Размещено на http://www.allbest.ru/

Синхронные двигатели

Принцип действия синхронных двигателей

Если уменьшить механическую мощность, развиваемую первичным двигателем на оси генератора, угол между осью полюсов индуктора и осью полюсов магнитного поля начинает уменьшаться (рис. 1, а) и энергия, поставляемая генератором в сеть, начнет уменьшаться, если генератор работает параллельно с сетью. На рисунке стрелками показано направление действия на ротор механических сил.

Рис. 1

Вращающееся магнитное поле статора представлено в форме поля вращающегося постоянного магнита.

Когда механический момент первичного двигателя будет практически равен нулю, угол будет равен нулю (рис. 1, б). Генератор будет полностью разгружен, и первичный приводной двигатель будет ему поставлять только мощность, необходимую для компенсации потерь холостого хода. Если теперь отделить первичный приводной двигатель от генератора, угол становится отрицательным, так как ротор начинает несколько отставать от магнитного потока статора, но машина продолжит вращаться синхронно с результирующим магнитным потоком.

В этом случае потери холостого хода синхронной машины будут компенсироваться за счет электрической энергии, поставляемой из сети, а машина будет работать в режиме двигателя. Если теперь нагрузить синхронную машину механическим моментом сопротивления, угол между осями магнитных полюсов статора и ротора увеличивается и механическая мощность, развиваемая двигателем, увеличивается. Одновременно увеличивается и электрическая мощность, потребляемая двигателем из сети (рис. 8.1, в). Механический момент, с которым магнитное поле действует на ротор, будет совпадать с направлением вращения магнитного поля. Мы получили двигатель, который преобразует электрическую энергию в механическую.

Изменение знака механического момента на валу при переходе работы синхронной машины из режима генератора в режим двигателя можно установить из ранее полученного выражения механического момента на валу синхронной машины. Действительно, для машины с неявно выраженными полюсами

.

При отрицательных значениях угла механический момент на валу генератора будет отрицательным, что говорит о том, что синхронная машина уже не потребляет механическую энергию приводного двигателя, а отдает ему механическую энергию, т. е. сама является двигателем.

мощность синхронный двигатель пуск

Векторная диаграмма напряжений синхронного двигателя

Векторные диаграммы синхронных двигателей достаточно легко построить исходя из уравнений электрического равновесия для двигателя с неявно выраженными полюсами

и для синхронных двигателей с явно выраженными полюсами

.

На векторной диаграмме напряжений двигателя строят вектор напряжения сети , к которой подключен синхронный двигатель. Напряжение сети представляет собой сумму падения напряжения на синхронном сопротивлении, падения напряжения на резистивном сопротивлении обмотки статора и противоЭДС , которая противоположна по фазе ЭДС обмотки статора . На рис. 8.2 представлены векторные диаграммы напряжений синхронного двигателя, работающего при различных токах возбуждения.

Рис. 2

На рис. 2, а представлена векторная диаграмма напряжений синхронного двигателя, ток возбуждения которого меньше номинального тока возбуждения. «Недовозбужденный» синхронный двигатель обеспечивает отставание потребляемого тока от напряжения сети.

На рис. 2, б представлена векторная диаграмма напряжений синхронного двигателя, ток возбуждения которого больше номинального значения. Как следует из векторной диаграммы, ЭДС холостого хода генератора стала значительно больше, тогда как начальная фаза тока сменила знак на противоположный. Таким образом, если ток возбуждения двигателя больше номинального тока, то синхронный двигатель для питающей сети представляет собой активно-емкостную нагрузку. Это явление используется на предприятиях для улучшения коэффициента мощности.

Мощность и механический момент синхронного двигателя

Связь между электромагнитным моментом и мощностью двигателя выражается уравнением

,

где - угловая синхронная скорость ротора.

Переход синхронной машины от генераторного режима работы к работе машины в режиме двигателя вызывает изменение знака угла . Можно получить выражение мощности и момента синхронной машины, работающей в режиме двигателя, исходя из соответствующего выражения для генератора, введя в него отрицательные значения угла . Изменение знака мощности означает изменение направления потока энергии. Для двигателя с явно выраженными полюсами, пренебрегая потерями в статорной обмотке, получают

.

Электромагнитный момент синхронного двигателя

.

Синхронизирующий момент, который определяет способность машины оставаться в синхронизме с сетью

,

и мощность синхронизации

.

Рис..3

На рис. 3 представлена связь и . В соответствии с угловой характеристикой двигателя можно сказать, что область стабильного функционирования синхронной машины определяется величиной угла , при котором синхронизирующий момент имеет положительные значения. Для двигателя с неявно выраженными полюсами .

Для двигателя с неявно выраженными полюсами:

: .

Для синхронного двигателя, как и для генератора, может быть построена векторная диаграмма для различных значений тока возбуждения, когда активная мощность остается неизменной .

V-образные характеристики синхронных двигателей

Сами по себе векторные диаграммы синхронных двигателей не представляют особого интереса.

Особый интерес представляют так называемые «»-образные характеристики синхронного двигателя, аналогичные -образным характеристикам генератора по внешнему виду, однако имеют совершенно другой смысл.

Рис. 4

Если произвести изменение тока возбуждения синхронного двигателя с неявно выраженными полюсами, то векторная диаграмма изменится при постоянстве напряжения сети так, как это показано на векторной диаграмме (рис. 4). При недовозбужденной машине ток двигателя отстает от напряжения на некоторый угол. Конец вектора тока находится на прямой . При постоянной развиваемой мощности и при увеличении тока возбуждения ЭДС двигателя увеличится до значения . При таком значении ЭДС ток двигателя совпадает с напряжением сети по фазе. Это оптимальное значение тока возбуждения.

При дальнейшем увеличении тока возбуждения ЭДС двигателя увеличится. Одновременно увеличится ток двигателя. При этом ток будет опережать напряжение на некоторый угол. Трем значениям тока возбуждения на векторной диаграмме соответствуют векторы с одним штрихом, двумя и тремя штрихами.

Рис. 5

Для синхронных двигателей обычно строят -образные характеристики, которые показывают, каким образом необходимо изменять ток возбуждения для получения номинального режима работы двигателя (рис.5).

Необходимо отметить, что в области недовозбуждения имеется ограничение механической стабильности, когда двигатель не может обеспечить необходимого механического момента.

Максимальный момент, развиваемый двигателем, может быть определен из выражения (для )

и зависит от величины ЭДС . Уменьшая ток возбуждения, уменьшают и соответствующим образом сокращают максимальный момент (рис. 5). Точка, для которой равен моменту сопротивления, определяет предел механической стабильности.

Характеристики синхронного двигателя

Для постоянных значений напряжения сети и частоты вращения рабочие характеристики двигателя представлены на рис. 8.6. При снятии характеристик двигателя ток возбуждения должен быть неизменным.

Рис. 6

При увеличении нагрузки двигателя несколько уменьшается. Коэффициент полезного действия двигателя увеличивается до некоторого максимального значения и затем уменьшается. Это объясняется значительным ростом потерь в двигателе при увеличении нагрузки. Ток холостого хода при мал и соответствует потерям холостого хода. При увеличении нагрузки ток увеличивается практически по линейному закону.

Рис. 7

Для двигателя важнейшей характеристикой является механическая характеристика . Механическая характеристика синхронного двигателя абсолютно жесткая. Это значит то, что частота вращения не зависит от механического момента на валу синхронного двигателя (рис. 7) и равна синхронной или номинальной частоте вращения.

Эта характеристика имеет предел стабильности. Рассматривая механическую характеристику, можно сказать о том, что двигатель, нагруженный моментом, большим номинального, останавливается. Это явление называют выпадением из синхронизма.

В соответствии с характеристиками синхронного двигателя их используют в тех случаях, когда необходимо иметь постоянную частоту вращения или когда необходимо улучшить коэффициент мощности .

Методы пуска синхронных двигателей

Пуск синхронных двигателей связан с некоторыми трудностями. Угловая характеристика двигателя показывает то, что он может отдавать механическую энергию только в том случае, когда частота вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля машины. При неподвижном роторе результирующий механический момент на валу синхронного двигателя будет равен нулю. Для введения ротора двигателя в синхронизм используют различные методы.

Пуск двигателя с помощью дополнительно двигателя

Синхронный двигатель может быть подключен к сети с помощью установки синхронизации таким же методом, как и синхронный генератор. Для этого машина должна иметь на своей оси специальный пусковой двигатель, который может обеспечивать вращение синхронного двигателя с синхронной частотой, т. е. ввести машину в синхронизм с сетью. Обычно в качестве ускоряющих или вспомогательных двигателей используют асинхронные двигатели относительно малой мощности, имеющие такое же число полюсов, что и синхронный двигатель. Дополнительный двигатель заставляет вращаться синхронную машину со скоростью, почти равной синхронной, и затем машина включается параллельно сети по методу автосинхронизации.

Для разгона может использоваться асинхронный двигатель, число пар полюсов которого меньше на одну пару числа пар полюсов синхронной машины. Такой двигатель заставит вращаться синхронную машину с частотой несколько высшей частоты синхронизма. Если отключить пусковой двигатель от сети, вся группа, замедляя частоту, медленно проходит синхронную частоту, что позволяет включить машину синхронно с сетью.

Пуск синхронного двигателя изменением частоты

Синхронный двигатель может быть запущен с помощью изменения частоты приложенного напряжения, когда частота питающего напряжения изменяется от нуля до минимальной величины. Двигатель в этом случае работает в режиме синхронизации в течение всего времени запуска. Двигатель должен получать питание от синхронного генератора, частота вращения которого должна изменяться от нуля до номинального значения. В этом случае возбуждение генератора и двигателя не может быть реализовано с помощью собственного возбудителя, смонтированного на оси двигателя, так как при малой частоте практически отсутствует напряжение на его зажимах. На начальном периоде пуска генератор должен быть возбужден как можно большим током, а ток возбуждения двигателя должен быть таким, что для частоты синхронизма ЭДС должна быть в два раза меньше, чем ЭДС генератора. С увеличением частоты вращения ток возбуждения двигателя должен быть увеличен. Этот способ запуска синхронных двигателей используется в некоторых специальных установках.

Пуск в режиме асинхронного двигателя

Синхронные двигатели могут иметь специальную пусковую обмотку. В этом случае он может быть запущен как обычный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Такой способ пуска является сейчас основным.

Обмотка возбуждения синхронного двигателя в процессе пуска должна быть короткозамкнутой или нагружена сопротивлением, величина которого должна быть примерно в десять раз больше, чем сопротивление обмотки возбуждения. Если в процессе пуска оставить обмотку возбуждения, которая имеет большое количество витков, разомкнутой, в ней будет наводиться достаточно большое напряжение, которое может привести к пробою изоляции. При пуске синхронного двигателя в асинхронном режиме статорная обмотка включена в сеть, и двигатель создает вращающий момент. Ротор двигателя будет вращаться с частотой, близкой к синхронной частоте с небольшим запаздыванием относительно вращающегося магнитного поля. Если теперь обмотку возбуждения включить в сеть постоянного напряжения, двигатель войдет в синхронизм после возможного колебательного процесса установления ротора.

Такой способ пуска обычно используется для двигателей с неявно выраженными полюсами. Двигатели с явно выраженными полюсами, работающие в режиме холостого хода или при малой нагрузке, запускаются также при закороченной обмотке возбуждения.

Синхронные компенсаторы

Как было показано ранее, при построении векторных диаграмм синхронный двигатель, работающий в режиме холостого хода, обеспечивает прохождение через статорную обмотку тока, отстающего или опережающего напряжение сети на некоторый угол, зависящий от величины тока возбуждения. Такой двигатель называется компенсатором. Эта машина используется для улучшения коэффициента мощности и для регулирования напряжения линий электропередач.

Для улучшения коэффициента мощности компенсатор работает в режиме перевозбуждения и потребляет из сети емкостный ток, который компенсирует индуктивную составляющую общего тока, которая обычно имеет место при использовании асинхронных двигателей и трансформаторов. Это позволяет разгрузить линии электропитания от индуктивных составляющих токов, что приводит к уменьшению тока линий и к уменьшению потерь.

Когда электрическую энергию передают с помощью сложных сетей, трудно поддерживать постоянным напряжение на различных участках. В случае большой индуктивной нагрузки напряжение на зажимах приемников меньше напряжения, поставляемого генератором. С другой стороны, при слабой нагрузке напряжение на зажимах приемника может быть большим, чем напряжение, поставляемое генератором. Синхронный компенсатор работает в режиме перевозбуждения и при малой нагрузке эквивалентен конденсатору, что может привести к увеличению напряжения. Компенсатор, работающий с недовозбуждением, эквивалентен большой индуктивной нагрузке и может снизить напряжение на зажимах приемников. Максимальный запаздывающий ток компенсатора можно получить при нулевом значении тока возбуждения.

Способы возбуждения синхронных машин

Наиболее распространена система возбуждения генератора с помощью генератора постоянного тока, расположенного на одной оси с синхронным генератором (рис. 8).

Рис. 8

Генератор постоянного тока работает обычно в режиме самовозбуждения с обмоткой возбуждения, включенной параллельно с обмоткой якоря. Напряжение с зажимов генератора постоянного тока через контактные кольца K1 и K2 подается на обмотку возбуждения генератора.

Для возбуждения генераторов большой мощности монтируют возбудитель переменного трехфазного тока и трехфазный выпрямитель (рис. 9).

Рис. 9

В этом случае трехфазная обмотка возбудителя расположена на вращающейся части возбуждаемого генератора. На той же части смонтирован трехфазный выпрямитель. Достаточно просто запитывать якорь главного генератора. Якорь возбудителя может получать питание от внешнего источника постоянного тока или от дополнительного возбудителя постоянного тока, смонтированного на той же оси.

Для возбуждения трехфазного генератора может быть использован принцип самовозбуждения (рис. 10). Условия самовозбуждения генератора такие же, как и у генераторов постоянного тока.

Рис. 10

Постоянный ток возбуждения получают от трансформатора возбуждения, так как в большинстве случаев напряжение возбуждения меньше напряжения сети и выпрямителя. Для регулирования тока возбуждения используют резистор возбуждения . Для поддержания постоянным напряжения генератора возбуждение может использоваться в электронных установках автоматического регулирования тока возбуждения.

Размещено на Allbest.ur