 |
Особенности работы синхронной машины (СМ)
|
|
|
|
Режимы работы СМ. У синхронного двигателя (СД) магнитные поля, создаваемые обмотками статора и ротора, движутся с одинаковыми скоростями, т.е. синхронно. Частота вращения ротора остается неизменной, жестко связанной с частотой сети соотношением 
. Конструктивно синхронный двигатель отличается от асинхронного лишь конструкцией ротора, который может быть явнополюсным или неявнополюсным (лаб.раб.№11). Согласно принципу обратимости любая синхронная машина(СМ) может работать как в режиме двигателя(СД),так и в режиме генератора(СГ).
Электромагнитный момент двигателя М ЭМявляется ведущим (движущим), а момент нагрузки на валу М НГ–тормозным, при этом М ЭМ =М НГ. При увеличении нагрузочного момента на валу двигателя ось магнитного поля ротора повернется на некоторый угол Θ относительно оси результирующего магнитного поля машины (рис.18.1 а). Этот угол называется углом нагрузки (рассогласования). Чем больше нагрузка на валу двигателя, тем больше угол Θ. При чрезмерной нагрузке устойчивая связь между полями нарушается («разрываются» магнитные силовые линии), двигатель «выпадает» из синхронизма и останавливается. Для синхронной машины, работающей в режиме двигателя, значение угла Θ всегда больше нуля (Θ>0).В генераторном режиме к валу машины приложен внешний момент 
, который является ведущим, а электромагнитный момент 
– тормозным, при этом угол 
изменяет знак на обратный (рис. 18.1 б). Если СМ работает в электрической сети, то для её перевода из одного режима в другой необходимо изменить знак угла нагрузки 
путём ускорения или притормаживания вала машины.
| а |
| б |
| S |
| S |
| + Q |
| M BH |
| M ЭМ |
| n 2 |
| n 1 |
| n 1 =n 2 |
| Ось результирующего магнитного поля |
| Ось полюса ротора |
| n 2 |
| n 1 |
| n 1 =n 2 |
| M BH |
| M ЭМ |
| N |
| N |
| - Q |
|
|
|
Рис.18.1. Схема взаимодействия магнитных полей статора и ротора
синхронной машины в режиме двигателя (а) и в режиме генератора (б).
Пуск синхронного двигателя. Пуск СД прямым включением в сеть невозможен, т.к. ротор в силу своей инерционности не успевает следовать за магнитным полем статора, которое, являясь практически безинерционным, сразу приобретает частоту вращения 
.
Сущность всех способов пуска сводится к обеспечению условий, при которых магнитные поля статора и ротора успевают “сцепиться” (войти в магнитное взаимодействие). Этого можно достигнуть тремя способами:
1. Пуск с применением вспомогательного (разгонного) двигателя.
В этом случае ротор СД разгоняется предварительно с помощью вспомогательного двигателя (асинхронного или постоянного тока) до синхронной скорости. При этом обмотка возбуждения включена в сеть постоянного тока, а обмотка статора – разомкнута, т.е. синхронная машина работает как синхронный генератор (СГ) в режиме холостого хода. При достижении ротором синхронной скорости, обмотка статора включается в сеть. Для подключения СГ в сеть необходимо выполнить ряд условий:
· равенство напряжений сети и генератора,
· равенство частот сети и генератора,
· обеспечение одинакового порядка чередования фаз сети и генератора. Выполнение этих условий контролируется соответствующими приборами.
После включения СГ в сеть приводной двигатель отключается, и машина автоматически переходит в двигательный режим, ротор притормаживается моментом холостого хода СД, знак угла нагрузки изменяется в соответствии с рис. 18.1.
2. Частотный пуск
Такой пуск сводится к постепенному увеличению частоты питающего напряжения от 0 до номинальной. При этом магнитное поле статора, вращаясь с малой частотой вращения (что следует из 
), успевает сцепиться с полем ротора и обеспечить устойчивое магнитное взаимодействие. Плавным увеличением частоты тока питающей сети производится разгон двигателя до номинальной скорости.
|
|
|
3. Асинхронный пуск.
Он аналогичен пуску асинхронного двигателя. Для этого в полюсных наконечниках ротора СД дополнительно размещают короткозамкнутую обмотку типа «беличьей клетки» из медных или алюминиевых стержней. При пуске обмотка возбуждения ротора пока не подключается к своему источнику питания. Происходит разгон ротора до так называемой “подсинхронной” скорости 
за счет асинхронного момента 
, обусловленного взаимодействием магнитного поля статора и токов, индуцированных им же в пусковой клетке и стали полюсов. После подачи постоянного тока в обмотку возбуждения СД втягивается в синхронизм. Втягивание происходит за счет появления синхронного момента М сх, который возникает при подаче тока возбуждения. В СД с явновыраженными полюсами вхождению в синхронизм способствует реактивный момент М доб (18.4). На время пуска ОВ необходимо замкнуть на активное сопротивление 
,величина которого в 8÷10 раз больше сопротивления самой обмотки. Когда скорость ротора достигает ~ 95% синхронной n 1, активное сопротивление R отключается и на ОВ подается постоянный ток.
Уравнение электрического состояния и схема замещения фазы синхронного двигателя. При работе под нагрузкой результирующий магнитный поток в воздушном зазоре 
машины определяется совместным действием основного магнитного потока 
,создаваемого обмоткой ротора и потока реакции якоря 
, создаваемого обмоткой статора
.
индуцирует результирующую ЭДС в обмотке статора
.
Кроме этого поток рассеяния 
(лаб. раб.№16) наводит в обмотке статора ЭДС рассеяния 
и тогда суммарную ЭДС машины можно найти так
.
Эта ЭДС уравновешена напряжением сети 
и находится с ним в противофазе
. (18.1)
ЭДС 
и 
пропорциональны своим магнитным потокам 
, 
, а для ненасыщенной машины – и току статора 
, поэтому их можно представить как ЭДС самоиндукции в виде
; 
,
где 
- индуктивное сопротивление реакции якоря; 
- индуктивное сопротивление рассеяния. Если пренебречь активным сопротивлением 
обмотки статора (на практике 
) уравнение (18.1) можно представить в виде
|
|
|
, (18.2)
где 
- полное синхронное сопротивление СМ.
Уравнению (18.2), называемому уравнением электрического состояния фазы СД, соответствует схема замещения двигателя (рис.18.2). Направление тока 
показывает, что электрическая энергия поступает из сети в двигатель. Напряжение сети 
и суммарная ЭДС двигателя 
(выраженная через напряжение 
) находятся в противофазе по контуру «двигатель-сеть»
.
| Ė 0 |
| İ 1 |
|
| Jx сх |
| Двигатель |
| Сеть |
| Рис. 18.2. |
|
| Ė сети |
| Z c |
Электромагнитный момент. Электромагнитный момент на валу неявнополюсного СД зависит от угла нагрузки 
, (18.3)
где 
– угловая скорость магнитного поля статора (ротора); 
− максимальный момент. При 
, 
, 
зависит только от 
, т.е. от магнитного потока 
,создаваемого током 
обмотки ротора.
Угловая и механическая характеристики СД. Угловой характеристикой называется зависимость 
при 
, 
. В соответствии с уравнением момента (18.3) она имеет вид синусоиды (рис.18.3).
Рис. 18.3. Угловая характеристика синхронного двигателя при 
:
1 – устойчивый режим работы двигателя;
2 – неустойчивый режим работы двигателя
При неизменных параметрах сети(
, 
) значение 
при неизменном токе возбуждения 
зависит только от угла 
.При увеличении момента нагрузки на валу двигателя (
) увеличивается угол 
(
) и, соответственно, момент , который пропорционален 
. Максимально возможный угол нагрузки двухполюсной синхронной машины 
.При большей нагрузке разрывается связь между магнитными полями и машина выпадает из синхронизма.
Перегрузочная способность двигателя 
определяется отношением максимального момента 
к номинальному 
или 
.
ПРИМЕЧАНИЕ: В случае явнополюсного СД за счет конструкции ротора появляется добавочный (реактивный) момент М доб. 
Он обусловлен различной магнитной проводимостью по продольной d и поперечной q осям ротора Формула М доб имеет вид
, (18.4)
где x d, x q – индуктивные сопротивления по продольной (d) и поперечной (q) осям машины. С учетом М доб формула момента СД с явновыраженными полюсами имеет вид
|
|
|
. (18.5)
В соответствии с этим уравнением строится угловая характеристика явнополюсного СД 
(рис. 18.4).
| M |
| M осн |
| M доб |
| M н |
| 45º |
| 90º |
| 180º |
| M |
| Q |
| Qн |
Рис.18.4. Угловая характеристика явнополюсного СД.
СД проектируют так, что в номинальном режиме угол нагрузки Qн составляет 20 – 30 град. а перегрузочная способность двигателя λ= М мах/ М н должна быть не менее 1,65.
Механическая характеристика СД n 2= f ( M ). В синхронном двигателе частота вращения ротора n 2 всегда равна синхронной частоте n 1 =60f 1 /p, поэтому график n 2 =f(М) имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс (рис. 18.5)
| M н |
| M max |
| M |
| n 2 |
Рис.18.5. Механическая характеристика СД.
U -образные характеристики. U- образной характеристикой называется зависимость тока статора I 1от тока возбуждения I в при неизменной мощности (моменте) на валу: 
, 
(
). Для упрощенного анализа U -образной характеристики целесообразно рассмотреть 2 случая.
1. Режим идеального холостого хода (
, 
). Если изменять ток возбуждения I вв обмотке ротора, то изменяется магнитный поток 
и ЭДС Е 0,в контуре «двигатель – сеть» (рис. 18.2) появляется разностная ЭДС
и реактивный ток
,
отстающий на 90 град от 
(рис.18.6 б, в). При нормальном токе возбуждения I в = I в норм имеем 
, 
и ток статора отсутствует (рис.18.6 а). При перевозбуждении(I в >I в норм) этот ток является опережающим по отношению к напряжению сети (рис.18.6 б). Двигатель генерирует реактивный ток ёмкостного характера (φ<0), тем самым повышая cosφ в сети. Практически все СД работают с перевозбуждением. Это же используется в синхронных компенсаторах, которые представляют собой СД, работающие вхолостую (
) и поставляющие в сеть емкостную реактивную мощность. При недовозбуждении (I в <I в норм) ток является отстающим(φ>0). Таким образом,при перевозбуждении или недовозбуждении двигателя ток статора растёт и U -образная характеристика без учёта момента холостого хода(М хх=0) имеет вид, указанный на рис. 18.7.
а б в
Рис. 18.6. Векторные диаграммы синхронного двигателя I -var, М= 0:
а – режим нормального возбуждения; б – режим перевозбуждения;
в – режим недовозбуждения.
Рис. 18.7. U-образные характеристики синхронного двигателя при М= 0:
1 – режим недовозбуждения; 2 – режим перевозбуждения;
2. Режим нагрузки (
, 
). В этом случае двигатель потребляет из сети активную мощность 
и активный ток 
при всех токах возбуждения. Характеристики смещаются вверх и вправо (рис.18.9).Ток статора определяется суммой активного и реактивного токов: 
. При нормальных токах возбуждения реактивные токи отсутствуют, полный ток статора 
, 
(
). Смещение характеристик вправо объясняется действием потока статора при увеличении нагрузки. При недовозбуждении с уменьшением I в уменьшается ЭДС 
и момент двигателя (см. (18.3)). Если при этом окажется, что он станет меньше нагрузочного момента М нг, то машина выпадет из синхронизма. Для каждой нагрузки имеется свой предел устойчивости (рис.18.8).
|
|
|
| Предел устойчивости |
| P 2=0,5 P 2H |
| P 2=0 |
| φ1<0 |
| φ1>0 |
| I 1а=0,25 İ 1н |
| I в |
| I 1 |
| Недовозбуждение |
| Перевозбуждение |
| φ1=0 |
| P 2=0,25 P 2H |
Рис.18.8. Семейство U -образных характеристик (
).
| P 1 |
| P 1 |
| I 1 |
| M 2 |
| M 2 |
| cos φ1 |
| I 1 |
| η |
| η |
| cos φ1 |
| P 2 |
Рис.18.9. Рабочие характеристики СД.
Рабочие характеристики. Они представляют собой зависимости P 1, М 2, cosφ1, 
, ηкак функции f (P 2) при U 1 = const, I в = I в норм= const. Так как скорость вращения СД постоянная (ω 1 = const ), то полезный вращающий момент М 2 = f (P 2) изменяется по прямой, что следует из 
. При увеличении нагрузки cosφ1 несколько уменьшается, что объясняется увеличением реактивного падения напряжения при возрастании тока 
Ток 
с ростом нагрузки растет не прямо пропорционально ей, а несколько быстрее, чем по прямой линии (в результате увеличения при нагрузке электрических потерь), а cosφ1, как сказано выше, уменьшается.
|
|
|
Adv особенно, в особенности
Cхема работы механизма репликации ДНК
I Требования к выполнению и оформлению контрольной работы
I. ВВЕДЕНИЕ. ПРОБЛЕМЫ И ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ СПОРТИВНОГО ТУРИЗМА НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ.
I. Выполнение контрольной работы
I. Общие принципы подготовки и требования к оформлению курсовой работы
I. Организация работы.
I. РАСЫ И РАСОВЫЕ ОСОБЕННОСТИ
I. Теоретический вопрос работы (выбирается номеру в списке в журнале).
II - Особенности религии Ислам
