilor sincrone speciale.

Caracteristicile sistemului de excitație sunt determinate de o combinație a proprietăților sursei de putere a înfășurării de excitație și a dispozitivelor de control automat. Sistemele de excitare trebuie să asigure:

1) alimentare fiabilă a înfășurării rotorului a unei mașini sincrone în toate modurile, inclusiv în timpul accidentelor;

2) reglarea stabilă a curentului de excitație atunci când sarcina se modifică în limitele nominale;

3) viteză suficientă;

4) forțarea excitației.

Sistemele de excitație sunt clasificate în funcție de sursa de energie - înfășurarea de excitație - în dependente (autoexcitare) și independente. Z dependent - alimentat de la bobina principală sau suplimentară de armătură a generatorului excitat. Independent este alimentat din alte surse (de la autobuzele proprii ale stației, de la un excitator sau un generator auxiliar).

Printre sistemele de excitație independente se numără:

a) sisteme de excitație directă,în care rotorul excitatorului sau al generatorului auxiliar este situat pe același arbore cu rotorul
mașină sincronă sau interfațată cu aceasta printr-un reductor de viteză;

b) sisteme de excitație indirectă,în care rotorul excitatorului sau al generatorului auxiliar este antrenat de un motor sincron sau asincron instalat special în acest scop.

Până în anii 60 ai secolului trecut, direct sisteme de excitare a mașinii electrice,în care înfășurarea de excitație a unei mașini sincrone este alimentată de un generator de colector de curent continuu - excitator (Fig. 24.26, a).

În conformitate cu GOST 533-76, GOST 5616-81 și GOST 609-75, generatoarele turbo și hidrogen și compensatoarele sincrone pot avea doar cel mai fiabil sistem de excitare directă sau sistem de autoexcitare. Dar sistemele de excitare a mașinilor electrice, din cauza condițiilor de comutare, nu pot fi utilizate în turbogeneratoarele cu o putere de 200 MW și peste, a căror putere de excitare depășește 800-1000 kW.

B. În prezent, acestea devin tot mai răspândite sisteme de excitare a supapelor. Sunt utilizate pentru motoare și generatoare sincrone de putere redusă, precum și pentru turbogeneratoare mari, generatoare hidraulice și compensatoare sincrone, inclusiv pentru centralele de maximă putere.

Există trei tipuri principale de sisteme de excitare a supapelor.

1. Sistem independent de excitare a supapelor(Fig. 24.26, b),în care înfășurarea de excitație este alimentată de la un generator sincron auxiliar, al cărui rotor este montat pe arborele generatorului principal. În acest caz, circuitele redresoare folosesc supape semiconductoare (diode din siliciu sau tiristoare) asamblate folosind un circuit de punte trifazat. La reglarea excitației generatorului, se utilizează simultan capacitățile de control al redresoarelor și capacitatea de a schimba tensiunea generatorului auxiliar.

2. Sistem de excitare fără perii, care diferă de un sistem independent de supape (Fig. 24.26, b) prin aceea că are un generator sincron auxiliar inversat, care are o înfășurare de curent alternativ 3 situat pe rotor. Redresorul 5, care primește putere de la această înfășurare, este situat pe arborele generatorului principal. Avantajul acestui sistem este absența contactelor glisante, care în turbogeneratoarele puternice trebuie proiectate pentru mii de amperi.

3 . Sistem de autoexcitare(Fig. 24.26, V),în care înfășurarea de excitație este alimentată de la înfășurarea principală sau suplimentară a armăturii. Rectificarea AC se realizează folosind tiristoare. Energia este colectată cu ajutorul transformatoarelor 9 Și 7, conectate respectiv în paralel şi în serie cu înfăşurarea statorului. Transformator 7 permite creșterea excitației în timpul scurtcircuitelor apropiate, când tensiunea de pe înfășurarea armăturii este redusă semnificativ. Sistemul de autoexcitare are fiabilitate mai mare și costuri mai mici în comparație cu alte sisteme datorită absenței unui excitator sau generator auxiliar.

Parametrii importanți ai sistemelor de excitare sunt rata nominală de creștere a tensiunii de excitare, tensiunea nominală de excitare și factorul de creștere a excitației.

Tensiunea nominală de excitație- tensiunea la bornele înfășurării de excitație atunci când este alimentată de curentul nominal de excitație și rezistența înfășurării redusă la temperatura de lucru de proiectare.

Rata de creștere a excitației- raportul dintre cea mai mare valoare permanentă a tensiunii de excitație și tensiunea nominală de excitație.

Circuitul de excitație oferă un dispozitiv special cu care în caz de urgență este posibil să se reducă rapid curentul de excitație la zero ( stinge câmpul magnetic). De exemplu, în cazul scurtcircuitelor interne în înfășurarea statorului, suprimarea câmpului se realizează folosind o mașină de suprimare a câmpului, care închide înfășurarea câmpului la un rezistor special de suprimare.

Pentru a menține o mașină sincronă în sincronism atunci când tensiunea rețelei scade în timpul scurtcircuitelor de la distanță, ei recurg la forțarea curentului de excitație al acesteia. Forțarea se realizează automat prin releul de protecție a mașinii. Eficiența forțării este caracterizată de factorul de forțare a excitației.

Mașini sincrone- sunt mașini la care frecvența de rotație a rotorului coincide cu frecvența de rotație a câmpului magnetic al statorului. Principalele părți ale sincronului Mașinile sunt armătură și inductor. Cel mai comun design este că armătura este situată pe stator, iar inductorul este situat pe rotor, separat de acesta printr-un spațiu de aer. Ancora reprezintă una sau mai multe înfășurări AC. La motoare, curenții injectați în armătură creează un câmp magnetic rotativ, care se integrează cu câmpul inductorului și astfel are loc conversia energiei. La generatoare, câmpul de reacție al armăturii este creat de curenții alternativi induși în înfășurarea armăturii de la inductor. Un inductor este format din poli- electromagneți DC sau magneți permanenți. Inductoarele mașinii sincrone au două modele diferite: cu pol salient sau cu pol nesălient. O mașină cu stâlpi proeminenti se distinge prin faptul că polii sunt pronunțați și au un design similar cu polii unei mașini de curent continuu. Cu un design cu poli non-solient, înfășurarea de excitație este plasată în canelurile miezului inductorului, foarte asemănătoare cu înfășurarea rotoarelor mașinilor asincrone cu rotor bobinat, cu singura diferență că între poli există un spațiu lăsat neumplut cu conductoare (așa-numitul dinte mare). Modelele de stâlpi non-solienți sunt utilizate la mașinile de mare viteză pentru a reduce sarcina mecanică pe stâlpi. Pentru a reduce rezistența magnetică Folosesc miezuri de rotor și stator feromagnetic. Practic sunt o structură laminată din oțel electric. Orice mașină sincronă are nevoie de un proces de excitare- inducerea unui câmp magnetic în ea. Principala metodă de excitare a mașinilor sincrone este excitația electromagnetică, a cărei esență este că o înfășurare de excitație este plasată la polii rotorului. Când un curent continuu trece prin această înfășurare, apare o excitație MMF, care induce un câmp magnetic în sistemul magnetic al mașinii. Pentru alimentarea înfășurării de excitație, se folosesc generatoare speciale de curent continuu cu excitație independentă, numite excitatoare B , a cărei înfășurare de excitație (OB) a primit curent continuu de la un alt generator (excitație paralelă), numit subexciter (SU). Rotorul unei mașini sincrone și armăturile excitatorului și subexcitatorului sunt situate pe un arbore comun și se rotesc simultan. În acest caz, curentul intră în înfășurarea de excitație a mașinii sincrone prin inele colectoare și perii. Pentru reglarea curentului de excitație se folosesc reostate de control, conectate în circuitele de excitație ale excitatorului (r 1) și subexcitatorului (r 2).

Un sistem de excitație electromagnetică fără contact a fost utilizat la generatoarele sincrone, în care generatorul sincron nu are inele colectoare pe rotor.

În acest caz, ca excitator se folosește un generator de curent alternativ, în care înfășurarea în care este indus EMF (înfășurarea armăturii) este situată pe rotor, iar înfășurarea de excitație este situată pe stator. Ca urmare, înfășurarea armăturii excitatorului și înfășurarea de excitație a mașinii sincrone se dovedesc a fi în rotație, iar conexiunea lor electrică se realizează direct, fără inele colectoare și perii. Dar, deoarece excitatorul este un generator de curent alternativ, iar înfășurarea de excitație trebuie alimentată cu curent continuu, la ieșirea înfășurării armăturii excitatorului este pornit un convertor semiconductor, montat pe arborele mașinii sincrone și care se rotește împreună cu excitația. înfăşurarea maşinii sincrone şi înfăşurarea armăturii excitatorului. Înfășurarea excitatorului este alimentată cu curent continuu de la subexcitator (SU) - un generator de curent continuu. În generatoarele sincrone, inclusiv Printre hidrogeneratoare, principiul autoexcitației a devenit larg răspândit, atunci când energia de curent alternativ necesară pentru excitare este preluată din înfășurarea statorului a unui generator sincron și este convertită în energie de curent continuu printr-un transformator coborâtor și un convertor semiconductor de redresare ( SC). Principiul autoexcitației se bazează pe faptul că excitația inițială a generatorului are loc datorită magnetismului rezidual al circuitului magnetic al mașinii.

Întrebarea 58. Caracteristicile unui generator sincron: fără sarcină, scurtcircuit, caracteristică externă, reglaj, sarcină, caracteristici unghiulare. Apariția și analiza lor. Caracteristici de funcționare fără sarcină a unui generator sincron. Are secțiuni drepte și curbe, ceea ce este asociat cu saturația oțelului sistemului magnetic. Caracteristici de scurtcircuit: Aceasta este dependența curentului statorului de curentul de excitație cu bornele închise ale înfășurării statorului și o viteză de rotație constantă. Mașina va funcționa pe o secțiune dreaptă a caracteristicii de sarcină și a caracteristicii de scurtcircuit. va fi simplu. Caracteristici externe. Reprezintă dependența tensiunii la bornele înfășurării statorului de curentul de sarcină: U 1 = f(I 1) cu I în = const; сos φ 1, = const; n 1 = n nom = const. Caracteristica de reglare. Acesta arată cum ar trebui modificat curentul de excitație al generatorului atunci când sarcina se modifică, astfel încât tensiunea la bornele generatorului să rămână invariabil egală cu valoarea nominală: I V = f(I 1) cu U 1 = U 1nom = const; n 1 = n nom = const și cos φ 1 = const.++++Desene

Întrebarea 57. Câmp magnetic și reacția armăturii unei mașini sincrone. Ecuația tensiunii pentru un generator sincron. Diagrame vectoriale ale unui generator sincron sub diferite tipuri de sarcini. Efectul MMF al înfășurării statorului (armatură) asupra MMF al înfășurării de câmp se numește reacția armăturii. Reacția armăturii afectează proprietățile de funcționare ale unei mașini sincrone, deoarece o modificare a câmpului magnetic din mașină este însoțită de o modificare a EMF indusă în înfășurarea statorului și, în consecință, de o modificare a unui număr de alte cantități asociate cu acest EMF. Influența reacției armăturii asupra funcționării unei mașini sincrone depinde de valoarea și natura sarcinii. Generatoarele sincrone, de regulă, funcționează pe o sarcină mixtă (activ-inductiv sau activ-capacitiv). Dar pentru a clarifica problema influenței reacției armăturii asupra funcționării unei mașini sincrone, este recomandabil să se ia în considerare cazurile de funcționare a generatorului sub sarcini de natură limitativă, și anume: activă, inductivă și capacitivă. Cu curent de sarcină activîn înfăşurarea statorului este în fază cu ea EMF. Aceasta înseamnă că maximul va corespunde curentului maxim. După ce s-a arătat, conform regulii „gimlet”, direcția fluxurilor magnetice ale înfășurărilor de excitație și stator, vedem că fluxul stator F este direcționat perpendicular pe fluxul de excitație Fo, adică are loc o reacție transversală a armăturii. . Într-o mașină sincronă, reacția transversală a armăturii duce la aceleași consecințe ca la o mașină cu curent continuu, câmpul rezultat al mașinii este distorsionat. Câmpul magnetic este slăbit sub marginea de avans a stâlpului și întărit sub marginea de rulare a stâlpului. Deoarece creșterea câmpului este limitată de saturația oțelului, dar slăbirea nu este limitată, fluxul magnetic rezultat al mașinii este redus. Acest lucru duce la o scădere a fem-ului mașinii. Cu sarcină inductivă Curentul statorului rămâne în faza cu 90° în urma EMF. Prin urmare, când curentul statorului atinge maximul, rotorul va avea timp să se rotească cu 90° și fluxul statorului F g este direcționat de-a lungul axei polului rotorului opus fluxului principal Fo. Astfel, fluxul statorului cu sarcină inductivă slăbește câmpul mașinii, iar reacția armăturii are un efect de demagnetizare longitudinală. Cu sarcină capacitivă Adică, curentul statorului conduce EMF cu 90°, iar curentul va fi maxim atunci când rotorul nu a atins încă poziția verticală cu 90°, iar fluxurile statorului și înfășurării câmpului vor coincide. În acest caz, câmpul magnetic al mașinii crește, reacția armăturii este magnetizată longitudinal.

Întrebarea 60. Funcționarea în paralel a generatoarelor sincrone. Necesitatea și condițiile de pornire a generatoarelor sincrone pentru funcționare în paralel. Metode de comutare a generatoarelor sincrone în funcționare în paralel. Utilizarea mai multor generatoare sincrone conectate în paralel în locul unui generator total de putere este necesară pentru a asigura alimentarea neîntreruptă cu energie în cazul unui accident la orice generator sau oprirea acestuia pentru reparații. Pentru a activa un generator sincron pentru funcționare în paralel, trebuie îndeplinite următoarele condiții:: 1. Tensiunea mașinii conectate trebuie să fie egală cu tensiunea rețelei sau a mașinii de operare. 2. Frecvența generatorului conectat trebuie să fie egală cu frecvența rețelei. 3. Tensiunile tuturor fazelor mașinii conectate trebuie să fie opuse în fază tensiunilor fazelor corespunzătoare ale rețelei sau ale mașinii de operare. 4. Pentru a conecta un generator sincron trifazat pentru funcționare în paralel, este, de asemenea, necesar să se asigure aceeași rotație de fază a mașinii conectate și a rețelei. Aducerea generatoruluiîntr-o stare care îndeplinește toate condițiile specificate se numește sincronizare. Nerespectarea oricăreia dintre condițiile de sincronizare duce la apariția unor curenți mari de egalizare în înfășurarea statorului, a căror valoare excesivă poate provoca un accident. Conectați generatorul la o rețea cu funcționare în paralel generatoarele pot fi fie prin metoda de sincronizare precisă, fie prin metoda de autosincronizare Metodă de sincronizare precisă. Esența acestei metode este că înainte de a conecta generatorul la rețea, acesta este adus într-o stare care îndeplinește toate condițiile de mai sus. Momentul în care sunt îndeplinite aceste condiții, adică momentul sincronizării, este determinat de un dispozitiv numit sincronoscop. Metoda de autosincronizare. Rotorul unui generator neexcitat este rotit de motorul principal la o viteză de rotație care diferă de viteza sincronă cu cel mult 2-5%, apoi generatorul este conectat la rețea. Pentru a evita supratensiunile în înfășurarea rotorului atunci când generatorul este conectat la rețea, acesta este închis la o anumită rezistență activă. Deoarece în momentul în care generatorul este conectat la rețea, EMF este zero (generatorul nu este excitat), atunci sub influența tensiunii rețelei se observă o creștere bruscă a curentului în înfășurarea statorului, depășind valoarea nominală a curentul generatorului. După includerea înfășurării statorului în rețea, înfășurarea de excitație este conectată la o sursă de curent continuu, iar generatorul sincron, sub influența cuplului electromagnetic care acționează asupra rotorului său, este tras în sincronism, adică viteza rotorului devine sincronă. . În acest caz, curentul statorului scade rapid.

Întrebarea 62. Mașini sincrone cu destinație specială. Reticență sincronă, histerezis, motoare pas cu pas. Scop, dispozitiv și principiu de funcționare. Motorul cu reacție este mașină sincronă cu poli saliente fără înfășurare de câmp. Debitul motorului și cuplul acestuia sunt create de m.m.f. reacția armăturii, de unde și numele - motor cu reacție. Cuplul motorului Md apare din cauza puterii suplimentare Pd, care apare din cauza conductivității inegale a rotorului de-a lungul axelor dȘi q. Raportul cel mai favorabil x q / x d poate fi considerat o valoare apropiată de 0,5 Motoarele cu reacție nu au un cuplu de pornire inițial. Prin urmare, rotoarele lor sunt echipate cu o înfășurare de pornire scurtcircuitată. În timpul rotației sincrone, înfășurarea scurtcircuitată acționează ca o înfășurare liniștitoare, atenuând vibrațiile rotorului. Lipsa motoarelor cu reacție- cuplu maxim scăzut, factor de putere (cosφ = 0,5) și eficiență Pentru motoare cu o putere de câteva zeci de wați η = 35÷40%, iar pentru motoarele cu o putere de câțiva wați η<25%. К достоинству реактивных синхронных двигателей следует отнести отсутствие колебаний ротора и высокую надежность работы.Motoare pas cu pas.Pentru a converti impulsurile de control într-un unghi de rotație dat, se folosesc motoare sincrone, în care câmpul nu se rotește uniform, ci se rotește brusc atunci când este dat un semnal. Astfel de motoare sunt numite motoare pas cu pas. Pe stator, motoarele pas cu pas au două(uneori trei) înfășurări deplasate în spațiu, care pot fi concentrate sau distribuite. Rotorul motorului are întotdeauna un design clar definit. Motoarele pas cu pas sunt împărțite în motoare cu rotor activ (având o înfășurare de excitație sau magneți permanenți) și motoare cu un rotor de reluctitate (fără excitație). Un motor pas cu pas funcționează după cum urmează. Înfășurarea statorului (sau combinația de statoare) este alimentată cu curent continuu. În acest caz, polii rotorului sunt instalați vizavi de polii excitați ai statorului, prin înfășurările cărora trece curentul. Când curentul continuu este aplicat celorlalte înfășurări ale statorului, rotorul este rotit cu o treaptă într-o poziție care își plasează polii opus următorilor poli ai statorului sub tensiune. De fiecare dată când este comutat curentul continuu din înfășurările de control, rotorul motorului se rotește cu o treaptă. Următoarele cerințe se aplică motoarelor pas cu pas:: fiabilitate în funcționare, viteză, pas mic, inadmisibilitatea acumulării de erori cu creșterea numărului de pași, absența oscilațiilor libere la realizarea unui pas, număr minim de înfășurări de control. Un motor cu histerezis este un motor sincron al cărui cuplu este creat datorită fenomenului de histerezis în timpul inversării magnetizării materialului ferramagnetic al rotorului. Statorul unui motor cu histerezis este realizat similar cu statorul unui motor asincron: are o înfășurare care creează un câmp magnetic rotativ (trifazat, bifazat cu o capacitate comutată permanent, concentrat cu un pol ecranat etc.) . Rotorul motorului este realizat confectionat din material magnetic dur si nu are infasurare. Cuplul unui motor de histerezis apare datorită unei histerezii puternic pronunțate a materialului rotorului. rotit) în direcția câmpului cu o anumită întârziere atunci când înfășurarea statorului este conectată la rețeaua de curent alternativ, se formează un câmp magnetic rotativ în mașină; în acest caz, polii rotorului induși se rotesc la aceeași frecvență cu polii statori. În absența histerezii, polii rotorului sunt amplasați exact sub polii statorului:

Întrebarea 61. Motoare sincrone. Informații de bază și principiul de funcționare. Pornirea motoarelor sincrone. Caracteristicile de funcționare și în formă de U ale motoarelor sincrone. Compensator sincron. Scop și dispozitiv. O mașină sincronă constă din două părți principale: una staționară - statorul și una rotativă - rotorul și are două înfășurări principale. O înfășurare este conectată la o sursă de curent continuu. Curentul care trece prin această înfășurare creează câmpul magnetic principal al mașinii. Această înfășurare este situată la poli și se numește înfășurare de câmp. Uneori, mașinile de putere redusă nu au o înfășurare de excitație, iar câmpul magnetic este creat de magneți permanenți. Cealaltă înfășurare este înfășurarea armăturii. EMF principal al mașinii este indus în ea. Se potrivește în canelurile armăturii și constă din înfășurări cu una, două sau trei faze. Dacă un curent continuu curge prin înfășurarea câmpului, acesta creează un câmp magnetic constant în timp cu polaritate alternativă. Când polii și, în consecință, câmpul magnetic se rotesc în raport cu conductorii înfășurării armăturii, în ei sunt induse CEM alternative care, însumate, determină EMF rezultată a fazelor. Dacă pe armătură sunt așezate trei înfășurări identice, ale căror axe magnetice sunt deplasate în spațiu cu un unghi electric egal cu 120°, atunci în aceste înfășurări este indusă o fem, formând un sistem trifazat. Frecvența EMF indusă în înfășurări depinde de numărul de perechi de poli p și de viteza rotorului p: f1 = pn/60.

Pornirea unui motor sincron prin conexiune directă la rețea este imposibilă , întrucât rotorul, datorită inerției sale semnificative, nu poate fi antrenat imediat de câmpul rotativ al statorului, a cărui viteză de rotație este reglată instantaneu. Ca urmare, nu are loc o conexiune magnetică stabilă între stator și rotor. Pentru a porni un motor sincron, este necesar să folosiți metode speciale, a căror esență este să setați mai întâi rotorul în rotație la o frecvență sincronă sau apropiată de acesta, la care se stabilește o conexiune magnetică stabilă între stator și rotor.

Unul dintre principalele dezavantaje ale sincronului a motoarelor noi este dificultatea de a le porni. Motoarele sincrone pot fi pornite folosind un motor auxiliar de pornire sau prin pornire asincronă. Pornirea unui motor sincron folosind un motor auxiliar . Dacă rotorul unui motor sincron cu poli excitați este rotit de un alt motor auxiliar la viteza de rotație a câmpului statorului, atunci polii magnetici ai statorului, interacționând cu polii rotorului, vor forța rotorul să se rotească în continuare. independent, fără ajutor extern, în timp cu câmpul statorului, adică sincron. Pentru a începe, este necesar ca numărul de perechi de poli ale motorului asincron să fie mai mic decât numărul de perechi de poli ale motorului sincron, deoarece în aceste condiții motorul auxiliar asincron poate roti rotorul motorului sincron la viteza sincronă. Dificultatea pornirii și necesitatea unui motor auxiliar sunt dezavantaje semnificative ale acestei metode de pornire a motoarelor sincrone. Prin urmare, este rar folosit în zilele noastre. Pornirea asincronă a unui motor sincron. Pentru a implementa această metodă de pornire, o înfășurare suplimentară scurtcircuitată este plasată în piesele polare ale polilor rotorului. Deoarece în timpul pornirii este indus un e mare în înfăşurarea de excitaţie a motorului. d.s., apoi din motive de siguranță se închide printr-un comutator la rezistență. Atunci când tensiunea unei rețele trifazate este pornită în înfășurarea statorului a unui motor sincron, apare un câmp magnetic rotativ care, traversând înfășurarea scurtcircuitată (pornire) încorporată în piesele polare ale rotorului, induce curenți în aceasta. Acești curenți, interacționând cu câmpul rotativ al statorului, vor determina rotorul să se rotească. Când rotorul atinge viteza maximă (95-97% din viteza sincronă), comutatorul este comutat astfel încât înfășurarea rotorului să fie conectată la o rețea de tensiune DC . Dezavantajul asincronului pornirea este un curent de pornire mare. Dependența curentului de armătură de curentul de excitație se numește U -O nebunesc caracteristicile unei mașini sincrone. Analizând aceste caracteristici, vedem că valoarea minimă a curentului de armătură apare la o anumită valoare a curentului de excitație, corespunzătoare funcționării cu cosφ = 1. La orice modificare (creștere sau scădere) a curentului de excitație, curentul de armătură I a crește datorită creșterii componentei reactive. Caracteristicile de performanță ale motorului sincron

Se folosesc compensatoare sincrone să regleze modurile de funcționare ale sistemelor energetice, să mențină un nivel optim de tensiune, să reducă pierderile de energie electrică în rețele, să crească capacitatea și să asigure stabilitatea sistemelor energetice.

Compensatoarele sincrone sunt mașini sincrone care funcționează în modul motor fără sarcină activă și generează curent reactiv de conducere (capacitiv) sau de întârziere (inductiv) în rețea.

Acționările electrice cu motoare sincrone pot fi împărțite în trei clase în funcție de condițiile de formare a sarcinii: acționări electrice cu o sarcină constantă sau care se schimbă lent, acționări electrice cu o sarcină pulsatorie, acționări electrice cu o sarcină în schimbare bruscă. Principalele caracteristici tehnice ale acţionărilor electrice sincrone, în funcţie de tipul de sarcină întâlnit, sunt prezentate în tabel. 6.1.

După cum urmează din tabel. 6.1, în acționările electrice cu sarcini pulsative și puternic variabile, este necesar să se controleze automat excitația unui motor sincron. Sistemele de control automat al excitației asigură funcționarea stabilă a unui motor sincron în timpul supratensiunii de sarcină sau când tensiunea rețelei de alimentare scade. În aceste cazuri, sistemele automate de control al excitației cresc curentul de excitație, crescând astfel cuplul maxim al motorului sincron. În plus, modificarea curentului de excitație al unui motor sincron vă permite să reglați puterea reactivă a circuitului stator al motorului.

Tabelul 6.1

Posibilitatea de a regla puterea reactivă în circuitul stator al unui motor sincron prin modificarea curentului de excitație al acestuia este ilustrată de diagramele vectoriale prezentate în Fig. 6.14.

Orez. 6.14. Diagrame vectoriale ale unui motor sincron la diferiți curenți de înfășurare de câmp: a - curentul de excitație este mai mic decât cel nominal; b - curentul de excitație este egal cu curentul nominal; c - curentul de excitație este mai mare decât cel nominal

Diagrama vectorială fig. 6.14, A corespunde curentului înfășurării de excitație mai mic decât cel nominal, în timp ce vectorul curentului stator / este în urmă cu vectorul tensiune al rețelei LJ X la unghiul cf. Puterea reactivă este activ-inductivă. Cu creșterea curentului de excitație (Fig. 6.14 , b) EMF E), indus în înfășurările statorului crește și poate atinge o valoare la care curentul statorului / va fi în fază cu tensiunea (/, adică costp = 1. Puterea reactivă este zero. Dacă curentul înfășurării de câmp este mai mult crescut, atunci vectorul curent al statorului / , va conduce în fază vectorul de tensiune 6/, (lucrând cu coscp conducător) iar motorul sincron va fi echivalent cu o sarcină activ-capacitiv conectată în paralel cu rețeaua (Fig. 6.14, V).

În fig. 6.15 prezintă caracteristicile în formă de ^/. Ele arată dependența curentului statoric / al unui motor sincron de curentul de excitație / în la diferite sarcini pe arborele motorului (M s! Cu valorile numerice ale parametrilor, caracteristicile în formă de 67 vă permit să selectați corect curentul de excitație pentru a asigura modul de funcționare necesar al motorului sincron.

În prezent, în practică sunt utilizate sisteme automate de control al excitației. În funcție de designul circuitului, sistemele automate de control al curentului de excitație pot îndeplini următoarele funcții principale:

• asigura funcționarea stabilă a unui motor sincron în condiții de sarcină date;
• menține tensiunea optimă în nodul de sarcină la care este conectat motorul sincron;
• asigura un minim de pierderi de energie în motorul sincron și sistemul de alimentare cu energie.

Orez. 6.15.

La alegerea circuitelor de control automate pentru curentul de excitație, acestea sunt ghidate de următoarele prevederi:

• în acționările electrice cu sarcină constantă și fluctuații ușoare ale tensiunii rețelei de alimentare, instalarea dispozitivelor pentru controlul automat al curentului de excitație, de regulă, nu este prevăzută;
• În acționările electrice cu sarcină pulsatorie sau șoc, este necesar să se instaleze dispozitive pentru controlul automat al curentului de excitație. Curentul de excitație al unor astfel de motoare este reglat în funcție de curentul activ al statorului, ceea ce face posibilă creșterea semnificativă a capacității de suprasarcină a motorului și, în unele cazuri, reducerea puterii sale instalate;
• atunci când funcționează un motor sincron cu o sarcină puternic variabilă, este, de asemenea, necesar să se instaleze dispozitive pentru reglarea automată a curentului de excitație, cu toate acestea, în acest caz, sistemul de control trebuie să răspundă nu numai la modificările sarcinii, ci și la viteza. a acestei schimbări.

În Fig. 6.16. Sistemul face posibilă asigurarea excitării unui motor sincron în toate modurile de funcționare normale. Când sarcina de pe arborele motorului se modifică, curentul / înfășurării statorului crește, ceea ce

conduce la o creștere a semnalului de feedback pozitiv al curentului Uoc[

și, în consecință, la o creștere a tensiunii redresorului controlat și o creștere a curentului de excitație al motorului sincron.

Orez. 6.16.

Luând în considerare proporționalitatea dintre EMF și fluxul magnetic Ф și, prin urmare, curentul înfășurării câmpului / in, ecuația (1.71) poate fi scrisă după cum urmează:

Unde la a - coeficient de proporţionalitate între fluxul Ф şi curentul de excitaţie 1 a.

Analiza (6.10) arată că o creștere a curentului de excitație determină o creștere a cuplului maxim al unui motor sincron. În consecință, controlul automat al excitației duce la o stabilitate dinamică crescută a unui motor sincron atunci când sarcina pe arborele acestuia se modifică și la amortizarea oscilației rotorului.

De asemenea, este posibil să se mențină tensiunea optimă în nodul de sarcină la care este conectat motorul sincron folosind sisteme automate de control al curentului de excitație.

Pentru a îmbunătăți performanța unei rețele industriale extinse, puterea reactivă este compensată prin instalarea de motoare sincrone sau compensatoare sincrone. În fig. Figura 6.17 prezintă o diagramă a unui nod de sarcină la care sunt conectați consumatorii care generează și consumă putere reactivă.

Orez. 6.1 7.

Curentul reactiv inductiv / p este egal cu suma curenților reactivi P

consumatori (transformatoare; motoare asincrone; motoare DC alimentate de convertoare reglabile) și este determinată de expresia

Unde / . - curentul reactiv al sarcinii /-a.

Pentru a compensa pe deplin puterea reactivă din rețea, trebuie îndeplinită următoarea condiție:

Curentul reactiv al unei mașini sincrone necesar pentru a compensa căderea de tensiune a rețelei:

Unde X p- reactanța de fază echivalentă a rețelei luând în considerare toți consumatorii:

AU C- căderea de tensiune a rețelei; - tensiunea de fază a rețelei;

- rezistența totală de fază a tuturor consumatorilor de energie electrică, cu excepția motorului sincron; p, este conductivitatea electrică a secțiunii circuitului; U,t- tensiunea de linie; S K Cu -

puterea de scurtcircuit al rețelei.

Sistemele moderne de control automat al curentului de excitație al motoarelor sincrone, concepute pentru a compensa puterea reactivă, sunt construite pe principiul controlului subordonat al coordonatelor și prevăd reglarea a trei variabile: curent de excitație, cădere de tensiune pe reactanța de fază echivalentă a rețeaua, curentul reactiv al statorului motorului sincron. Schema funcțională a unui astfel de sistem este prezentată în Fig. 6.18.

Orez. 6.18.

Circuitul intern asigură reglarea curentului de excitație folosind regulatorul de curent de excitație PTB. Comanda pentru curentul de excitație al unui motor sincron este semnalul de ieșire U pj regulator

curent reactiv RRT. Din acest semnal se scade tensiunea de feedback pentru curentul de excitație al motorului sincron. Semnalul de ieșire?/PTB al regulatorului de curent de excitație afectează controlul

Redresor UV, schimbând curentul de excitație / într-un motor sincron.

Regulatorul de curent reactiv este inclus în al doilea circuit - circuitul de control al curentului reactiv eu. Semnalele sunt însumate la intrarea acestuia

feedback negativ asupra curentului reactiv (7 ort și semnalul pentru setarea curentului reactiv - de la ieșirea regulatorului de tensiune PH.

La intrarea regulatorului de tensiune PH se însumează semnalele de feedback negativ de tensiune U pe. Feedback-ul de tensiune este format din curentul reactiv și rezistența de fază echivalentă a rețelei: U0H = eu X C1. Regulatorul de tensiune este de tip adaptiv, proporțional, modificând câștigul atunci când tensiunea de alimentare scade sub (0,8 - 0,85) U H .

Funcțiile de transfer ale buclelor de control și ale regulatoarelor de curent sunt obținute în baza următoarelor ipoteze de bază:

Saturația circuitului magnetic al unui motor sincron nu este luată în considerare;

Redresor controlat - legatura aperiodica de ordinul I cu functie de transfer

Unde k.sh- câştigul redresorului controlat (convertor tiristor); - constantă de timp de întârziere

convertor tiristor; staniu- numărul de pulsații de tensiune ale convertorului tiristor în perioada tensiunii de alimentare; co e -

frecvența unghiulară a rețelei de alimentare este egală cu 314,15 s" 1, la o frecvență a rețelei de alimentare / s = 50 Hz; toate constantele de timp ale filtrului și inerția mică sunt însumate și înlocuite cu o constantă de timp.

Funcțiile de transfer ale regulatoarelor în conformitate cu optimul modular:

Regulator de curent de excitație

Regulator de curent reactiv

Unde T- constanta de timp a circuitului de control al curentului de excitaţie; 7j ipp - constanta de timp a buclei de reglare a curentului reactiv; la japoneză- coeficientul de transmisie al senzorului de curent de excitație; R B - rezistența activă a înfășurării de excitație a unui motor sincron; lui Yarya- coeficientul de transmisie al senzorului de curent reactiv; la xia- coeficientul de transmisie al unui motor sincron controlat prin circuitul de înfăşurare de excitaţie prin modificarea tensiunii.

Compensarea verigii de forţare 7^ rtv R+1 în numărătorul funcției de transfer a regulatorului de curent de excitație WpTB(p) se realizează în interiorul obiectului de control - un motor sincron. Astfel, în bucla de control al curentului reactiv nu există o constantă de timp care să fie compensată, prin urmare, implementarea controlerului cu o caracteristică proporțional-integrală face posibilă eliminarea dezavantajului sistemului de control subordonat.

Utilizarea unui motor sincron cu control automat al excitației face posibilă menținerea puterii reactive și a tensiunii în nodul de sarcină la un anumit nivel. Sarcina în controlerul automat de excitație de a genera putere reactivă este o valoare variabilă, în funcție de parametrii și sarcina rețelei de alimentare.

O mașină sincronă în designul său obișnuit constă dintr-o parte staționară - un stator, în ale cărui caneluri este plasată o înfășurare trifazată și o parte rotativă - un rotor cu electromagneți, la înfășurarea căruia este furnizat curent continuu cu alunecare. inele și perii așezate pe ele (Fig. 1). Statorul unei mașini sincrone nu este diferit de statorul unei mașini asincrone. Rotorul său este fie pol proeminent (cu poli proeminenți, Fig. 1) fie pol nesălient (rotor cilindric, Fig. 2).

Orez. 1 Mașină sincronă cu poli salient (2 p = 8). Orez. 2 Mașină sincronă cu poli nesălient (2 p = 2).

În funcție de tipul motorului primar care antrenează generatorul sincron, se folosesc următoarele denumiri: generator cu turbină cu abur sau turbogenerator prescurtat (motor primar - turbină cu abur), generator turbină hidraulic sau hidrogenerator abreviat (motor principal - turbină hidraulică) și generator diesel ( motor principal - turbină hidraulică). Turbogeneratoarele sunt mașini de mare viteză, fără stâlpi, fabricate în prezent, de regulă, cu doi poli. Un turbogenerator, împreună cu turbina cu abur la care este conectat mecanic, se numește unitate de turbină.

Hidrogeneratoarele sunt, de obicei, mașini cu poli salienti de viteză mică, realizate cu un număr mare de poli și un arbore vertical

Generatoarele diesel sunt în majoritatea cazurilor mașini cu un arbore orizontal. Mașinile sincrone de putere redusă sunt uneori realizate cu electromagneți staționari plasați pe stator și o înfășurare de curent alternativ plasată în fantele unui rotor din tablă de oțel electric; în acest caz, înfășurarea AC este conectată la circuitul extern prin inele colectoare și perii.

Acea parte a unei mașini sincrone în înfășurarea căreia este indusă energia electrică. d.s. , se numește ancoră. Electromagneții (stâlpii) împreună cu jugul care îi închide formează un sistem de poli; se numește inductor. La mașinile sincrone de design convențional, statorul servește ca o armătură, iar rotorul servește ca un sistem de poli. Principalele avantaje ale designului cu poli rotativi sunt că este posibil să se asigure o izolație mai fiabilă a înfășurării unei armături staționare și să o conecteze mai simplu la rețeaua de curent alternativ fără contacte glisante.

Dispunerea contactelor glisante pentru alimentarea cu curent continuu în înfășurarea electromagneților, numită înfășurare de câmp, nu este dificilă, deoarece puterea furnizată acestei înfășurări este o mică fracțiune [(0, 3 - 2)%] din puterea nominală a Mașina. În plus, trebuie menționat că la turbogeneratoarele moderne puternice care funcționează la o viteză de rotație de 3000 rpm, frecvența periferică a rotorului ajunge la 180 - 185 m/sec; la o asemenea frecvență nu ar fi posibilă realizarea unei armături rotative asamblate din foi subțiri suficient de rezistente mecanic.

Rotorul unui turbogenerator modern este fabricat din forjare solidă din oțel de înaltă calitate. Bobinele de înfășurare de câmp sunt plasate în fante frezate pe suprafața exterioară a rotorului și fixate în fante cu pene metalice puternice. Părțile frontale ale înfășurării câmpului sunt acoperite cu benzi inelare din oțel deosebit de rezistent. O mașină sincronă primește de obicei curent pentru a alimenta înfășurarea câmpului de la un mic generator de curent continuu plasat pe un arbore comun cu acesta sau conectat mecanic la acesta. Un astfel de generator se numește excitator. În cazul unui turbogenerator puternic, arborele excitator este conectat la arborele turbogeneratorului folosind un cuplaj semi-elastic.

În generatoarele sincrone se folosesc două metode principale de excitare: independentă (Fig. a.) și autoexcitare (Fig. b.)

Cu excitație independentă, înfășurarea de excitație este alimentată de un generator de curent continuu cu o înfășurare de excitație independentă situată pe arborele rotorului unui generator sincron și care se rotește cu acesta (putere mare). În timpul autoexcitației, înfășurarea de excitație este alimentată de generatorul sincron însuși printr-un redresor (putere mică și medie).

Cu ajutorul motorului principal, inductorul rotorului se rotește. Câmpul magnetic este situat pe rotor și se rotește odată cu acesta, astfel încât viteza de rotație a rotorului este egală cu viteza de rotație a câmpului magnetic - de unde și denumirea de mașină sincronă.

Când rotorul se rotește, fluxul magnetic al polilor traversează înfășurarea statorului și induce în el un EMF conform legii inducției electromagnetice: E = 4,44*f*w*kw*F, unde: f – frecvența curentului alternativ, Hz; w – numărul de spire; kw – coeficient de înfăşurare; F – flux magnetic. Frecvența EMF indusă (tensiune, curent) a unui generator sincron: f =p *n/60, unde: p – numărul de perechi de poli; n – viteza de rotație a rotorului, rpm.

Înlocuind în: E = 4, 44*(p*p/60)*w*kw*Ф și, determinând că: 4, 44*(p/60)*w*kw – se referă la proiectarea mașinii și creează un factor de proiectare: C = 4. 44*(p/60)*w*kw. Atunci: E = CE*n*F. Astfel, ca orice generator bazat pe legea inducției electromagnetice, EMF indus este proporțional cu fluxul magnetic al mașinii și cu viteza rotorului.

Mașinile sincrone sunt folosite și ca motor electric, în special în instalațiile de mare putere (peste 50 kW)

Pentru a opera o mașină sincronă în modul motor, înfășurarea statorului este conectată la o rețea trifazată, iar înfășurarea rotorului este conectată la o sursă de curent continuu. Ca urmare a interacțiunii câmpului magnetic rotativ al mașinii cu curentul continuu al înfășurării câmpului, apare un cuplu M, care îl duce cu viteza câmpului magnetic.

Pentru a conecta generatorul la rețea este necesar: aceeași rotație a fazelor în rețea și generator; egalitatea tensiunii rețelei și a EMF generatorului; egalitatea frecvențelor EMF generatorului și a tensiunii rețelei; porniți generatorul în momentul în care EMF-ul generatorului în fiecare fază este direcționat opus tensiunii rețelei. Nerespectarea acestor condiții duce la faptul că atunci când generatorul este pornit, apar curenți care pot fi mari și pot deteriora generatorul.