Синхронные машины это: Синхронная машина — это… Что такое Синхронная машина?

Устройство и принцип действия синхронной машины

Устройство синхронных машин.

Синхронные машины вне зависимости от режима работы состоят из двух основных частей: неподвижного статора, выполняющего функции якоря и ротора, вращающегося внутри статора и служащего индуктором (рис. 4.1).

 

 

 

 

 

Статор трехфазной синхронной машины аналогичен статору трехфазного асинхронного двигателя. Он состоит из корпуса /, цилиндрического сердечника 2, набранного из отдельных пластин электротехнической стали, и трехфазной обмотки 3, уложенной в пазы сердечника.

Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит постоянного тока, который создает магнитное поле, вращающееся вместе с ротором. Ротор имеет обмотку возбуждения 4, которая через специальные контактные кольца 5 питается постоянным током от выпрямителя или от небольшого генератора постоянного тока, называемого возбудителем.

В отечественной энергетике также используются синхронные машины с «бесщеточным» возбуждением. Обмотка ротора таких машин питается от выпрямителя, вращающегося вместе с ротором. Выпрямитель в свою очередь получает питание от возбудителя, имеющего вращающуюся вместе с ротором трехфазную обмотку, возбуждаемую неподвижными постоянными магнитами.

Роторы синхронных машин бывают двух типов: с явно выраженными и неявно выраженными полюсами.

Роторы с явно выраженными полюсами (рис. 4.1) применяются в сравнительно тихоходных машинах (80 – 1000 об/мин), например гидрогенераторах; они имеют значительноечисло полюсов. Конструктивно роторы этого типа (рис. 4.2) состоят из вала 6, ступицы 7, полюсов 8, укрепляемых в шлицах ступицы, полюсных катушек 4 возбуждения, размещенных на полюсах.

 

 

 

 

 

 

Поверхность полюсного наконечника полюсов имеет такой профиль, что магнитная индукция в воздушном зазоре машины распределяется примерно по синусоидальному закону. Для быстроходных машин (турбогенераторы, синхронные двигатели, турбокомпрессоры и т. п.) явнополюсная конструкция ротора неприменима из-за сравнительно большого диаметра ротора и возникающих в связи с этим недопустимо больших центробежных сил.

Большей механической прочностью обладает ротор с неявно выраженными полюсами. Он состоит (рис. 4.3) из сердечника 1 и обмотки возбуждения 2. Сердечник изготовляется из стальной поковки цилиндрической формы. На его внешней поверхности фрезеруются пазы, в которые закладывается обмотка возбуждения.


 

 

 

 

 

 

Обмотка возбуждения распределяется в пазах сердечника так, чтобы создаваемое ею магнитное поле было распределено в пространстве по закону, близкому к синусоидальному.

Принцип работы и ЭДС синхронного генератора.

Работа синхронного генератора основана на явлении электромагнитной индукции. При холостом ходе обмотка якоря (статора) разомкнута, и магнитное поле машины образуется только обмоткой возбуждения ротора (рис. 4.4).

При вращении ротора синхронного генератора от проводного двигателя ПД с постоянной частотой nо магнитное поле ротора, пересекая проводники фазных обмоток статора AX, BY, CZ (рис.4.4,а) наводит в них ЭДС  , где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между статором и ротором;  l – активная длина проводника;  – линейная скорость пересечения проводников магнитным полем.


Выше отмечалось,  что индукция В в воздушном зазоре распределена по синусоидальному закону , где — угол, отсчитываемый от нейтральной линии, поэтому ЭДС в одном проводнике .

Обозначив, получим , т.е. ЭДС в проводниках обмоток статора изменяется по синусоидальному закону.

ЭДС отдельных проводников каждой обмотки статора сдвинуты по фазе относительно друг друга, поэтому они суммируются геометрически  (аналогично ЭДС статора асинхронного двигателя – см. п. 3.8.1). Действующее значение ЭДС одной фазы определяется выражением:

где  – обмоточный коэффициент; – частота синусоидальных ЭДС; — число витков одной фазы обмотки статора; — число пар полюсов; – максимальный магнитный поток полюса ротора; – синхронная частота вращения.

Катушки отдельных фаз статора сдвинуты в пространстве на электрический угол, равный 1200, и их ЭДС образуют симметричную трёхфазную систему.

Изменяя ток возбуждения , можно регулировать магнитный поток ротора и пропорциональную ему ЭДС генератора. На рис. 4.5 представлена зависимость , снятая при номинальной частоте вращения .

Эта зависимость называется характеристикой холостого хода. Форма характеристики напоминает форму кривой намагничивания ферромагнитного сердечника. Характерной особенностью её является отсутствие пропорциональности между магнитным потоком

и током возбуждения , что обусловлено явлением насыщения магнитной системы машины.

Принцип действия и вращающий момент синхронного двигателя.


Принцип действия синхронного двигателя основан на явлении притяжения разноименных полюсов двух магнитных полей – статора и ротора.  Вращающееся поле статора с полюсами N и S создается при питании обмоток статора от трёхфазной сети аналогично вращающемуся полю асинхронного двигателя (на рис. 4.6 полюсы статора N и S показаны штриховкой, вращаются они против часовой стрелки с частотой ). Поле ротора создается постоянным током, протекающим по обмотке ротора.

Предположим, что ротор каким-либо способом разогнан до синхронной частоты вращения против часовой стрелки. Тогда полюсы ротора и

будут вращаться с частотой ; произойдет «сцепление» этих полюсов с разноименными полюсами статора и (см. штрихованные линии на рис. 4.6).

В режиме идеального холостого хода (момент сопротивления ) оси магнитных полей статора и ротора совпадают (рис. 4.6.а). При этом на полюсы ротора действуют радиальные силы и, которые не создают ни вращающего момента, ни момента сопротивления.


Если к валу машины приложить механическую нагрузку, которая создает момент сопротивления , ось ротора и его полюсов , сместится в сторону отставания на угол (рис. 4.6,б). Теперь вращающее поле статора как бы “ведёт” за собой поле ротора и сам ротор. Тангенциальные составляющие и создают вращающий момент , где — радиус ротора.

Машина работает в двигательном режиме, её вращающий момент преодолевает момент сопротивления механической нагрузки.

При увеличении момента механической нагрузки на валу ротора угол увеличивается (до некоторого предела), что приводит к увеличению вращающегося момента двигателя , причем частота вращения ротора остается неизменной и равной .

Противодействующий момент и противо-ЭДС.

При работе синхронной машины в режиме нагруженного генератора (на схеме рис. 4.4,б нагрузка Zн подключена к обмоткам статора через выключатель Q) по обмоткам статора протекает ток, который создает своё вращающееся магнитное поле. В генераторном режиме, в отличие от двигательного режима, полюсы ротора опережают на угол полюсы магнитного поля статора.

В результате взаимодействия разноименных полюсов статора и ротора на ротор действует момент, направленный против вращения, т.е. тормозной момент . В установившемся режиме момент уравновешивает вращающийся момент приводного двигателя:

.


При работе синхронной машины в режиме двигателя поле ротора пересекает витки трехфазной обмотки статора и в ней индуцируется ЭДС, которая согласно правилу Ленца действует навстречу току статора. По этой причине её называют противо-ЭДС. В установившемся режиме противо-ЭДС почти полностью уравновешивает напряжение сети .

Таким образом, при работе синхронной машины на нагрузку (электрическую или механическую) в обмотке статора индуцируется ЭДС Е и возникает момент ротора .

Реакция якоря в синхронной машине.

Реакция якоря – это воздействие поля якоря (статора) на магнитное поле машины. При работе синхронной машины на нагрузку (электрическую в режиме генератора  и механическую в режиме двигателя) по обмоткам статора (якоря) протекают синусоидальные токи, которые создают вращающееся магнитное поле статора. Ротор имеет частоту вращения , поэтому частота ЭДС и тока статора

, где — число пар полюсов машины.

Частота вращения магнитного поля статора .

Следовательно, поля ротора и статора вращаются с одной и той же частотой ; они взаимодействуют между собой и образуют результирующее вращающееся магнитное поле машины. Взаимодействие полей зависит от характера нагрузки и режима работы машины.


Рассмотрим реакцию якоря на примере двухполюсного синхронного генератора с неявно выраженными полюсами ротора, работающего на различную по характеру нагрузку .

При активной нагрузке с сопротивлением R ЭДС фазы обмотки статора и её ток совпадают по фазе и достигают максимума в тот момент, когда ось mm1 магнитного потока ротора Ф0 перпендикулярна оси nn1 катушки обмотки статора (например, АX на рис. 4.7,а).

Магнитный поток статора Фя замыкается по сердечникам статора и ротора через воздушный зазор. Таким образом, в случае активной нагрузки ось потока ротора Ф

0 опережает ось потока статора Фя на электрический угол, равный 900 (поперечная реакция якоря).

При этом результирующий магнитный поток машины (ось qq1) поворачивается относительно потока ротора Ф0 на угол в направлении, противоположном направлению вращению ротора.

При чисто индуктивной нагрузке XL ток в обмотке статора отстаёт от ЭДС на 900 и поэтому достигает максимума в тот момент времени, когда полюс ротора повернётся на 900 по направлению вращения (рис. 4.7,б). В этом случае магнитный поток статора оказывается направленным навстречу магнитному потоку ротора и размагничивает машину ().

При емкостной нагрузке XC ток в фазе статора опережает ЭДС на 900 и поэтому достигает максимума в тот момент, когда полюс ротора не доходит на 90

0 до оси mm1 (рис. 4.7,в). Магнитный поток статора в этом случае оказывается направленным согласно с магнитным потоком ротора и намагничивает машину  ().

При работе синхронной машины в режиме двигателя ток в статоре при том же направлении вращения имеет противоположное направление. Ось результирующего потока двигателя оказывается повернута относительно потока ротора на угол , но не против направления вращения, как у генератора, а по направлению вращения.

Таким образом, реакция якоря в синхронной машине изменяет как поток машины, так и его направление (в отличие от асинхронной машины, у которой ). Изменение Фрез приводит к изменению ЭДС, что неблагоприятно сказывается на работе потребителей электроэнергии при работе машины в режиме генератора.

Уменьшение неблагоприятного влияния реакции якоря достигается уменьшением магнитного потока статора за счёт увеличения воздушного зазора между ротором и статором синхронной машины.

Синхронные машины

Синхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой равна или кратна частоте вращения вращающегося в зазоре магнитного поля, создаваемого током якорной обмотки. Принцип действия синхронных машин основан на явлении электромагнитной индукции при взаимодействии магнитных полей .

Общее устройство синхронных машин

Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор (обмотка возбуждения).

Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле (так называемое поле реакции якоря), которое сцепляется с полем индуктора и таким образом происходит преобразование энергии. В генераторах поле реакции якоря создается 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 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, не заполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.

Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную конструкцию из электротехнической стали (то есть набранную из отдельных листов). Электротехническая сталь обладает рядом интересных свойств. В том числе она имеет повышенное содержание кремния, чтобы повысить её электрическое сопротивление и уменьшить тем самым вихревые токи Фуко.

Синхронный двигатель

Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося переменного магнитного поля якоря и постоянных магнитных полей полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт), в маломощных — постоянные магниты. Есть так-же обращенная конструкция двигателей, где якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а так же в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники)

Двигатель требует разгона до номинальной скорости вращения или частотного пуска, прежде чем может работать самостоятельно. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора (если индуктор расположен на статоре, то получается, что вращающееся магнитное поле вращающегося якоря (ротора) неподвижно относительно постоянного поля индуктора (статора), если индуктор на роторе, то магнитное поле вращающихся полюсов индуктора (ротора) неподвижно относительно вращающегося магнитного поля якоря (статора)) — это называется «вошел в синхронизм». Для разгона до номинальной скорости обычно используется дополнительный двигатель (чаще всего асинхронный). Так-же используется частотный пуск, когда частоту тока якоря постепено увеличивают от очень малых до номинальных величин.

Частота вращения (об/мин) синхронного двигателя напрямую связана с частотой тока питающей сети соотношением,

где — число пар полюсов машины.

Синхронные двигатели обладают ёмкостной нагрузкой, поэтому их выгодно использовать для компенсации индуктивной нагрузки (повышения коэффициента мощности). Синхронные двигатели применяют там, где нет необходимости частого пуска/остановки и регулирования скорости вращения (например в системах вентиляции).

Синхронный генератор

Обычно в синхронных генераторах якорем является статор, а индуктором — ротор. В индуктор через щётки подают постоянный ток, вращают ротор, тем самым создавая вращающееся магнитное поле, под действием которого в якоре индуцируется переменный ток, который отдаётся в сеть.

Частота вырабатываемого тока (Гц) напрямую связана с частотой вращения ротора (об/мин) соотношением:

где — число пар полюсов машины.

Разновидности синхронных машин:
  • Гидрогенератор — явно полюсный синхронный генератор, предназначенный для выработки электрической энергии в работе от гидравлической турбины (при низких скоростях вращения).

  • Турбогенератор — неявнополюсный синхронный генератор, предназначенный для выработки электрической энергии в работе от паровой или газовой турбины (при скоростях вращения ротора 6000, 3000, 1500 об/мин.).

  • Компенсатор — синхронная электрическая машина (в большинстве случаев неявнополюсная), предназначенная для выработки реактивной мощности (представляет из себя синхронный двигатель на холостом ходу, генерирование реактивной мощности регулируется током возбуждения обмотки индуктора).

Асинхронизированные синхронные машины

Асинхронизированные синхронные машины — различные синхронные машины, имеющие несколько обмоток возбуждения и за счет этого допускающие несинхронные режимы работы (то есть такие, когда электромагнитное поле в воздушном зазоре и ротор вращаются с разными скоростями). Это уникальная отечественная разработка, идеи которой уходят к шестидесятым годам ХХ века. Их основное преимущество — это высокая устойчивость (то есть они не выпадают из синхронизма при переходных процессах и сложных режимах работы) и возможность устойчивой нормальной работы в режиме глубокого потребления реактивной мощности, что не реализуется в обычных синхронных машинах в виду их выпадения из синхронизма, а в случае если устойчивость и может быть достигнута (что реализуется, например, применением сложных, быстродействующих систем сильного регулирования), то такой режим является анормальным ввиду перегрева обмоток (в первую очередь в торцевой зоне сердечника статора).

Синхронные машины

Если во вращающемся магнитном поле разместить на валу ротора магнит так, чтобы ось, соединяющая его полюса, была направлена вдоль вектора индукции магнитного поля, то вращающееся магнитное поле вовлекает во вращение магнит вместе с валом ротора, который вращается синхронно с магнитным полем. Однако для этого необходимо раскрутить ротор до скорости вращения поля (условие синхронизма). На ротор действует вращающий момент, и энергия тока превращается в механическую энергию электродвигателя, который получил название синхронного.

Синхронные машины используются в качестве источников электрической энергии (генераторов), электродвигателей и синхронных компенсаторов.
Синхронные генераторы гидроэлектростанций вращаются с помощью гидротурбин и носят название гидрогенераторов. Кроме электростанций синхронные генераторы находят применение в установках, требующих автономного источника питания.
Синхронные двигатели переменного тока используются с механизмами средней и большой мощности при редких пусках, требующих постоянной частоты вращения. К таким механизмам относятся компрессоры, вентиляторы, насосы и т.д.
Синхронный компенсатор предназначается для улучшения коэффициента мощности электротехнических установок (компенсации индуктивной реактивной мощности).

Схема замещения синхронного двигателя и векторная диаграмма

На рисунке Xc — синхронное индуктивное сопротивление; θ — угол нагрузки

В соответствии со схемой уравнение имеет вид:


Характеристика зависимости момента двигателя от угла нагрузки имеет вид синусоиды и выражает работу как двигательного, так и генераторного режима.
С целью получения запаса устойчивости за номинальный момент синхронного двигателя принимается 0,5Мн, которому соответствует угол θ=30°.

Конструкция

Конструктивно синхронная машина состоит из статора и ротора. Статор аналогичен статору асинхронной машины, а ротор представляет собой постоянный магнит, поле которого создается обмоткой возбуждения, по которой пропускается постоянный ток. Питание обмотки возбуждения осуществляется через скользящий контакт между контактными кольцами и неподвижными щетками. Особенностью синхронной машины является возможность работы как в режиме двигателя, так и в режиме генератора.
Частота ЭДС переменного тока в синхронной машине зависит от частоты вращения ротора и числа пар полюсов, f1 = рn/60. Действующее значение ЭДС, индуцируемой в проводниках

Е = 4,44fKобмо.

Взаимодействие вращающегося поля статора и поля постоянного магнита ротора вызывает появление вращающего момента, вследствие чего ротор вращается в том же направлении, что и поле статора (n1=n). Скольжение синхронной машины равно нулю.

 


Важным преимуществом синхронного двигателя является способность регулировать потребляемую из сети реактивную мощность путем изменения тока возбуждения. Рассмотрим зависимости тока статора двигателя от тока возбуждения.
При перевозбуждении Iдв имеет емкостной характер, а при недовозбуждении — индуктивный. Таким образом, синхронный двигатель может быть использован в качестве компенсирующего устройства для регулирования реактивной мощности.
Характеристики имеют границу устойчивости, вдоль которой уменьшение тока возбуждения приведет к опрокидыванию двигателя или «выпаданию из синхронизма». Граница устойчивости соответствует режиму Мдвген.

 

Недостатком синхронного двигателя является необходимость возбудителя для запуска, так как при равенстве синхронной частоты вращения поля статора и частоты вращения поля ротора пусковой момент отсутствует. Наиболее распространен асинхронный запуск. В этом случае на полюсах двигателя размещается короткозамкнутая обмотка. При пуске статор подключают к сети. Возникающее магнитное поле индуцирует в этой обмотке ЭДС и токи, в результате чего создается электромагнитный момент, как и у асинхронного двигателя. При этом обмотка возбуждения отключена от источника постоянного тока, но замкнута на активное сопротивление с целью уменьшения напряжения на ее зажимах при пуске. При достижении двигателем частоты вращения, близкой к синхронной, обмотка возбуждения переключается на источник постоянного тока. В этом случае говорят, что двигатель «втянулся в синхронизм».

Генераторный режим синхронной машины

Так как выражения электромагнитной мощности и момента у синхронной машины аналогичны и в двигательном и в генераторном режимах, то достаточно рассмотреть генераторный режим синхронной машины.
При работе синхронной машины в качестве генератора можно регулировать магнитный поток Ф0 и пропорциональную ему Е0, изменяя ток возбуждения.
Зависимость Е0=f(Iв) называется характеристикой холостого хода генератора.
Остаточная ЭДС у синхронного генератора равна 5-10 В.
Совпадение токов в проводниках по фазе с ЭДС будет только при активной нагрузке,
При включении статора на сопротивление нагрузки по обмотке пойдет ток, который создаст поле, вращающееся относительно статора и неподвижное относительно поля возбуждения основного потока ротора Ф0. Совпадение токов в проводниках по фазе с ЭДС будет только при активной нагрузке, при индуктивной ток отстает на 90°, при емкостной опережает на 90°. Рост напряжения при емкостной нагрузке связан с подмагничивающим действием реакции якоря (статора), а снижение при индуктивной нагрузке — размагничиванием.
Упрощенное уравнение электрического состояния одной фазы синхронного генератора без учета поля рассеяния якоря имеет вид:


где Е0 — ЭДС холостого хода.
Данному выражению соответствуют схема замещения (рис. а) и векторная диаграмма (рис. б). Из диаграммы следует, что Е0 соответствует магнитному потоку ротора Ф0, а напряжение U — результирующему магнитному потоку Ф. Отсюда следует, что в генераторном режиме Ф0 опережает Ф на угол θ.

Основной режим работы генератора нагрузочный. Пренебрегая потерями в сопротивлении обмотки якоря, получим из векторной диаграммы значение cosψ между напряжением и Е0:


С учетом этого выражения получим зависимость для определения электромагнитной мощности:


Момент равен отношению мощности к частоте вращения:


Выражение в скобках соответствует максимальному моменту Мmax, причем.
Зависимости электромагнитной мощности и момента синхронной машины при различных токах возбуждения показаны на рисунке.
В синхронном генераторе с активно-реактивной нагрузкой при определении электромагнитного момента необходимо учитывать фазовый сдвиг тока относительно магнитного потока или напряжения. Тогда выражение для момента


Синхронный генератор в качестве источника электрической энергии переменного тока включают в распределительную сеть параллельно. При параллельной работе генератора с системой большой мощности его частота и напряжение, а также угловая скорость должны оставаться неизменными при любых изменениях как нагрузки, так и тока возбуждения и момента первичного двигателя. Активную мощность, отдаваемую генератором в сеть, можно регулировать только изменением момента первичного двигателя, а реактивную — изменением тока возбуждения.

HydroMuseum – Явнополюсная синхронная электрическая машина

Явнополюсная синхронная электрическая машина

Явнополюсная синхронная электрическая машина – гидрогенератор, ротор которого имеет явнополюсную конструкцию.

Схема синхронной машины показана на рисунке. Синхронная машина отличается от асинхронной тем, что ток в обмотке ротора появляется не при вращении ее в магнитном поле статора, а подводится к ней от постороннего источника постоянного тока. Статор синхронной машины выполнен так же, как и асинхронной, и на нем обычно расположена трехфазная обмотка. Обмотка ротора образует магнитную систему с тем же числом полюсов , что и у статора. Она создает магнитный поток возбуждения и называется обмоткой возбуждения. Вращающаяся обмотка ротора соединяется с внешней цепью источника постоянного тока с помощью контактных колец и щеток. При вращении ротора с частотой n2 его магнитное поле возбуждения наводит в статоре ЭДС E1, частота которой

f1=p*n2/60

При подсоединении обмотки статора к нагрузке протекающий по ней ток будет создавать магнитный поток, частота вращения которого

n1=60f1/p

Из сравнения этих выражений видно, что п1 =n2 т. е. магнитные поля статора и ротора вращаются с одинаковой частотой, поэтому такие машины называются синхронными.


Рис. 1. Схема синхронной машины:

В — обмотка возбуждения, Uв — напряжение в цепи возбуждения

Результирующий магнитный поток создается совместным действием обмоток возбуждения и статора и вращается с той же частотой, что и ротор.

Обмотка якоря в синхронной машине — обмотка, в которой индуцируется ЭДС и к которой присоединяется нагрузка.

Индуктор в синхронной машине — часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения.

В схеме на рисунке статор является якорем, а ротор — индуктором, но может быть и обращенная схема, в которой статор — индуктор и ротор — якорь.

Синхронная машина может работать генератором или двигателем.

В машине с неподвижным якорем применяются две разновидности ротора: явнополюсный ротор имеет явно выраженные полюсы, неявнополюсный ротор не имеет явно выраженных полюсов.

Постоянный ток в обмотку возбуждения синхронной машины может подаваться от специального генератора постоянного тока, установленного на валу машины и называемого возбудителем, или от сети через полупроводниковый выпрямитель.

Наибольшее распространение получил генераторный режим работы синхронных машин, и почти вся электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами.

Синхронные двигатели применяются при мощности более 600 кВт и до 1 кВт как микродвигатели.

Синхронные генераторы на напряжение до 1000 В применяются в агрегатах для автономных систем электроснабжения. Агрегаты с этими генераторами могут быть стационарными и передвижными. Большинство агрегатов применяются с дизельными двигателями, но приводом их могут быть газовые турбины, электродвигатели и бензиновые двигатели.

Возбуждение синхронных машин

Раздел

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Способы возбуждения и устройство синхронных машин

Магнитное поле и характеристики синхронных генераторов

Параллельная работа синхронных генераторов

Синхронный двигатель и синхронный компенсатор

Синхронные машины специального назначения

 

Синхронные машины — это бесколлекторные машины пе­ременного тока. По своему устройству они отличаются от асинхронных машин лишь конструкцией ротора, который может быть явнополюсным или неявнополюсным. Что же касается свойств, то синхрон­ные машины отличаются син­хронной частотой вращения ротора (n2 = n1 = const) при любой нагрузке, а также воз­можностью регулирования ко­эффициента мощности, уста­навливая такое его значение, при котором работа синхрон­ной машины становится наи­более экономичной. Синхрон­ные машины обратимы и могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Синхронные гене­раторы составляют основу электротехнического оборудо­вания электростанций, т. е. практически вся электроэнер­гия вырабатывается синхрон­ными генераторами. Единич­ная мощность современных синхронных генераторов дос­тигает миллиона киловатт и более. Синхронные двигатели применяются главным обра­зом для привода устройств большой мощности. Такие двигатели по своим технико-экономическим показателям превосходят двигатели других типов. В крупных электроэнер­гетических установках синхронные машины иногда исполь­зуются в качестве компенса­торов — генераторов реак­тивной мощности, позволяю­щих повысить коэффициент мощности всей установки. В данном разделе рассмотрены главным образом трехфазные синхронные машины. Приве­дены также сведения по неко­торым типам синхронных дви­гателей весьма малой мощ­ности, применяемым в уст­ройствах автоматики и при­борной техники.



 

ГЛАВА 19

• Способы возбуждения и устройство синхронных машин

ГЛАВА 20

• Магнитное поле и характеристики синхронных генераторов

Раздел

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Способы возбуждения и устройство синхронных машин

Магнитное поле и характеристики синхронных генераторов

Параллельная работа синхронных генераторов

Синхронный двигатель и синхронный компенсатор

Синхронные машины специального назначения

 

Синхронные машины — это бесколлекторные машины пе­ременного тока. По своему устройству они отличаются от асинхронных машин лишь конструкцией ротора, который может быть явнополюсным или неявнополюсным. Что же касается свойств, то синхрон­ные машины отличаются син­хронной частотой вращения ротора (n2 = n1 = const) при любой нагрузке, а также воз­можностью регулирования ко­эффициента мощности, уста­навливая такое его значение, при котором работа синхрон­ной машины становится наи­более экономичной. Синхрон­ные машины обратимы и могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Синхронные гене­раторы составляют основу электротехнического оборудо­вания электростанций, т. е. практически вся электроэнер­гия вырабатывается синхрон­ными генераторами. Единич­ная мощность современных синхронных генераторов дос­тигает миллиона киловатт и более. Синхронные двигатели применяются главным обра­зом для привода устройств большой мощности. Такие двигатели по своим технико-экономическим показателям превосходят двигатели других типов. В крупных электроэнер­гетических установках синхронные машины иногда исполь­зуются в качестве компенса­торов — генераторов реак­тивной мощности, позволяю­щих повысить коэффициент мощности всей установки. В данном разделе рассмотрены главным образом трехфазные синхронные машины. Приве­дены также сведения по неко­торым типам синхронных дви­гателей весьма малой мощ­ности, применяемым в уст­ройствах автоматики и при­борной техники.

 

ГЛАВА 19

• Способы возбуждения и устройство синхронных машин

Возбуждение синхронных машин

 

При рассмотрении принципа действия син­хронного генератора (см. § 6.1) было установлено, что на роторе синхронного генератора расположен источник МДС (индуктор), создающий в генераторе магнитное поле. С помощью приводного двигателя (ПД) ротор генератора приводится во вращение с синхронной частотой n1. При этом магнитное поле ротора также вращается и, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней ЭДС.

Синхронные двигатели конструктивно почти не отличаются от синхронных генераторов. Они также состоят из статора с обмоткой и ротора. Поэтому независимо от режима работы 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.

До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения (см. § 28.2), называемые возбудителями В (рис. 19.1, а), 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 (r1)и подвозбудителя (r2).

В синхронных генераторах средней и большой мощности про­цесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах большой мощности — турбогене­раторах (см. § 19.2) — иногда в качестве возбудителя применяют генераторы переменного тока индукторного типа (см. § 23.6). На выходе такого генератора включают полупроводниковый выпрямитель.

 

 

Рис. 19.1. Контактная (а) и бесконтактная (б) системы

электромагнитно­го возбуждения синхронных генераторов

 

Регулировка тока возбуждения синхронного генератора в этом случае осуществляется изменением возбуждения индуктор­ного генератора.

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 (рис. 19.1, 5), у которого обмотка 2, в которой наводится ЭДС (обмотка якоря), расположена на роторе, а обмот­ка возбуждения 1 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 3, закрепленный на валу синхронной машины и вращающийся вместе с обмоткой возбуждения синхронной маши­ны и обмоткой якоря возбудителя. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя осуществляется от подвозбудителя (ПВ) — генератора постоянного тока.

Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения син­хронной машины позволяет повысить ее эксплуатационную на­дежность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в том числе гидрогенераторах (см. § 19.2), получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 19.2, а), 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.

 

Рис. 19.2. Принцип самовозбуждения синхронных генераторов

 

На рис. 19.2, б представлена структурная схема автоматиче­ской системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток пода­ется в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора побуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряже­ния на выходе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты БЗ, обеспечивающий защиту обмотки возбуждения и тиристорного преобразователя ТП от перенапряжений и токовой перегрузки.

В современных синхронных двигателях для возбуждения применяют тиристорные возбудительные устройства, включае­мые в сеть переменного тока и осуществляющие автоматическое управление током возбуждения во всевозможных режимах работы двигателя, в том числе и переходных. Такой способ возбуждения является наиболее надежным и экономичным, так как КПД тиристорных возбудительных устройств выше, чем у генераторов постоянного тока. Промышленностью выпускаются тиристорные возбудительные устройства на различные напряжения возбуждения с допустимым значением постоянного тока 320 А.

Наибольшее распространение в современных сериях синхронных двигателей получили возбудительные тиристорные устройства типов ТЕ8-320/48 (напряжение возбуждения 48 В) и ТЕ8-320/75 (напряжение возбуждения 75 В). Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5% полезной мощности машины (меньшее значение от­носится к машинам большой мощности).

В синхронных машинах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, когда на роторе машины располагаются постоянные магниты. Такой способ воз­буждения дает возможность избавить машину от обмотки возбуж­дения. В результате конструкция машины упрощается, становится более экономичной и надежной. Однако из-за дефицитности мате­риалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбу­ждения постоянными магнитами ограничивается лишь машинами мощностью не более нескольких киловатт (см. §23.1).


Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

4 Синхронные машины — Синхронные машины

IV Синхронные машины

4.1. Назначение, устройство и принцип действия

      Синхронные машины используются главным образом в качестве источников электрической энергии переменного тока; их устанавливают на мощных тепловых, гидравлических и атомных электростанциях. Конструкция синхронного генератора определяется в основном типом привода. В зависимости от этого различают турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель генераторы. Турбогенераторы приводятся во вращение паровыми или газовыми турбинами, гидрогенераторы – гидротурбинами, дизель генераторы – двигателями внутреннего сгорания.

      Синхронной машиной переменного тока называется такая машина, скорость которой находится в строгой зависимости от частоты. Ротор вращается с такой же скоростью, что и поле статора

    n1= 60f1

            p

      Турбогенераторы изготовляются на синхронную скорость n=3000-1500 об/мин, мощностью 125; 320; 500; 800; 1000; 1200 МВт. Статор (якорь) синхронной машины аналогичен асинхронной машине. Он набирается из листов электротехнической стали (1). В пазах статора расположены три фазы, сдвинутые относительно друг друга на 120 электрических градусов (2), рис. 1. (3) индуктор явнополюсной машины, (4) обмотка возбуждения, (5) контактные кольца. Ротор (индуктор) в синхронном турбогенераторе выполняется неявнополюсным. На роторе расположена обмотка возбуждения  (2), которая питается от источника постоянного тока. Обмотку возбуждения в такой машине размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки высококачественной стали (рис. 2(1)), и укрепляют немагнитными клиньями.

Рис 1.

Рекомендуемые материалы

Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят с помощью стальных массивных бандажей. Для получения приблизительно синусоидального распределения магнитной индукции обмотку возбуждения укладывают в пазы, занимающие 2/3 полюсного деления, рис. 2.

Рис 2.

Диаметр ротора не должен превышать 1.0-1.5м длина ротора составляет 7-8 метров.

      Охлаждение элементов турбогенератора осуществляется водородом, трансформаторным маслом, дистиллированной водой.

      Гидрогенераторы. Эти машины приводятся во вращение тихоходными гидравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50-500 об/мин. Поэтому их выполняют с большим числом полюсов и явнополюсным ротором, рис 2. Диаметр ротора гидрогенератора достигает у мощных машин 16м при длине 1.75м (640 МВА) на ободе ротора крепятся полюса с обмоткой возбуждения. Полюса изготовляют из листовой стали.

      Охлаждение элементов гидрогенератора чаще всего осуществляется водой.

      Кроме синхронных генераторов имеются синхронные двигатели и синхронные компенсаторы.

4.2. Работа генератора при холостом ходе

      При холостом ходе магнитный поток генератора создается обмоткой возбуждения, причем он направлен по оси полюсов ротора и индуктирует в фазах обмотки якоря  ЭДС сдвинутую по фазам 120 эл. градусов. Е0=4.44W1ФвК0. Величину Е0 можно регулировать изменяя ток возбуждения. В синхронных машинах основные параметры выражаются в относительных единицах Е0*0/Uном,  Lв*= Lв/Lв0, где Lв0 – ток возбуждения соответствующий номинальному напряжению при холостом ходе. Характеристика холостого хода в относительных единицах называется стандартной (рис 3). Так как генератор является источником напряжения, то к нему предъявляются требования относительно синусоидальности  полученной ЭДС. Величена искажения ЭДС не более 5% для машин средней и большой мощности и не более 10% для машин до 1000 КВА. Коэффициент искажения ЭДС

<5%

   Кривая ЭДС определяется магнитным полем, поэтому при конструировании машин обращают внимание на то, чтобы соблюдалось синусоидальное распределение поля. В машинах с явными полюсами это достигается за счет скоса полюсных наконечников, а в машинах неявнополюсных достигается за счет строгого расположения пазов на полюсном делении.

4.3. Реакция якоря в синхронном явнополюсном генераторе

      Как было сказано выше, при холостом ходе магнитный поток создается обмоткой возбуждения. В явнополюсной машине магнитный поток Ф0 направлен по продольной оси d-d, рис 4. Так как магнитное сопротивление по продольной d-d и поперечной осям различное, то в явнополюсной машине все процессы рассматривают по двум осям – продольной d-d вдоль индуктора  и поперечной q-q оси. Если теперь замкнуть обмотку статора (якоря) на нагрузку, то под действием ЭДС Е0 по обмотке будет протекать ток, который создает свой магнитный поток. Взаимодействие потока якоря с потоком обмотки возбуждения называется реакцией якоря. Намагничивающая сила ротора вращается с синхронной скоростью, вращение магнитного поля статора также синхронное (n1=60f1/p), т.е. они друг относительно друга неподвижны. Однако действие реакции якоря зависит от характера нагрузки. Нагрузка может быть активной, индуктивной, емкостной, либо смешанной. При рассмотрении реакции якоря на статоре будем изображать одну фазу вместо трех. Из общей теории машин переменного тока известно, что ось потока трехфазной обмотки совпадает с осью той фазы, где ток максимален, поэтому рассмотрим случай, когда ток в одной из фаз статора максимален.

4.3.1. Реакция якоря при активной нагрузке

Рис 4.

Кривая намагничивающей силы ротора есть синусоида. Кривая намагничивающей силы реакции якоря так же синусоидальная. Реакция якоря на набегающем крае размагничивает основной поток, а на сбегающем крае намагничивает. Как видно из рис 4 при активной нагрузке реакции якоря поперечная. Намагничивающая сила Faq – намагничивающая сила поперечной реакции якоря.

      Если машина неявнополюсная, то Faq дает нам в каком-то масштабе кривую распределения индукции. А для машин с явными полюсами эта кривая не будет аналогична кривой распределения индукции, так как зазор по осям не одинаков. Поэтому в кривой индукции появляются провалы в межполюсных местах из-за большого магнитного сопротивления.

      Однако с такой кривой индукции Baq иметь дело не удобно, поэтому предпочитают сводить эту кривую к эквивалентной синусоиде, имеющей равную площадь, при этом поступают следующим образом: намагничивающую силу F1aq соответствующую эквивалентной синусоиде, определяют  F1aq=Faq*Kq, где Kq-коэфициент поперечной реакции якоря и зависит от коэффициента магнитного перекрытия для машин Kq=0.2-0.5.

      Определив, таким образом, эквивалентную синусоиду, можно найти поток.          Таким образом, при чисто активной нагрузке реакция якоря – поперечная.

4.3.2. Реакция якоря при индуктивной нагрузке

Теперь рассмотрим случай, когда нагрузка генератора чисто реактивная, т.е. ток якоря отстает от ЭДС на 90. Если нагрузка индуктивная и ток отстает от ЭДС на 90, то взаимное расположение полюсов и активных сторон фазы, в которых будет максимальный ток будет тогда, когда уйдет на половину полюсного деления (на 90 эл. градусов). Магнитные линии потока якоря будут замыкаться иначе, чем в первом случае. Поток якоря, при этом, будет проходить по тому же пути, что и поток обмотки возбуждения, но направлен встречно. Поэтому если нагрузка чисто индуктивная, то реакция якоря будет продольно размагничивающая. На рис 5 представлена картина пространственного расположения потоков, в развернутом виде представлены н.с. F0 и Faq и векторная диаграмма при чисто индуктивном характере нагрузки. Кривая распределения индукции якоря для явнополюсной машины также будет иметь провалы.

Рис 5.

Здесь также действительную кривую распределения индукции заменяют эквивалентной синусоидой.

      F1ad=Fad*Kd, где  Kd – коэфициент продольной реакции якоря. Kd=0.8-0.95 таким образом, при индуктивной нагрузке реакция якоря будет продольной и будет действовать размагничивающим образом.

4.3.3. Реакция якоря при емкостной нагрузке

      При емкостной нагрузке ток якоря опережает ЭДС на 90 эл. градусов. Поэтому максимум тока в фазе наступает тогда, когда северный полюс не дойдет до фазы статора на 90. При этом поток якоря и поток обмотки возбуждения будут направлены в одну сторону (см. рис. 6) и реакция якоря будет продольно намагничивающая.

Рис. 6.

4.3.4. Реакция якоря при смешанной нагрузке

      В действительности у синхронных генераторов таких идеальных случаев нагрузки нет. Реально нагрузка генератора активно-индуктивная, либо активно емкостная. Рассмотрим активно-индуктивный характер нагрузки. При этом ток разлагают по осям. Активная составляющая будет давать поперечную  реакцию якоря, а реактивная – продольную. Рассмотрим случай, когда ток отстает от ЭДС на угол y. Для определения влияния реакции якоря нужно выделить активную и реактивную составляющие тока.

Рис 7.

Ток Iq создает намагничивающую силу Faq, а ток Id намагничивающую силу Fad. Fad будет искажать магнитный поток, а Fad  размагничивать. Реакция якоря определяется путем разложения, рис. 7.

4.4. Магнитное рассеяние

      Кроме основного магнитного потока, пронизывающего обе обмотки, имеется поток рассеяния. Этот поток охватывает только обмотку статора.

      Различают три части потока рассеяния: пазовое зубцовое и лобовое.

      Поток рассеяния обуславливает собой индуктивное сопротивление. Он индуктирует ЭДС рассеяния. Посмотрим от чего зависит ЭДС рассеяния и реактивное сопротивление. Определим поток рассеяния Фs.

В основу определения потока Фs положено понятие удельной магнитной проводимости

       Фs=2eWkL1i.

Эта формула написана из расчета приведенной удельной магнитной проводимости. Под которой понимается число магнитных силовых линий, пронизывающих катушку при прохождении тока в ней в один ампер, при числе витков равном единице и отнесенной к единице длины активной стороны. Ток i=Imsin(wt) с другой стороны по закону электромагнитной индукции можем написать:

        esk = — Wk

                          dt

если теперь сюда подставить поток Ф и значение тока, то получим

esk= — Wskd(2eWkLImsinwt)   =   -2eWk2LwImcoswt

                    dt

где амплитуда ЭДС рассеяния Esm=2eWk2Lwv2I, действующее значение ЭДС рассеяния.

Esk=4пf1eWk2LI – выражение ЭДС для катушки, а для фазы:

Es=4пf1e(pq)Wk2LI=XsI, Es=IXs – ЭДС рассеяния, а индуктивное сопротивление Хs равно:

Xs=4пfepqWk2L – это выражение верно для любого типа обмоток, дело только заключается в определении L, которая зависит от типа обмотки. В синхронных машинах сопротивления обычно выражаются в относительных единицах.

Xs*=XsIфн                   ,где    Zн= Uфн

        Uфн                                       Iфн

Обычно Xs*=0.1-0.14.

4.5. Рабочий процесс синхронной машины

      Наиболее важной величиной для синхронного генератора является напряжение. Оценка генератора производится по изменению напряжения. Показателем изменения напряжения является относительное изменение  напряжения – это разность между напряжением машины при холостом ходе и напряжением при нормальной нагрузке выраженная в процентах от Uн.

  U=(U0-Uн )* 100%

           Uн

Устанавливается эта величина при постоянстве тока возбуждения и при постоянстве числа оборотов. При автономной работе машины величина U может достигнуть 30%- 50%. Уменьшение напряжения обусловлено реакцией якоря и падением напряжения на реактивном сопротивлении. Синхронные машины изучаются с применением векторных диаграмм, где используются либо диаграммы ЭДС, либо диаграммы намагничивающих сил с учетом насыщения.

4.5.1. Основная диаграмма ЭДС явнополюсного синхронного генератора

      При построении этой диаграммы используется метод двух реакций. Разлагают реакцию якоря на поперечную и продольную и строят диаграмму. При холостом ходе существует поток Ф0. При нагрузке появляется поток якоря Фа. В результате взаимодействия Ф0 и Фа образуется результирующий поток Фб, и так, при нагрузке реально существует два потока, это результирующий поток Фб и поток рассеяния Фs.

Для построения диаграммы предполагается, что с синхронной малине существуют независимые потоки:

Ф0 – основной поток возбуждения,

Фaq – поток поперечной реакции якоря,

Фad – поток продольной реакции якоря,

Фs – поток рассеяния.

Эти потоки в обмотке якоря будут индуцировать свои ЭДС, а сумма этих ЭДС дает на выходе напряжение. Каждая ЭДС будет отставать от своего потока на 90 эл. гр.

            Ф0 »  Е0

Iq »Фad » Eaq

Id »Фad » Ead                           U

             Фs » Es

                   Ea=-It 

Исходя из этого, построим основную диаграмму ЭДС для явнополюсной синхронной машины, рис 8.

Рис. 8

где: Iq и Id – активная реактивная составляющие тока якоря. Используя эту диаграмму можно получить углы Q и f, а также U. Токи Iq и Id создают потоки Фad и Фaq которые создают в обмотке якоря ЭДС  Ead и Eaq. Сложив геометрически все эти ЭДС получим на зажимах машины выходное напряжение U. Но в современной теории синхронных машин пользуются рядом параметров, для обоснования которых основную диаграмму ЭДС необходимо преобразовать. Если ЭДС рассеяния Es = Ixs, то остальные ЭДС можно выразить аналогичным выражением.

4.5.2. Преобразованная диаграмма ЭДС явнополюсной синхронной машины

      Преобразование будет сводиться к тому, что, разложив ЭДС рассеяния по осям, и прибавив их к ЭДС Ead и Eaq, получим из 3 ЭДС два и попутно получим выражение индуктивных сопротивлений синхронных машин.

CN=BM=Essiny=IXssiny

AB=Ead=IdXad=IXadsiny

AM=CN+AB=IXssiny+IXadsiny=Isiny(Xs+Xad)=IdXd=Ed,

Xd=Xs+Xad, Xd – синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси. Xs – индуктивное сопротивление рассеяния. Xad – индуктивное сопротивление реакции якоря по продольной оси.

Далее: DN= Escosy=IXscosy

            MN=Ead=IqXad=IcosyXaq

            DM=DN+MN=IXscosy+IcosyXaq=Icosy(Xs+Xad)=IqXq=Eq,

Xq=Xs+Xad,  Xq – синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси. Xaq – индуктивное сопротивление реакции якоря по поперечной оси, где

IXad=  Eaq/cosy

Индуктивные сопротивления Xd, Xq, Xs, Xad, Xaq обычно приводятся в относительных единицах. Построим преобразованную диаграмму.

Рис. 9.

Векторные диаграммы ЭДС неявнополюсных синхронных машин, рис. 10, рис. 11.

                         Рис. 10                                                              Рис. 11.

На рис. 10 представлена диаграмма ЭДС выраженная через вектора отдельных ЭДС, а на рис. 11 диаграмма ЭДС выражена через падения напряжения. На этих диаграммах ток якоря I не разлагается по осям.

4.6. Определение параметров синхронной машины со снятыми характеристиками

4.6.1. Определение индуктивного ненасыщенного сопротивления Xd

Для определения ненасыщенного Xd снимаются две характеристики:

а) Характеристика холостого хода E0=A(ib), Ia=0, n=const

б) Характеристику короткого замыкания Ik=A(ib), U=0 (трехфазное к.р.).

Рис. 12                                                              Рис. 13

Из рис. 13 видно , что сумма ЭДС Е0, Ead, Es равна нулю, откуда

E0=IkXs+IkXad=Ik(Xs+Xad)=IkXd, откуда Xd=E0/Ik1.

Обычно Xd берется в относительных единицах:

Xd*= XdIн = E01Iн = Е01Iн =      E01

            Uн     Iк1Uн   UнIк1   Uн(Iк1/Iн)

Обозначим отношение Eo1/Uн = С, а Iк1/Iн = ОКЗ

Из рисунка 12 видно, что отношение токов

1/Iн = ib0/ibк = ОКЗ

ОКЗ выражает отношение тока возбуждения соответствующего номинальному напряжению при холостом ходе, к току возбуждения соответствующего номинальному току статора при трехфазном коротком замыкании. Значение ОКЗ влияет на габариты машины и на ток короткого замыкания если машина не насыщена, то Е01/Uн = 1, тогда ОКЗ = 1/Xd*

                         Рис. 14                                   Рис. 15

Если машина имеет малый зазор (рис 14), то магнитная проводимость потока якоря Фad будет большая, а следовательно Xd будет большим. При изменении нагрузки будет сильное колебание напряжения и машина будет работать неустойчиво, но зато она экономична т.к. диаметр статора мал и расход стали и меди будет наименьшим. Если машина имеет большой воздушный зазор б, то магнитная проводимость потоку якоря Фad будет мала и Xd будет малым. При изменении нагрузки напряжение будет мало колебаться и машина будет устойчиво работать с сетью. Но т.к. диаметр якоря большой , то машина получится не экономичной, т.е. большой расход стали и меди статора (якоря). Кроме того ОКЗ характеризует значение установившегося тока короткого замыкания: Iк.ном = ОКЗ*Iном, который возникает при номинальном токе возбуждения генератора (соответствующем номинальному напряжению). В современных синхронных явнополюсных машинах средней и большой мощности

Xd*= 0.6-1.6, Xq*= 0.4-1/

При указанных выше значениях Xd*,Xq*, для неявнополюсных машин ОКЗ = 0.8-1.8. Следовательно установившийся ток короткого замыкания в синхронных машинах сравнительно невелик, т.к. при этом режиме создается продольно размагничивающая реакция якоря и Фрез.к < Фв.

Для практических целей целеобразно иметь машину с большим ОКЗ, однако это требует выполнение ее с большим воздушным зазором, что существенно удорожает машину.

4.6.2. Определение параметра Xd насыщенного

      Для определения насыщенного Xd используют две характеристики:

1) Характеристика холостого хода: Xd=A(ib), I=0.

2) Нагрузочная индукционная характеристика: U=A(ib), Iн = const cosy = 0.

Рис. 16

При снятии индукционной характкристики ток отстает от Е0 на 900. При нагрузке I=Iн, cosf=0 напряжение будет падать за счет индуктивного сопротивления Xs – IнXs и Xad обусловленного реакцией якоря т.е (Xs + Xad)Iн = IнXd, что показано на рис. 16. На рис. 17 показаны характеристики и показан путь определения Xd т.е.

Xd = E0 – Uн

             Iн

Из рис. 18 видно, что с насыщением машины Xd уменьшается.

Рис. 17.

4.6.3. Определение параметра Xq

      Если машина неявнополюсная, то практически принимают что Xq=Xd, если же машина явнополюсная, то магнитная проводимость по поперечной оси q-q будет меньше чем по продольной, поэтому Xq<Xd, для практических целей принимают, что Xq = 0.6Xd.

4.6.4. Определение параметров Xq и Xd методом скольжения

      На машину подается пониженное напряжение U=(0.1-0.2)Uн  U выражают асинхронно и возбуждают машину.

      Если магнитный поток якоря совпадает с осью полюсов, то магнитная проводимость большая и сопротивление большое, а ток мал, поэтому

Xd =    U

        /3 Imin

Если магнитный поток якоря будет расположен по оси q-q, то магнитная проводимость ему будет мала, а следовательно индуктивное сопротивление будет малым, а ток большим, поэтому

Xq =      U                

         /3 Imax

т.к. скольжение обычно наибольшее, то колебание тока можно определить по прибору, но лучше брать его на осциллографе.

4.6.5. Определение параметра Xs

      Для определения этого параметра необходимо иметь следующие характеристики:

1. Характеристика холостого хода E0=A(ib), I=0.

2. Нагрузочная индукционная характеристика U=A(ib), Iн = const, cosf = 0.

3. Характеристика трехфазного короткого замыкания Iн=A(ib), U=0.

Эти характеристики представлены на рис. 18.

Рис 18.

ibk = ibs + iba.

Если бы было известно Xs то можно построить треугольник АВС, где катет СА=iba – это ток возбуждения, который идет на компенсацию реакции якоря. При коротком замыкании сопротивлением r можно принебречь, ток отстает от Е0 на 900, т.е. реакция якоря при Iн будет продольно размагничивающей. Катет ВС = IнXs. У индукционной нагрузочной характеристики,  ток Iн и cosf=0, поэтому и здесь реакция якоря продольно размагничивающая. Поэтому катеты С1А1=СА и В1С1 = ВС. На этом основании и определяется параметр Xs в следующем порядке:

По номинальному ток Iн на характеристике короткого замыкания определяем ток ibк = ОА. Затем для номинального напряжения на индукционной характеристике находим точку А1. Влево от нее откладываем отрезок О1А1 = ОА через точку О1 проводим линию, параллельную начальной части характеристики холостого хода, до пересечения характеристики получим точку В1. Соединив точку В1 с А1 о опустив перпендикуляр на линию О1А1 получим тот же треугольник А1В1С1, где катет В1С1 = IнXs отсюда Xs=B1C1/Iн, если машина неявнополюсная, то Xs = Xp. Для явнополюсной машины Xp>Xs на 10-20%.

4.7. Понятие о сверхпереходных и переходных индуктивных сопротивлениях

      При внезапных коротких замыканиях поток якоря не может в первый момент времени пройти через контур успокоительной обмотки и контур обмотки возбуждения. Такое расположение потока якоря соответствует сверхпереходному процессу, а индуктивное сопротивление будет наименьшим – Xd11, рис. 19. За счет активного сопротивления успокоительной обмотки вынужденный ток затухнет и поток якоря пройдет в контур этой обмотки, но будет обходить контур обмотки возбуждения.

 Рис 19.

Такое расположение потока якоря соответствует переходному процессу, а индуктивное сопротивление будет Xd1 – переходное, затем всплеск тока в обмотке возбуждения затухнет и поток якоря будет проходить по контуру успокоительной и обмотки возбуждения. Такое расположение потока будет соответствовать установившему короткому замыканию, а индуктивное сопротивление будет Xd. При сверхпереходном режиме рис. 20

Рис 20.

Xd11=Xs+Xad11= Xs +                  1

                                      1/Xad + 1/Xв + 1/Xу

Соответственно схема замещения будет иметь следующий вид в переходном режиме:

Xd1=Xs+Xad1= Xs +             1  

                                      1/Xad + 1/Xв

Соответственно схема замещения будет иметь  следующий вид, рис. 21.

Рис. 21

Установившийся режим короткого замыкания

Xd=Xs+Xad= Xs +         1       =Xs + Xad 

                                   1/Xad

и схема замещения на рис. 22.

 

Начальное действующее значение сверхпереходного тока равно

11=E0/Xd11, переходного тока Iс1=E0/Xd1 и установившегося тока к.з.

Iс = E0/Xd. Наибольший ток будет сверхпереходным.

4.8. Диаграммы намагничивающих сил

      В диаграммах намагничивающих сил учитывают насыщение машины. В отличии диаграмм ЭДС в диаграммах н.с. складываются н.с. и по суммарной намагничивающей силе определяется ЭДС Е0. Диаграммы построим для неявнополюсных машин. На рис. 23 если прибавить к напряжению U векторы Ir и IXs получим вектор результирующей ЭДС Еб по рис. 24 определим с учетом насыщения величину н.с. Fб. На векторной диаграмме Fб опережает Еб на 900.Намагничивающая сила реакции якоря

Fa = m/2WK0I

                   пp

используя этот вектор получим величину н.с. F0 и по рис. 25 определим ЭДС Е0, которая на векторной диаграмме отстает от F0 на 900 и так получим величину и направление вектора ЭДС Е0.

Рис. 23                                                           Рис. 24

Практическая диаграмма намагничивающих сил синхронной машины.

Эта диаграмма строится по принципу предыдущий диаграммы, рис. 25.

Рис. 25

Диаграмма не требует дополнительных пояснений. Если изменять величину и фазу тока якоря, то по диаграмме можно определить F0, U, и угол Q синхронной  машины.

4.9. Параллельная работа синхронных генераторов

      Обычно на электростанциях устанавливают несколько синхронных генераторов для параллельной работы на общую электрическую сеть. Это обеспечивает увеличение общей мощности электростанции, повышает надежность электроснабжения потребителей и позволяет лучше организовать обслуживание агрегатов. Электрические станции, в свою очередь, объединяются для параллельной работы в мощные энергосистемы, позволяющие наилучшим образом решать задачу производства и распределения электрической энергии. Таким образом, для синхронной машины, установленной на электрической станции подключенной к энергосистеме , типичным является режим работы на сеть большой мощности, т.е. напряжение сети Uc и ее частота fc являются постоянными. При параллельной работе всегда выдвигаются ряд условий, к таким условиям относятся следующие:

1. Одинаковая форма кривых ЭДС генераторов. На заводах изготовителях синхронные генераторы имеют практически синусоидальные напряжения .

2. Равенство напряжений и их противоположность  (по контуру двух машин). При равенстве и противоположности напряжений генераторов нет уравнительных токов в цепи генераторов.

3. Равенство частоты ЭДС генераторов.

4. Порядок чередования фаз должен быть одинаковым.

Этих условий достаточно для нормальной параллельной работы генераторов. Рассмотрим нарушение этих условий.

4.9.1. Параллельная работа генераторов при неравенстве напряжений

      При равенстве напряжений в цепи генераторов нет уравнительного тока. Теперь допустим, что напряжение сети Uc больше ЭДС подключаемого генератора, т.е. Uc > Uг, за счет их разности появится U и по обмоткам якоря потечет уравнительный ток Iур. По отношению к генератору (Uг) уравнительный ток является емкостным, который создает намагничивающую реакцию якоря. Поэтому у подключаемого генератора возрастает поток и увеличивается напряжение генератора, рис. 26.

Рис. 26

Уравнительный ток по отношению генератора в сети (Uc), является чисто индуктивным, он создает размагничивающую реакцию якоря. Это приведет к снижению напряжения в сети, т.е. роль уравнительного тока сводится к  выравниванию напряжения генераторов. При включении генератора на параллельную работу уравнительный ток является реактивным и механического удара не создает (при условии равенства частот), но дополнительно нагревает обмотки якоря.

4.9.2. Параллельная работа генераторов при

неравенстве частот

      Частота определяет собой скорость вращения вектора напряжения или тока в электрической цепи. Если частоты одинаковы, то векторы напряжений друг относительно друга неподвижны:

f1=f2, w1=2пf1, w2=2пf2, w1=w2, рис. 27.

Рис. 27

Если, к примеру, частота ЭДС второй машины будет больше частоты первой машины (f2 > f1), то вектор напряжения U2 начнет перемещаться относительно вектора напряжения U1 со скоростью, определяемой разностью скоростей векторов U1 и U2, рис. 27. Допустим, что в первый момент напряжения U1 и U2 сдвинуты на 1800 при f2>f1 угловые скорости векторов w2>w1 и через известный промежуток времени займет другое положение (рис. 28), отсюда появится разность напряжений U которая создаст в  обмотках ток биения  Iб  отстающего от U на 900. Активная составляющая этого тока Iба2 по отношению ко 2 машине будет создавать тормозной момент (ток совпадает с ЭДС второго генератора). Активная составляющая Iба1 по отношению к 1 машине будет создавать двигательный момент (ток направлен встречно с ЭДС 1 генератора). Ток биения все время будет меняться по величине и по фазе. Второй генератор будет тормозиться, а 1 подталкиваться. И после ряда колебаний установится какая-то средняя частота обоих генераторов и наступит установившийся режим. Но здесь будут механические толчки на генератор и на вал турбины. Поэтому, при включении генератора на параллельную работу разница частот должна быть минимальной.

      Порядок чередования фаз должен быть одинаковым. Чередование фаз проверяется прибором – фазоуказателем. При различном чередовании фаз произойдет аварийная ситуация. Метод включения синхронного генератора параллельно сети называется синхронизацией, а прибор, с помощью которого синхронизируют, называется – синхроноскоп.

4.10. Синхроноскопы

      Для синхронизации синхронных машин используются специальные устройства – синхроноскопы. Они бывают ламповые и стрелочные. Рассмотрим идею синхронизации на ламповом синхроноскопе. Здесь используется два способа включения:

1.Включение на погасание ламп.

2.Включение на бегущий свет.

Рис. 28.

При малой скорости турбины частота ЭДС СГ будет малой. (Сплошная звезда соответствует частоте сети, а пунктирная частоте синхронного генератора). Частота определяет скорость вращения векторов напряжения. Поэтому, при малой скорости турбины частота СГ мала и относительная скорость векторов будет большой. При этом лампы синхроноскопа будут часто вспыхивать и погасать. По мере разгона турбины частота СГ будет возрастать, и относительная скорость векторов будет уменьшаться. Мигание ламп будет замедленное. Если турбина разгонит СГ до частоты близкой к частоте сети, то относительная скорость векторов будет небольшой и лампы будут очень медленно то загораться, то потухать. В момент потухания ламп необходимо быстро включит генератор на сеть. В этот момент сплошная и пунктирная звезды совпадут по фазе. Но этот способ не дает наглядно в какую сторону необходимо регулировать скорость вращения генератора. Для этого используется второй способ.

4.10.2. Включение генератора параллельно сети на бегущий свет

Рис. 29.

При таком включении ламп синхроноскопа лампы находятся под разным потенциалом, рис 30. Если турбина имеет малое число оборотов, то частота ЭДС СГ мала и относительная скорость сплошной и пунктирной звезд будет большой. Вращение загорания ламп будет быстрое. По мере увеличения скорости вращения частота будет расти СГ, а относительная скорость звезд будет уменьшаться, и вращение бегущего света будет замедляться. При скорости вращения близкой к синхронной относительная скорость звезд будет малой и бегущий огонь будет медленно переходить с одной лампы на другую (например, по часовой стрелке) и когда лампа А фазы А потухнет, в этот момент быстро необходимо включить рубильник.

Если, не включая рубильник и дальше разгонять ротор СГ, то пунктирная звезда будет вращаться быстрее сплошной  и бегущий свет изменит свое направление (против часовой стрелки).

      На промышленных установках обычно используются стрелочные синхроноскопы. Эта синхронизация называется точной. На электростанциях часто используют грубую синхронизацию, так называемую самосинхронизацию. Идея сводится к следующему: турбина разгоняет ротор СГ до скорости близкой к синхронной, после чего включают обмотку статора в сеть (получается как бы асинхронный режим), затем с небольшой выдержкой времени подают напряжение на обмотку возбуждения, которая создает магнитный поток. Так как при этом относительная скорость поля статора и поля обмотки возбуждения мала, то после ряда проскальзываний противоположные полюса статора и индуктора притянутся, и машина втянется в синхронизм. После чего синхронный генератор можно нагружать.

4.11. Электромагнитная мощность и момент

синхронных машин

      Электромагнитная мощность – это мощность, которая передается с индуктора на статорную обмотку. Так как потери в обмотке статора, как правило, невелики, то и невелики потери в стали статора. Поэтому практически считают, что электромагнитная мощность равна полезной отдаваемой мощности:

Рэм = Рr = mUIcosf, r = 0                  (1)

Для вывода формулы электромагнитной мощности воспользуемся преобразованной диаграммой для явнополюсной машины, рис. 30.

Рис. 30

Выразим угол f через y и Q.

Из диаграммы видно, что

cosf=cos(y-Q) = cosycosQ+sinysinQ

Подставим cosf в уравнение (1) электромагнитной мощности

Pэм = mUIcosycosQ + mUIsinysinQ                (2)

Найдем из векторной диаграммы величины Icosy, Isiny

OB=E0 – IdXd = E0 – IsinyXd, с другой стороны:

OB = UcosQ, UcosQ = E0 – IsinyXd, откуда

Isiny = E0 – UcosQ     , далее

                   Xd

BC = IqXq = IcosyXq = UsinQ, откуда

Icosy = UsinQ

                Xq

Подставим произведение Isiny и Icosy в уравнение (2)

Pэм = mU2sinQcosQ   +   mUE0sinQ    —    mU2sinQcosQ, сгруппируем

                   Xq                        Xd                        Xd

mU2sinQcosQ  —  mU2sinQcosQ   =   mU2(1/Xq – 1/Xd)sinQcosQ.

Воспользуемся формулой sin2Q = 2cosQsinQ, откуда

cosQsinQ = 1/2sin2Q, тогда окончательно получим выражение электромагнитной мощности синхронного генератора (явнополюсн.)

Pэм = mUE0sinQ/Xd + mU2(1/Xq – 1/Xd)sin2Q/2

т.е. электромагнитная мощность состоит из основной и добавочной. Если машина неявнополюсная, где Xd=Xq, выражение электромагнитной мощности запишется:

Pэм = mUE0sinQ/Xd

Получим выражение электромагнитного момента для явнополюсной машины. Так как Pэм = Mw, откуда M = Pэм/w,

M = mUE0sinQ  +  mU2(1/Xq – 1/Xd)sin2Q

           wXd                            2w

, т.е. момент состоит из основной части и добавочного (реактивного) момента. Если генератор неявнополюсной, то выражение электромагнитного момента запишется:

M = mUE0sinQ/wXd

Зависимости P = A(Q) и M = A(Q) называются угловыми характеристиками синхронной машины. Покажем на рис. 31 угловые характеристики для явнополюсного генератора, а на рис. 32 угловые характеристики для неявнополюсной машины.

 

              Рис. 31                                                        Рис. 32

Из рис. 32 видно, что Qкр<900. Устойчиво машина работает в диапазоне угла Q = 0-Qкр, а для неявнополюсной машины  устойчивая работа соответствует углу Q = 0-900.

4.12. Режимы работы синхронной машины параллельно с сетью

      Изменение активной и реактивной мощностей синхронного генератора, работающего параллельно с сетью с большой мощностью, осуществляется путем изменения внешнего момента и тока возбуждения. Чтобы обеспечить требуемый режим работы генератора, обычно одновременно регулируют и ток возбуждения, и вращающий момент. Рассмотрим два предельных случая регулирования.

1. Возбуждение генератора остается постоянным, а момент изменяется.

      Если нагрузка генератора увеличивается, то с увеличением нагрузки увеличивается момент и мощность. При всех постоянных величинах (U, E0, Xd, Xq) момент и мощность будут изменяться за счет изменения угла Q. Угол Q на векторных диаграммах – это угол между осью индуктора и результирующим потоком Фб. При холостом ходе генератора существует поток Ф0 – созданный обмоткой возбуждения. При нагрузке в обмотке якоря создается поток якоря Фа. Этот поток накладывается на поток Ф0 и создает результирующий поток Фб. Пространственный угол Q и момент можно представить на рис. 33.

Рис. 33.

Как видим из рис. 33 электромагнитный момент генератора является тормозным, т.е. он стремится притянуть разноименные полюса, а момент со стороны турбины Мт вращает ротор. Чем больше ток статора, тем больше и поток Фа  и результирующий поток дальше сдвигается от оси индуктора, т.е. увеличивается угол Q. Поговорим о статической устойчивости синхронного генератора применительно к неявнополюсной машине. Синхронная машина (генератор) устойчиво с сетью работает в диапазоне угла Q = 0-900, а дальше машина выпадает из синхронизма, рис. 34. В т. А устойчивый режим работы.

  

Рис. 34.

Если отдаваемая мощность, а следовательно и электромагнитый момент возрастут (согласно рис. 33), то угол Q уменьшится и машина вернется в т. А. Если же отдаваемая мощность и момент уменьшатся, то согласно с рис. 33 угол Q возрастет т.к. Мт>М и машина вернется в исходную точку. Отсюда видно, что угол Q может меняться от 0 до 900 при устойчивой работе с сетью.

Если же угол Q будет больше 900, то магнитная связь между полюсами нарушается и машина выпадает из синхронизма. Это тяжелый и аварийный режим. При этом мощность в  сеть не отдается, а момент турбины имеется, то под действием этого момента ротор может разогнаться до недопустимой скорости вращения. Кроме того, магнитный поток возбуждения будет наводить в обмотке статора ЭДС, Которая будет то складываться, то вычитаться с приложенным напряжением. Это приведет к большим колебаниям тока. Обычно если генератор выпал из синхронизма, то его отключают от сети. Для устойчивой работы генератора с сетью номинальный угол составляет Qн = 15-200. Как уже было сказано, что если угол Q < 900, то машина работает неустойчиво с сетью. Допустим, работаем в т. В. Если отдаваемая мощность будет меньше мощности турбины, то (рис 34) угол Q будет увеличиваться, а с увеличением угла Q отдаваемая мощность будет падать, т.е. при этом машина никогда не вернется в т. В., поэтому угловая характеристика от Q = 900-1800 неустойчива. Перегрузочная способность генератора:

Кп = Рэмmax   =     1

           Рэмн          sinQн

Синхронизирующая мощность.

Чтобы генератор мог работать не выпадая из синхронизма с сетью, он должен обладать достаточной синхронизирующей мощностью, т.е. способность продолжать работать синхронно с сетью даже при значительных изменениях момента и, следовательно угла Q.

      Большое значение для работы синхронных машин имеет вопрос устойчивости их работы. Работа синхронной машины будет устойчивой, если положительному приращению Q соответствует положительное приращение электромагнитной мощности Рэл, и наоборот уменьшению угла Q будет соответствовать уменьшение электромагнитной мощности Рэм. В этом случае Рэм/Q можно рассматривать и при бесконечно малых изменениях, а тем самым перейти к первой производной dРэм/dQ, тогда

Рс = dРэм/dQ = mUE0 cosQ/Xc, где Рс – удельная синхронизирующая мощность. Синхронизирующая мощность равна удельной синхронизирующей мощности, уменьшенной на все смещение Q.

Рсх = РсQ

Из выражений Рсх и Рэм следует, что когда угол Q=0, генератор развивает наибольшую синхронизирующую мощность, но его электромагнитная мощность Рэм = 0. Наоборот, когда угол Q = 900, генератор развивает наибольшую электромагнитную мощность, а его синхронизирующая мощность Рсх = 0, рис. 34.

2. Момент генератора остается постоянным, а ток возбуждения изменяется.

M = const, ib = var.

Для анализа воспользуемся векторной диаграммой ЭДС для неявнополюсной машины, рис. 35.

Рис 35.

Если момент М = const, то и Р = const, M = mE0UsinQ/wXc = const, если изменяется ток возбуждения то изменяется и ЭДС. Для постоянства момента необходимо, чтобы E0sinQ = const мощность P=mUIcosf. Постоянство мощности получится при Icosf = Iа = const. При анализе режима учтем эти условия. Развернем диаграмму рис. 36 так, чтобы вектор напряжения генератора  Uг был направлен горизонтально и уравновешен напряжением сети Uс.

Рис. 36.

Из условий видим, что вектор ЭДС Е0 должен скользить по прямой QR параллельно вектору напряжения, т.к. ab = E0sinQ = const. При изменении возбуждения конец вектора тока статора (якоря) будет скользить по прямой MN, т.к. Ia = Icosf = const. При перевозбуждении ЭДС будет соответствовать величине Е0 и току I. Если разложить ток I, то его реактивная составляющая будет опережать вектор напряжения сети Uс на 900, т.е. этот ток будет емкостным. С энергетической стороны, этот режим будет соответствовать отдаче реактивной мощности в сеть. При уменьшении тока возбуждения ЭДС Е0 уменьшится до величины Е01 и ток в статоре будет иметь наименьшую величину I1 = Ia и cosf = 1. При этом генератор не отдает и не потребляет реактивной мощности.

      При перевозбужденном режиме ток I отстает от вектора напряжения генератора Uг на угол f. Если и дальше уменьшать ток возбуждения ЭДС уменьшится до величины Е011, а ток I11 будет опережать напряжение генератора на угол f1. Реактивная составляющая тока статора по отношению к вектору напряжения сети Uс будет отставать на 900, т.е. он будет чисто индуктивным и генератор будет потреблять из сети реактивную мощность. Этот режим называется – режим недовозбуждения. Таким образом, регулируя ток возбуждения генератора можно менять величину и фазу тока статора, т.е. изменять cosf. Зависимости тока статора I от тока возбуждения ib называются U-образными характеристиками. На рис. 37 представлены графически U-образные характеристики при различных мощностях.

 

 Рис. 37.

Характеристики до пунктирной линии соответствуют недовозбужденному режиму, а после этой линии соответствуют перевозбужденному режиму, при котором генератор отдает реактивную мощность в сеть.

Методы регулирования реактивной и активной мощности генератора.

      Как только что видели, что если изменять возбуждение генератора, то тем самым будем изменять реактивную мощность, отдавать, либо потреблять.

      Регулировать активную мощность можно только изменяя механическую мощность, со стороны паровой турбины, либо гидротурбины. При увеличении отдаваемой активной мощности, необходимо увеличить и механическую мощность со стороны турбины.

4.13. Синхронные двигатели

      В электроприводах, где не требуются частые пуски и регулирования скорости целесообразно применять синхронные двигатели вместо короткозамкнутых. При мощности выше 300 КВт, синхронные двигатели имеют по сравнению с асинхронными большое преимущество, заключающееся в том, что благодаря возбуждению постоянным током они могут работать с cosf = 1 и не потребляют при этом реактивной мощности из сети, а при работе с перевозбуждением даже отдают реактивную мощность в сеть. В результате улучшается коэффициент мощности сети и уменьшается падение напряжения и потери в ней. С другой стороны, конструкция синхронных двигателей сложнее, чем короткозамкнутых асинхронных двигателей, кроме того, синхронные двигатели должны иметь электромагнитный возбудитель для питания обмотки возбуждения постоянным током. Вследствие этого синхронные двигатели в большинстве случаев дороже асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, однако, при мощности более 300 КВт они экономически выгодны при совместной работе с сетью. Пуск синхронных двигателей намного сложнее асинхронных.

4.13.1. Векторные диаграммы синхронного двигателя

      При работе синхронной машины в режиме генератора напряжение на его зажимах равно разности между ЭДС  Е0 и падениями напряжений на различных индуктивных сопротивлениях, а при работе в режиме двигателя напряжение Uс равно сумме ЭДС и падений напряжения на индуктивных сопротивлениях. Покажем векторную диаграмму для явнополюсного синхронного двигателя в перевозбужденном режиме при известных параметрах r, Xd, Xq.

                  Рис. 38                                                    Рис. 39.

При перевозбужденном режиме (рис 38) ток опережает напряжение на угол f. Ток якоря I разложим по осям d,q относительно вектора Е0. Токи Id, Iq создают потоки, а они создают ЭДС Ea = -Ir, сумма ЭДС дает нам вектор напряжения Uc. Угол Q – угол между вектором напряжения сети Uc и составляющей напряжения, которая уравновешивает ЭДС Е0.

На рис. 39 представлена упрощенная диаграмма синхронного двигателя для неявнополюсной машины.

      В синхронном неявнополюсном двигателе ток по осям не разлагается. Синхронное индуктивное сопротивление Xc=Xd=Xs+Xad. Ток статора создает поток рассеяния и поток якоря. Оба этих потока создают ЭДС – iIXc отстающей от вектора тока на 900. Напряжение сети Uс уравновешивается суммой ЭДС Е=-Uc. Если из этой суммы вычесть ЭДС – iIXc, то получим вектор ЭДС Е0. ЭДС Е0 и –iIXc уравновешиваются составляющими напряжения –Е0 и iIXc. Угол Q есть угол сдвига между вектором напряжения сети Uc и составляющей напряжения –Е0.

4.13.2 Угловые характеристики синхронного двигателя

      Синхронная машина обратима, т.е. можно работу синхронного генератора перевести в режим двигателя. При этом угол Q (если для генератора его считать положительным) изменит свой знак.

      Выражение электромагнитной мощности и момента для синхронного двигателя аналогичны генератору. На рис. 40 представлены угловые характеристики для неявнополюсной машины режима генератора и двигателя.

Рис. 40.

Как было указано выше, если машина работает в режиме генератора, то под действием момента турбины Мт угол Q (угол между осью индуктора и осью результирующего потока Фб) возрастает. Электромагнитный момент – тормозной. Ось индуктора опережает ось потока Фб, и угол Q считается положительным. Если разгрузить генератор до Q = 0, то напряжение генератора уравновешено ЭДС генератора и ток статора I=0. Если теперь нагрузить машину внешней нагрузкой, то машина перейдет в двигательный режим. При этом, электромагнитный момент будет движущим, а момент тормозной Мв – момент на валу. Как видим из рис. 40 при двигательном режиме результирующий поток Фб будет тянуть за собой индуктор. Угол Q будет отрицательным. Двигатель будет работать устойчиво в диапазоне угла Q = 0-900.

      Уравнения электромагнитной мощности и момента неявнополюсного синхронного двигателя запишутся:

Рэл = mUcE0sinQ,                       M = mUcE0sinQ

                   Xc                                            wXc 

Работа синхронного двигателя в режиме угловых характеристик соответствует режиму: ib = const, M = var.

4.13.3. Режим работы синхронного двигателя при постоянном моменте и переменном токе возбуждения

M=const, ib=var. Для анализа этого режима синхронного двигателя воспользуемся упрощенной диаграммой для неявнополюсной машины (рис. 39). Используя только верхнюю ее часть и вектор напряжения сети Uc расположим горизонтально.

 

 Рис. 41.

Режим работы соответствует постоянству момента.

M = mUcE0sinQ  = const             при           mUc = const,

              wXc                                                  wXc

постоянство момента получается при  E0sinQ=const, а следовательно -E0sinQ=const, поэтому, при изменении возбуждения, конец вектора –Е0 будет передвигаться по прямой Qq параллельно вектору Uc, т.к.

ab=E01sinQ=const. Мощность также постоянная:

P=mUcIcosf=const при mUc=const, P=const при Icosf=Ia=const, т.е. активная составляющая тока будет постоянной  и конец вектора тока I, при изменении тока возбуждения, будет перемещаться по прямой MN.

      При недовозбужденном синхронном двигателе составляющей напряжения -Е0 соответствует ток I, который отстает от напряжения Uc на угол f. Вектор тока I перпендикулярен продолжению вектора iIXc. Реактивная составляющая тока I будет отставать на 900 от вектора напряжения Uc, т.е. этот ток чисто индуктивный. Значит при недовозбуждении двигатель будет потреблять из сети индуктивный ток, а следовательно будет потреблять из сети реактивную мощность.

      При увеличении возбуждения величина –Е01 увеличится, а ток I уменьшится до Ia=I1 и будет минимальным. При этом режиме СД будет работать с cosf=1 и реактивная мощность не будет ни потребляться ни отдаваться в сеть. При дальнейшем увеличении тока возбуждения составляющая напряжения будет равна –Е011, а ток I11 , будет опережать вектор напряжения сети на угол f1. Этот режим соответствует перевозбужденному режиму. Реактивная составляющая тока будет емкостной (опережает вектор pUc на 900). Этот режим будет соответствовать отдаче реактивной мощности в сеть. Этот режим аналогичен включению статических емкостей в сеть.

      Итак видим, что если изменять ток возбуждения ib, то величина тока статора I будет изменяться по величине и по фазе, т.е. можно регулировать cosf. Это ценное свойство и определяет использование синхронных двигателей. Выпускаются СД обычно с опережающим cosf=0.8. Зависимости тока статора I от тока возбуждения ib, I=A(ib) называются U-образные характеристики, рис. 42.

Рис. 42.

Р>  Р1. Характеристики снимаются при P=const. Режим работы соответствующий току возбуждения оси О до пунктирной линии недовозбужденный, а за пунктирной линией – перевозбужденный с отдачей реактивной энергии в сеть. Минимум тока статора соответствует cosf=1. Посмотрим на примере, как улучшается cosf установки при использовании перевозбужденного синхронного двигателя, рис. 43.

  

 Рис. 43.

Предприятие без СД имеет в векторной форме Uc,I и угол f, где ток  Il – индуктивный ток потребляемый из сети. Если теперь использовать СД в перевозбужденном режиме, получим емкостной ток Ic, который скомпенсирует частично ток Il. Результирующий реактивный ток уменьшится, а это приведет к уменьшению тока до I1, угол f1 уменьшится, т.е. возрастет cosf. Из этого примера видим, что используя на предприятиях СД в перевозбужденном режиме, улучшает cosf установки и уменьшает потери в сети.

ток   I =    /Ia2+(Il-Ic)2 , cosf = Ia/I

      Для улучшения энергетических показателей  в энергосистемах большой мощности используются синхронные компенсаторы. Эти машины устанавливаются в конце высоковольтных линий и служат генераторами большой мощности. Поэтому синхронные компенсаторы, как правило, работают в перевозбужденном режиме без нагрузки, т.е. в режиме холостого хода. Конструктивно, они не имеют наружного выхода вала. Воздушный зазор делается меньше, чем у генераторов, это приводит к уменьшению числа витков обмотки возбуждения. Мощность СК составляет 100-300 МВА. Идея работы СК с сетью показана на рис. 44.

Рис. 44.

Синхронный генератор вырабатывает активную и реактивную мощность, которая передается через трансформаторы и линию электропередачи предприятиям. Если установить в узле нагрузки А синхронный компенсатор в режиме перевозбуждения, то он на месте будет вырабатывать значительную часть реактивной мощности и отдавать ее потребителям предприятий разгрузив синхронный генератор и линию электропередач в значительной части от реактивной мощности. Это приведет к уменьшению общего тока ЛЭП, уменьшатся потери в СГ, тр-рах и ЛЭП.

4.13.4. Пуск синхронного двигателя

      Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока, электромагнитный момент будет дважды изменять свое направление, т.е. средний момент за период равняется нулю. При этих условиях двигатель не сможет прийти во вращение, т.к. его ротор обладающий определенной инерцией, не может быть в течении одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

      В виду отсутствия пускового момента в синхронном двигателе для пуска его используют следующие способы:

1. Пуск с помощью вспомогательного двигателя.

2. Асинхронный пуск двигателя.

1. Пуск с помощью вспомогательного двигателя.

Пуск в ход синхронного двигателя с помощью вспомогательного может быть произведен только без механической нагрузки на его валу, т.е. практически вхолостую. В этом случае на период пуска двигатель временно превращается в синхронный генератор, ротор которого приводится во вращение небольшим вспомогательным двигателем. Статор этого генератора включается параллельно в сеть с соблюдением всех необходимых условий этого соединения. После включения статора в сеть вспомогательный приводной двигатель механически отключается. Этот способ пуска сложен и имеет к тому же вспомогательный двигатель.

2. Асинхронный пуск двигателя.

Бесплатная лекция: «2.6 Литература XVIII века» также доступна.

Наиболее распространенным способом пуска синхронных двигателей является асинхронный пуск, при котором синхронный двигатель на время пуска превращается в асинхронный. Для возможности образования асинхронного пускового момента в пазах полюсных наконечников явнополюсного двигателя помещается пусковая короткозамкнутая обмотка. Эта обмотка состоит из латунных стержней, вставленных в пазы наконечников и соединяемых накоротко с обоих торцов медными кольцами.

      При пуске в ход двигателя обмотка статора включается в сеть переменного тока. Обмотка возбуждения (3) на период пуска замыкается на некоторое сопротивление Rг, рис. 45, ключ К в положении 2, сопротивление Rг = (8-10)Rв. В начальный момент пуска при S = 1, из-за большого числа витков обмотки возбуждения, Вращающее магнитное поле статора наведет в обмотке возбуждения ЭДС Ев, которая может достигнуть весьма большого значения и если при пуске не включить обмотку возбуждения на сопротивление Rг произойдет пробой изоляции.

                Рис. 45                                                                Рис. 46.

Процесс пуска синхронного двигателя осуществляется в два этапа. При включении обмотки статора (1) в сеть в двигателе образуется вращающее поле, которое наведет в короткозамкнутой обмотке ротора (2) ЭДС. Под действием, которой будет протекать в стержнях ток. В результате взаимодействия вращающего магнитного поля с током в коротко замкнутой обмотке создается вращающий момент, как у асинхронного двигателя. За счет этого момента ротор разгоняется до скольжения близкого к нулю (S=0,05), рис. 46. На этом заканчивается первый этап.

      Чтобы ротор двигателя втянулся в синхронизм, необходимо создать в нем магнитное поле включением в обмотку возбуждения (3) постоянного тока (переключив ключ К в положение 1). Так как ротор разогнан до скорости близкой к синхронной, то относительная скорость поля статора и ротора небольшая. Полюса плавно будут находить друг на друга. И после ряда проскальзываний противоположные полюса притянутся, и ротор втянется в синхронизм. После чего ротор будет вращаться с синхронной скоростью, и частота вращения его будет постоянной, рис. 46. На этом заканчивается второй этап пуска.

Синхронные машины

Основной тип генератора электрической энергии и двигатель. Как генератор, существует на мощность от 100 Вт до ГВт. Серийно до 12МВт. В плане двигательного режима: маловероятна. Это тихоходные приводы. Приводы с постоянной частотой вращения. Из названия следует, что в синхронной машине происходит совпадение угловых скоростей поля и ротора.

Принцип действия: основан на взаимодействия вращающегося магнитного поля с постоянным магнитом. Вращающееся магнитное поле создается токами, протекающими по статору. Статор такой же, как и у асинхронной машины. В отличие от машины постоянного тока здесь статор является ротором, а ротор является индуктором. Простейшая модель магнитного поля – магнит, который мы вращаем с постоянной скоростью.

Рис31

, где р – число пар полюсов.

Чтобы представить принцип действия, возьмем компас и поместим в магнитное поле. Слегка придавим стрелочку компаса, появится момент сопротивления; на картинке стрелочка будет отставать по фазе. Этот угол отставания связан с Мс(угол), который называется внутренним углом машины. Он представляет собой угол между полем ротора и статора. Для синхронной машины ось принято связывать с магнитной осью ротора. Связь Мс с углом :

Угловая характеристика синхронной машины

Рис32

Очевидно, что когда угол =0, Мс создаваться не будет. Если стрелку перевернуть в точке ,Мс создаваться не будет. Максимально возможный Мс в расположении поперек поля. Вывод: синхронный момент будет пропорционален SIN . Т.к. основной режим – двигательный, считаем Мс и положительными. Для синхронной машины угловая характеристика это механическая характеристика. Угловая скорость не меняется. Речь идет об установившемся режиме. Если вместо стрелки поставить какую – то пластинку, будет совпадение осей, даже если ротор ненамагничен. Отличие: у ротора нет южного и северных полюсов, ему все равно куда крутиться, нет установившегося равновесия. Т.е. если ротор не намагничен, нули будут в ,,, а пик Мс будет в . Это реактивный момент. Но всегда ли синхронная машина обладает этим моментом? Мр не будет возникать когда ротор по осям симметричный. Роторы могут быть симметричными (неявнополюсный) и симметричный (неявнополюсный). Различие: для машин с большими частотами вращения – неявнополюсные. Неявнополюсный ротор похож на фазный ротор. Явнополюсные машины обладают Мр. Существуют машины, в которых отсутствует намагниченность машины, они называются реактивные синхронные двигатели. Для машины с явнополюсным роторм, результирующий момент – это сумма синхронного и реактивного момента. Поэтому крит будет отличаться в меньшую сторону от . Синхронный момент больше реактивного ( больше чем в 10 раз). Поле в машине будет создаваться токами, протекающими по обмотке.

Рис33

В катушках вращается компас, т.е. относительно магнитной оси поле будет меняться синусоидально. Синусоидально меняющееся поле создаст свое ЭДС, которое смещено относительно вектора напряжения. Токи создают магнитное поле, которое создается реактивной составляющей. Вектор магнитной индукции расположен по углом 900 относительно вектора напряжения. Вектор ЭДС смещен относительно вектора магнитной индукции ротора на 900. Вектор магнитной индукции ротора и статора образуют угол , который соответствует углу между ЭДС и напряжением на якоре синхронной машины. В двигательном режиме ротор по фазе отстает от напряжения на статоре синхронного двигателя. Отставания от угловой скорости нет. В генераторном режиме все наоборот.

Что такое синхронная машина? — его Основные принципы

Синхронная машина включает как синхронные двигатели, так и синхронные генераторы. Система переменного тока имеет некоторые преимущества перед системой постоянного тока. Поэтому система переменного тока используется исключительно для производства, передачи и распределения электроэнергии. Машина, которая преобразует механическую энергию в электрическую энергию переменного тока, называется синхронным генератором или генератором переменного тока. Однако, если одна и та же машина может работать как двигатель, она известна как синхронный двигатель .

Синхронная машина — это машина переменного тока, удовлетворительная работа которой зависит от соблюдения следующего соотношения.

Где,

  • N s — синхронная скорость в оборотах в минуту (об/мин)
  • f — частота питания
  • P — количество полюсов машины.

При подключении к системе электроснабжения синхронная машина всегда поддерживает вышеуказанное соотношение, показанное в уравнении (1).

Если синхронная машина, работающая как двигатель, не может поддерживать среднюю скорость (N s ), машина не будет развивать достаточный крутящий момент для поддержания вращения и остановится. Тогда двигатель считается Pulled Out of Step.

В случае, когда синхронная машина работает как генератор, она должна работать с фиксированной скоростью, называемой синхронной скоростью, чтобы генерировать мощность на определенной частоте. Поскольку все приборы или машины предназначены для работы на этой частоте.В некоторых странах значение частоты составляет 50 герц .

Основные принципы синхронной машины

Синхронная машина — это всего лишь электромеханический преобразователь, который преобразует механическую энергию в электрическую или наоборот. Фундаментальное явление или закон, который делает эти преобразования возможными, известен как Закон электромагнитной индукции и Закон взаимодействия.

Подробное описание приведено ниже.

Закон электромагнитной индукции

Этот закон также называют первым законом электромагнитной индукции Фарадея. Этот закон относится к производству ЭДС, т. е.; ЭДС индуцируется в проводнике всякий раз, когда он пересекает магнитное поле, как показано ниже:

Закон взаимодействия

Этот закон относится к производству силы или крутящего момента, т. е. всякий раз, когда проводник с током помещается в магнитное поле, за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого проводником с током, и основного поля сила воздействует на проводник, создающий крутящий момент.Цифра представлена ​​ниже:

Трехфазная синхронная машина

  • Машины, используемые в бытовых приборах, такие как небольшие машины, используемые в воздухоохладителях, холодильных установках, вентиляторах, кондиционерах и т. д.
  • Однако большие машины переменного тока являются синхронными машинами трехфазного типа по следующим причинам.
  • При одинаковом размере рамы трехфазные машины имеют мощность почти в 1,5 раза выше, чем у однофазных машин.
  • Трехфазная мощность передается и распределяется более экономично, чем однофазная.
  • Трехфазные двигатели самозапускающиеся (кроме синхронных двигателей).
  • Трехфазные двигатели имеют абсолютно равномерный постоянный крутящий момент, тогда как однофазные двигатели имеют пульсирующий крутящий момент.

В малой синхронной машине обмотка возбуждения размещена на статоре, а обмотка якоря на роторе, тогда как в большой синхронной машине обмотка возбуждения размещена на роторе, а обмотка якоря на статоре .

Synchronous Machine – обзор

3.4 Динамические уравнения синхронной машины в системе отсчета d-q

В этом разделе представлены все дифференциально-алгебраические уравнения, необходимые для моделирования синхронной машины во временной области. Уравнения отражают сверхпереходное динамическое поведение синхронного генератора с четырьмя эквивалентными катушками, как показано на рис. 3.5, и представлением одной сосредоточенной массы для контура угла крутящего момента (Пал и Чаудхури, 2010).

Простейшая механическая модель — это модель с одной сосредоточенной массой, как показано на рис. 3.7. Эта очень простая модель предоставляет информацию о скорости вращения генератора с учетом приложенного механического крутящего момента и создаваемого электрического крутящего момента. Одномассовое представление достаточно для явлений энергетической системы, изучаемых в этой книге. Уравнения, определяющие динамику одномассовой модели, имеют вид (3.21) и (3.22).

Рисунок 3.7. Одномассовая модель.

Экв.(3.21) фиксирует изменение угла ротора генератора из-за несоответствия между синхронной скоростью сети и угловой скоростью ротора. ωr−ωs необходимо умножить на базовое значение ωb, так как δ в (3.21) — это угол, который не преобразуется в pu-систему.

(3.21)dδdt=ωb(ωr−ωs)

Ур. (3.22) необходимо для описания изменения угловой скорости ротора из-за рассогласования моментов в механической системе. Если входной механический крутящий момент больше, чем электрический крутящий момент, с учетом демпфирования ротор будет ускоряться.Если электрический крутящий момент больше механического крутящего момента с учетом демпфирования, ротор замедлится. Скорость, с которой ротор ускоряется или замедляется, определяется инерцией генератора.

(3.22)dωrdt=12H(Tm-Te-D(ωr-ωs))

Механический крутящий момент является входной величиной для моделирования синхронной машины. Электрический момент можно рассчитать из электрических уравнений машины, как показано в (3.23).

(3.23)Te=Xd»-XlsXd’-XlsEq’Iq+Xd’-Xd»Xd’-Xlsψ1dIq+Xd»-XlsXd’-XlsEq’Id-Xd’-Xd»Xd’-Xlsψ2qId −(Xd»-Xd»)IqId

Изменение переходной ЭДС из-за потокосцепления поля (3.24) косвенно пропорциональна переходной постоянной времени разомкнутой цепи по оси d.

(3.24)dEq’dt=1Td0′[-Eq’+Efd+(Xd-Xd’)(Id+Xd’-Xd»(Xd’-Xls)2{ψ1d-Eq’-Id(Xd’-Xls) )})]

Аналогично, переходная ЭДС из-за потокосцепления в демпферной катушке оси q (3.25) косвенно пропорциональна переходной постоянной времени холостого хода оси q

(3.25)dEd’dt=1Tq0′ [-Ed’+(Xq-Xq’)(-Iq+Xq’-Xq»(Xq’-Xls)2{-ψ2q-Ed’+Iq(Xq’-Xls)})]

Сверхпереходная ЭДС из-за потокосцепления в демпферной катушке оси q (3.26) косвенно пропорциональна сверхпереходной постоянной времени холостого хода по оси q.

(3.26)dψ2qdt=1Tq0″(-ψ2q-Ed’+Iq(Xq’-Xls))

Сверхпереходная ЭДС из-за потокосцепления в демпферной катушке оси d (3.27) косвенно пропорциональна сверхпереходной d — постоянная времени разомкнутой цепи оси

(3.27)dψ1ddt=1Td0»(-ψ1d+Eq’+Id(Xd’-Xls))

Использование четырех переменных состояния и напряжения на клеммах генератора, которое является входом Для модели синхронной машины компоненты тока статора по осям q и d можно рассчитать, как показано в (3.28) и (3.29) соответственно.

(3.28)Iq=RsRs2+-Xd»2(Eq’Xd»-XlsXd’-Xls+ψ1dXd’-Xls»Xd’-Xls-Vq)+Xd»Rs2+-Xd»2(Ed’Xq»-XlsXq ′−Xls−ψ2qXq′−Xq″Xq′−Xls−Vd)

(3.29)Id=−Xd″Rs2+−Xd″2(Eq′Xd″−XlsXd′−Xls+ψ1dXd′−Xls″Xd′− Xls−Vq)+RsRs2+−Xd″2(Ed′Xq″−XlsXq′−Xls−ψ2qXq′−Xq″Xq′−Xls−Vd)

Синхронные машины используют регуляторы для регулирования частоты системы при изменении генерации– баланс нагрузки, регулируя входной крутящий момент генератора. Простой губернатор может быть представлен в (3.30).

(3.30)dTmdt=1Tg(Tm2-Tm-ωr-ωsRgov)

Синхронные машины используют системы возбуждения для регулирования напряжения на шине генератора путем регулировки напряжения возбуждения генератора. Простую статическую систему возбуждения можно представить в виде (3.31).

(3.31) Defddt = 1TA (KAET-KAVREF-EFD)

Список переменных:

Δ

Генераторный угол ротора

ωs

Синхронная скорость

H

Inertia Prontent

D
D

самостоятельно затухающий

Переходные ЭМФ из-за полевого потока
EFD

полевого напряжения

RS

Сопротивление арматуры

ψ1D

субтражительный EMF из-за потока Damper D-axis

ID
ID
ID

D-Axis Компонент статора тока

VD

D-Axis Компонент генераторного клемма напряжение

XD, XD ‘, XD «

синхронный, переходный и сверхпереходные реактивные сопротивления по оси d

Tdo′,Tdo″

Переходные и сверхпереходные постоянные времени холостого хода по оси d

K

Статическое возбуждение

ET

Генератор напряжения

TG
TG

Время постоянной губернатора

RGOV 32

Губернатор

ωr

Rotor угловая скорость

Ωb

Базовая стоимость скорости

TM

Meachical Torque

TE

Электрический крутящий момент

ED ‘

Переходные EMF из-за потока накладки в катушке оси Q axis

XL

Нарезание утечки якоря

ψ2q

субтражительный EMF из-за навязки к потоку в оси оси

IQ

IQ 2

Q-ось AXIS компонент статора

VQ

Q-Axis напряжение на клеммах генератора

Xq,Xq′,Xq″

Синхронный, переходный INT и субтражиент Q-ось реагирования

TQO ‘, TQO «

Переходный и субтражительный q-axis axis of time цепи константы

TA

Статическое время возбуждения постоянные

Vref

Ссылка возбуждения

Tm2

Справочник нагрузки генератора

Синхронные машины (генератор и двигатель) в двух словах

Конструкция синхронного генератора

В синхронном генераторе обмотка постоянного тока подается на ротор магнитное поле ротора.Затем ротор генератора вращается первичным двигателем, создавая вращающееся магнитное поле внутри машины. Это вращающееся магнитное поле индуцирует трехфазный набор напряжений в обмотках статора генератора.

Теория синхронных машин (генератор и двигатель) в двух словах

Для описания обмоток машины обычно используются два термина: обмотки возбуждения и обмотки якоря. В общем, термин « обмотки возбуждения » применяется к обмоткам, создающим основное магнитное поле в машине, а термин « обмотки якоря » применяется к обмоткам, в которых индуцируется основное напряжение.

У синхронных машин обмотки возбуждения находятся на роторе, поэтому термины «обмотки ротора» и «обмотки возбуждения» взаимозаменяемы. Точно так же термины «обмотки статора» и «обмотки якоря» используются взаимозаменяемо.

Ротор синхронного генератора представляет собой большой электромагнит . Магнитные полюса ротора могут иметь как явно выраженную, так и неявнонаправленную конструкцию. Термин «выступающий» означает «выступающий» или «выступающий», а выступающий полюс — это магнитный полюс, выступающий над поверхностью ротора.

С другой стороны, неявнонаправленный полюс представляет собой магнитный полюс, расположенный заподлицо с поверхностью ротора.

Рисунок 1 – Неявнополюсный ротор для синхронной машины

Неявнополюсный ротор показан на рисунке 1, а явнополюсный ротор показан на рисунке 2. Неявнополюсные роторы обычно используются для двух- и четырехполюсные роторы , в то время как явнополюсные роторы обычно используются для роторов с четырьмя или более полюсами .

Поскольку ротор подвергается воздействию изменяющихся магнитных полей, он изготовлен из тонких пластин для уменьшения потерь на вихревые токи.

Рисунок 2 – (а) Выступающий шестиполюсный ротор синхронной машины. (b) Фотография явно выраженного восьмиполюсного синхронного ротора, показывающая обмотки на отдельных полюсах ротора. (e) Фотография одного явно выступающего полюса перед ротором с еще не установленными обмотками возбуждения. (d) Один явно выраженный полюс показан после установки обмотки возбуждения, но до ее установки на ротор.

В цепь возбуждения на роторе должен подаваться постоянный ток. Поскольку ротор вращается, требуется специальное устройство для подачи постоянного тока на его обмотки возбуждения.

Существует два распространенных подхода к подаче постоянного тока:

  1. Подача постоянного тока от внешнего источника постоянного тока на ротор с помощью контактных колец и щеток.
  2. Питание постоянного тока от специального источника постоянного тока, установленного непосредственно на валу синхронного генератора.

Токосъемные кольца представляют собой металлические кольца, полностью окружающие вал машины, но изолированные от него. Один конец обмотки ротора постоянного тока привязан к каждому из двух контактных колец на валу синхронной машины.и неподвижная щетка едет на каждом токосъемном кольце. «Щетка» представляет собой блок графитоподобного углеродного соединения , который не проводит электричество, но имеет очень низкое трение. чтобы не изнашивалось контактное кольцо.

Если положительный конец источника постоянного напряжения подключен к одной щетке, а отрицательный конец подключен к другой, то одно и то же постоянное напряжение будет прикладываться к обмотке возбуждения все время, независимо от углового положения или скорости щетки. ротор.

Токосъемные кольца и щетки создают некоторые проблемы, когда они используются для подачи постоянного тока на обмотки возбуждения синхронной машины.Они увеличивают объем технического обслуживания, необходимого для машины, поскольку щетки необходимо регулярно проверять на предмет износа.

Рисунок 3 – Схема бесщеточного возбудителя. Небольшой трехфазный ток выпрямляется и используется для питания цепи возбуждения возбудителя. который находится на статоре. Затем выход цепи якоря возбудителя (на роторе) выпрямляется и используется для подачи тока возбуждения главной машины.

Кроме того, падение напряжения на щетках может быть причиной значительных потерь мощности на машинах с большими токами возбуждения .Несмотря на эти проблемы, токосъемные кольца и щетки используются на всех небольших синхронных машинах, потому что ни один другой метод подачи постоянного тока возбуждения не является экономически эффективным.

В более крупных генераторах и двигателях бесщеточные возбудители используются для подачи постоянного тока возбуждения в машину. Бесщеточный возбудитель представляет собой небольшой генератор переменного тока с цепью возбуждения, установленной на статоре, и цепью якоря, установленной на валу ротора. Трехфазный выход генератора возбудителя выпрямляется до постоянного тока с помощью схемы трехфазного выпрямителя, также установленной на валу генератора, и затем подается в основную цепь возбуждения постоянного тока.

Рисунок 4 – Фотография ротора синхронной машины с бесщеточным возбудителем, установленным на том же валу. Обратите внимание на выпрямляющую электронику, видимую рядом с якорем возбудителя.

Управляя малым постоянным током возбуждения генератора возбуждения (расположенного на статоре), можно регулировать ток возбуждения на главной машине без токосъемных колец и щеток. Это устройство схематически показано на рис. 3, а ротор синхронной машины с бесщеточным возбудителем, установленным на том же валу , показан на рис. 4 выше.

Поскольку между ротором и статором никогда не возникает механических контактов, бесщеточный возбудитель требует гораздо меньшего обслуживания, чем токосъемные кольца и щетки.

Чтобы возбуждение генератора было полностью независимым от каких-либо внешних источников питания, в систему часто включают небольшой пилотный возбудитель. Пилотный возбудитель представляет собой небольшой генератор переменного тока с постоянными магнитами, установленными на валу ротора, и трехфазной обмоткой на статоре. Он производит питание для цепи возбуждения возбудителя, который, в свою очередь, управляет цепью возбуждения главной машины.

Синхронные машины (генератор и двигатель) в двух словах

Принцип работы, типы и области применения

В электрических системах, которые мы используем либо в промышленности, на электростанциях, либо в бытовых нуждах, двигатели и генераторы стали обычным явлением. В связи со спросом на системы с высокой энергоэффективностью и меньшим энергопотреблением наблюдается изобретение новых моделей этих электрических устройств. Основным расчетным коэффициентом для надежной работы двигателей и генераторов является коэффициент мощности .Это отношение приложенной мощности к требуемой мощности. Обычно общая мощность, потребляемая на производствах и предприятиях, рассчитывается на основе коэффициента мощности. Таким образом, коэффициент мощности всегда должен поддерживаться равным единице. Но из-за роста реактивной мощности в этих устройствах коэффициент мощности снижается. Для поддержания коэффициента мощности на уровне единицы вводится множество методов. Концепция синхронного двигателя является одной из них.


Что такое синхронный двигатель?

Определение синхронного двигателя гласит, что «двигатель переменного тока, в котором в установившемся режиме вращение вала синхронизировано с частотой приложенного тока».Синхронный двигатель работает как двигатель переменного тока, но здесь общее число оборотов, совершаемых валом, равно целому кратному частоте приложенного тока.

Синхронный двигатель

Работа синхронного двигателя не зависит от индукционного тока. В этих двигателях, в отличие от асинхронного двигателя, на стато r присутствуют многофазные электромагниты переменного тока, которые создают вращающееся магнитное поле. Здесь ротор представляет собой постоянный магнит, который синхронизируется с вращающимся магнитным полем и вращается синхронно с частотой приложенного к нему тока.

Конструкция синхронного двигателя

Статор и ротор являются основными компонентами синхронного двигателя. Здесь рама статора имеет оберточную пластину, к которой крепятся шпонки и окружные ребра. Фундаменты, крепления рамы используются для поддержки машины. Для возбуждения обмотки возбуждения постоянным током используются контактные кольца и щетки.

Цилиндрические и круглые роторы используются для 6-полюсного применения. Явнополюсные роторы используются, когда требуется большее количество полюсов. Конструкция синхронного двигателя и синхронного генератора аналогична.

Принцип работы синхронного двигателя

Работа синхронных двигателей зависит от взаимодействия магнитного поля статора с магнитным полем ротора. Статор содержит 3-фазные обмотки и питается от 3-фазной сети. Таким образом, обмотка статора создает трехфазное вращающееся магнитное поле. Питание постоянного тока подается на ротор.

Ротор входит во вращающееся магнитное поле, создаваемое обмоткой статора, и вращается синхронно. Теперь скорость двигателя зависит от частоты подаваемого тока.

Скорость синхронного двигателя регулируется частотой подаваемого тока. Скорость синхронного двигателя можно рассчитать как

Ns=60f/P=120f/p

где f = частота переменного тока (Гц)
p = общее количество полюсов на фазу
P = общее количество пар полюсов на фазу.

Если прикладывается нагрузка, превышающая пробивную, происходит десинхронизация двигателя. Трехфазная обмотка статора позволяет определить направление вращения.В случае однофазной обмотки определить направление вращения невозможно, и двигатель может запуститься в любом направлении. Для управления направлением вращения в этих синхронных двигателях необходимы пусковые устройства.

Методы пуска синхронного двигателя

Момент инерции ротора останавливает крупногабаритные синхронные двигатели от самозапуска. Из-за этой инерции ротора ротор не может синхронизироваться с магнитным полем статора в момент подачи питания.Поэтому требуется какой-то дополнительный механизм, чтобы помочь ротору синхронизироваться.

Индукционная обмотка включена в большие двигатели, которые создают достаточный крутящий момент, необходимый для ускорения. Для очень больших двигателей для ускорения ненагруженной машины используется маломощный двигатель. Изменяя частоту тока статора, двигатели с электронным управлением могут разгоняться даже с нулевой скорости.

Для очень малых двигателей, когда момент инерции ротора и механическая нагрузка желательно малы, они могут запускаться без каких-либо методов пуска.

Типы синхронных двигателей

В зависимости от способа намагничивания ротора различают два типа синхронных двигателей –

  • Без возбуждения.
  • Постоянный ток Возбужден.

Двигатель без возбуждения

В этих двигателях ротор намагничивается внешним полем статора. Ротор содержит постоянное магнитное поле. Для изготовления ротора используется сталь с высокой удерживающей способностью, такая как кобальтовая сталь. Они классифицируются как двигатели с постоянным магнитом, реактивные и гистерезисные двигатели.

  • В синхронных двигателях с постоянными магнитами постоянный магнит используется вместе со сталью для конструкции ротора. У них в роторе постоянное магнитное поле, поэтому индукционную обмотку нельзя использовать для пуска. Используются в качестве безредукторных двигателей лифтов.
Синхронный двигатель с постоянными магнитами
  • В реактивном двигателе ротор состоит из стального литья с выступающими зубчатыми полюсами. Чтобы свести к минимуму пульсации крутящего момента, полюса ротора меньше, чем полюса статора. Содержит обмотку с короткозамкнутым ротором для обеспечения пускового момента ротора.Используется в приборостроении.
  • Двигатели с гистерезисом являются самозапускающимися двигателями. Здесь ротор представляет собой гладкий цилиндр, изготовленный из магнитотвердой кобальтовой стали с высокой коэрцитивной силой. Эти двигатели дороги и используются там, где требуется точная постоянная скорость. Обычно используются в качестве серводвигателей.

Двигатель постоянного тока с возбуждением

Здесь ротор возбуждается постоянным током, подаваемым непосредственно через токосъемные кольца. Также используются индукционные и выпрямительные устройства переменного тока. Обычно они имеют большие размеры, например, более 1 лошадиной силы и т. Д.

Двигатель с возбуждением постоянным током

Применение синхронных двигателей

обычно синхронные двигатели используются там, где требуется точная и постоянная скорость. Применение этих двигателей с малой мощностью включает в себя позиционирующие машины. Они также применяются в приводах роботов. Шаровые мельницы, часы, проигрыватели грампластинок также используют синхронные двигатели. Кроме того, эти двигатели также используются в качестве серводвигателей и синхронизаторов.

Эти двигатели доступны в диапазоне размеров от дробной подковы до мощного промышленного размера.При использовании в мощных промышленных размерах эти двигатели выполняют две важные функции. Один из них — эффективное средство преобразования энергии переменного тока в механическую энергию, а другой — коррекция коэффициента мощности. С каким применением серводвигателя вы сталкивались?

[PDF] Глава 6. Синхронные машины

1 48550 Технология электроэнергетики Глава 6. Синхронные машины Темы для обсуждения: 1) Введение 2) Синхронные машины…

48550 Технология электроэнергетики

Глава 6.Синхронные машины Темы для обсуждения: 1) Введение

4) Модель эквивалентной схемы

2) Структуры синхронных машин

5) Работа генератора

3) Вращающееся магнитное поле

6) Работа двигателя

Введение A Синхронная машина — это вращающаяся машина переменного тока, скорость которой в установившемся режиме пропорциональна частоте тока в якоре. Магнитное поле, создаваемое токами якоря, вращается с той же скоростью, что и поле, создаваемое током поля на роторе, который вращается с синхронной скоростью, и возникает постоянный крутящий момент.Синхронные машины обычно используются в качестве генераторов, особенно для крупных энергетических систем, таких как турбогенераторы и гидрогенераторы в энергосистеме. Поскольку скорость ротора пропорциональна частоте возбуждения, синхронные двигатели можно использовать в ситуациях, когда требуется привод с постоянной скоростью. Поскольку реактивную мощность, вырабатываемую синхронной машиной, можно регулировать, регулируя величину тока возбуждения ротора, ненагруженные синхронные машины также часто устанавливают в энергосистемах исключительно для коррекции коэффициента мощности или для управления реактивным потоком кВА.Такие машины, известные как синхронные конденсаторы, могут быть более экономичными при больших размерах, чем статические конденсаторы. С силовыми электронными источниками питания переменного напряжения и переменной частоты (VVVF) синхронные двигатели, особенно с роторами с постоянными магнитами, широко используются для приводов с регулируемой скоростью. Если возбуждение статора двигателя с постоянными магнитами регулируется положением его ротора, так что поле статора всегда на 90° (электрическое) впереди ротора, характеристики двигателя могут быть очень близки к характеристикам обычных коллекторных двигателей постоянного тока, что очень выгодно. для приводов с регулируемой скоростью.Положение ротора можно определить с помощью датчиков положения ротора или вывести из ЭДС индукции в обмотках статора. Поскольку для двигателей этого типа не требуются щетки, они известны как бесщеточные двигатели постоянного тока.

Синхронные машины

В этой главе мы сосредоточимся на обычных синхронных машинах, тогда как бесщеточные двигатели постоянного тока будут обсуждаться позже в отдельной главе.

Конструкции синхронных машин Статор и ротор Обмотка якоря традиционной синхронной машины почти всегда находится на статоре и обычно представляет собой трехфазную обмотку.Обмотка возбуждения обычно находится на роторе и возбуждается постоянным током или постоянными магнитами.

Источник питания постоянного тока, необходимый для

возбуждения, обычно подается через генератор постоянного тока, известный как возбудитель, который часто устанавливается на том же валу, что и синхронная машина. Различные системы возбуждения, использующие возбудитель переменного тока и полупроводниковые выпрямители, используются с большими турбогенераторами. Существует два типа конструкции ротора: круглый или цилиндрический ротор и ротор с явно выраженными полюсами, как схематично показано на диаграмме ниже.Как правило, круглая конструкция ротора используется для высокоскоростных синхронных машин, таких как паротурбинные генераторы, а конструкция с явно выраженными полюсами используется для низкоскоростных устройств, таких как гидрогенераторы. На рисунках ниже показаны статор и ротор гидрогенератора и ротор турбогенератора.

(a)

(b)

Схематическое изображение синхронных машин с (a) круглым или цилиндрическим ротором и (b) явно выраженным ротором

2

Синхронные машины Электрические и механические единицы Рассмотрим синхронную машину с двумя магнитными полюсами.

Идеализированное радиальное

распределение плотности потока в воздушном зазоре является синусоидальным вдоль воздушного зазора. Когда ротор совершает один оборот, ЭДС индукции, которая также является синусоидальной, изменяется в течение одного цикла, как показано на графике ниже. Если мы измерим положение ротора физическими или механическими градусами или радианами, а фазовые углы плотности потока и ЭДС электрическими градусами или радианами, то в этом случае можно увидеть, что угол, измеренный в механических градусах или радианах, равен которые измеряются в электрических градусах или радианах, т.е.е.

θ = θm, где θ — угол в электрических градусах или радианах, а θm — механический угол.

4

Синхронные машины

B(θ) & e (ω t ) B(θ) e (ω t )

B(θ) & e (ω t ) B(θ) e (ω t )

0

π / 2

Π / 2

π / 2

3 π / 2

θm θ & ωt

0

π

π

2π 4π

θm θ &ωt

(a) (b) Распределение плотности потока в воздушном зазоре и ЭДС индукции в фазной обмотке двухполюсной (a) и четырехполюсной (b) синхронной машины Большое количество синхронных машин имеет более двух полюсов.В качестве конкретного примера рассмотрим четырехполюсную машину. При вращении ротора за один оборот (θm=2π) ЭДС индукции изменяется в течение двух циклов (θ = 4π), и, следовательно,

θ = 2θm. а механические единицы измерения угла можно легко вывести как

θ=

P θ 2 м

Взяв производные от обеих частей приведенного выше уравнения, мы получим

Синхронные машины

где ω — угловая частота ЭДС в электрических радианах в секунду, а ωm — угловая скорость ротора в механических радианах в секунду.Когда ω и ωm преобразуются в циклы в секунду или Гц и обороты в минуту соответственно, мы имеем

P n 2 60 120 fn = P f =

или

, где ω=2πf , ωm=2πn/60 и n — скорость вращения ротора в об/мин. Видно, что частота ЭДС индукции пропорциональна скорости вращения ротора. Распределенные трехфазные обмотки Статор синхронной машины состоит из многослойного сердечника из электротехнической стали и трехфазной обмотки. На рис. (а) ниже показана пластина статора синхронной машины, которая имеет ряд равномерно распределенных пазов.Катушки должны быть уложены в эти пазы и соединены таким образом, чтобы ток в каждой фазной обмотке создавал магнитное поле в воздушном зазоре по периферии статора как можно ближе к идеальному синусоидальному распределению. Рис. (b) представляет собой изображение катушки.

(a) (b) Изображения (a) ламинирования статора и (b) катушки синхронной машины Как показано ниже, эти катушки соединены в трехфазную обмотку. Каждая фаза может создавать определенное количество магнитных полюсов (на приведенной ниже диаграмме четыре магнитных полюса генерируются фазной обмоткой).Обмотки трех фаз расположены равномерно по периферии статора и помечены в такой последовательности, что фаза а на 120° (электрическая) опережает фазу b и на 240° (электрическая) впереди фазы с. Отмечено, что на приведенных выше схемах в каждый паз укладывается по две стороны катушки. Этот тип обмотки известен как двухслойная обмотка. В случае, когда в каждом слоте имеется только одна сторона катушки, обмотка известна как однослойная обмотка.

7

Синхронные машины

Вращающиеся магнитные поля Магнитное поле обмотки с распределенными фазами Распределение магнитного поля обмотки с распределенными фазами может быть получено путем сложения полей, создаваемых всеми витками обмотки. На приведенной ниже диаграмме показаны профили МДС и напряженности поля одиночной катушки в однородном воздушном зазоре. Если предположить, что проницаемость железа бесконечна, по закону Ампера МДС на каждом воздушном зазоре будет Nia/2, где N — число витков катушки, а ia — ток в катушке.Распределение МДС вдоль воздушного зазора представляет собой прямоугольную волну. Из-за равномерного воздушного зазора пространственное распределение напряженности магнитного поля такое же, как у МДС. Аналитически можно показать, что основной компонент является основным компонентом, когда МДС прямоугольной формы разлагается в ряд Фурье, и его можно записать как

Fa1 =

4 Ni a cosθ π 2

, где θ — угловое смещение. от магнитной оси катушки. Когда распределения поля нескольких распределенных катушек объединяются, результирующее распределение поля близко к синусоиде, как показано на диаграмме на следующей странице.Основная составляющая результирующей МДС может быть получена путем сложения основных составляющих этих отдельных катушек и может быть выражена как cosθ π P a

где Nph – общее число витков фазной обмотки, образованной этими витками, kp – коэффициент распределения обмотки, который определяется как

kp =

распределенная обмотка Основная ммс сосредоточенной обмотки

и P — число полюсов.В некоторых обмотках катушки с коротким шагом (расстояние между двумя сторонами катушки меньше, чем расстояние между двумя соседними магнитными полюсами) используются для устранения определенной гармоники, и тогда основная составляющая результирующей МДС выражается как

Fa1 =

4 кВт N ph i cosθ π P a

где kw = kdkp — коэффициент обмотки, kd известен как коэффициент шага, который определяется формулой полный шаг обмотки

и kwNph известен как эффективное число витков фазной обмотки.Пусть ia = I m cosωt , и мы имеем

4 кВт N ph I m cos ωt cosθ π P = Fm cos ωt cosθ 4 кВт N ph Fm = Im π P Fa 1 =

где

МДС распределенного фазовая обмотка является функцией как пространства, так и времени. На графике в разные моменты времени, как показано ниже, мы видим, что это пульсирующая синусоида. Мы называем этот тип ММЖ пульсирующим ММЖ. Поскольку cos α cos β =

cos(α − β ) + cos(α + β ), приведенное выше выражение фундаментальной компоненты mmf 2

можно записать в виде

Fm F cos(θ − ωt ) + m cos(θ + ωt) 2 2 = F+ + F−

Fa 1 =

10

Синхронные машины

Можно показать, что первый член в приведенном выше уравнении обозначает вращающуюся МДС в направлении +θ и второй — вращающийся МДС в направлении -θ.То есть пульсирующая МДС может быть разделена на две вращающиеся МДС с одинаковыми величинами и противоположными направлениями вращения, как показано выше. Для машины с равномерным воздушным зазором приведенный выше анализ также применим к напряженности магнитного поля и плотности потока в воздушном зазоре.

11

Синхронные машины

Магнитное поле трехфазных обмоток Как только мы получим выражение МДС для однофазной обмотки, нетрудно записать выражения МДС для трех однофазных обмоток, расположенных под углом 120° (электрически) друг к другу и возбуждаемые уравновешенными трехфазными токами:

Fm F cos(θ − ωt ) + m cos(θ + ωt ) 2 2 oo Fb1 = Fm cos(ωt − 120 ) cos(θ − 120 ) Fa 1 = Fm cos ωt cosθ =

Fm F cos(θ − ωt ) + m cos(θ + ωt − 240 o ) 2 2 o Fc1 = Fm cos(ωt − 240 ) cos(θ − 240 o ) =

и

=

Fm F cos(θ − ωt ) + m cos(θ + ωt − 480 o ) 2 2

Таким образом, результирующая МДС, создаваемая трехфазной обмоткой, составляет

F1 = Fa 1 + Fb1 + Fc1 =

cos( 0

Заметим, что ω

t= 2πω

π/2

π

900 02 3 π/2

Вращение МДС в направлении +θ

12

θ

Синхронные машины

На приведенной выше диаграмме показан результирующий МДС F1 в два конкретных момента времени: t=t=t= 2ω.Легко заметить, что F1 представляет собой вращающуюся МДС в направлении +θ θ (a→→b→→c) с постоянной величиной 3Fm/2. Скорость этой вращающейся МДС можно рассчитать как

ωf =

π 2 dθ = =ω dt π 2ω

рад/с (электрическая)

При выражении в механических радианах в секунду и оборотах в минуту скорость Вращающаяся MMF может быть выражена как

ωf = и

NF =

ω P2 60ω ​​F 2π

RAD / S (механический)

=

120 F P

Rev / Min

соответственно.Опять же, для машины с равномерным воздушным зазором приведенный выше анализ для МДС также действителен для напряженности магнитного поля и плотности потока в воздушном зазоре. Следовательно, скорость вращающегося магнитного поля пропорциональна частоте трехфазных токов возбуждения, которые генерируют поле. Сравнивая с зависимостью между скоростью вращения ротора и частотой ЭДС индукции в трехфазной обмотке, полученной ранее, мы можем найти, что скорость вращения ротора равна скорости вращающегося поля для данной частоты.Другими словами, ротор и вращающееся поле вращаются с одинаковой скоростью. Мы называем эту скорость синхронной скоростью и используем специальные символы ωsyn (механические рад/с) и nsyn (об/мин) для ее обозначения. Приведенный выше аналитический вывод можно также выполнить графически, добавив векторы МДС трех фаз, как показано на диаграммах ниже. Когда ωt=0, ток фазы а максимален и вектор МДС с величиной Fm фазы а находится на магнитной оси фазы а, тогда как МДС фаз b и c имеют обе величины Fm/2 и направлены в противоположные стороны. их магнитных осей, поскольку токи этих двух фаз равны −Im/2.Следовательно, результирующая МДС F1=3Fm/2 находится на магнитной оси фазы а. Когда ωt=π/3, ic=-Im и ia=ib=Im/2. Результирующая МДС F1=3Fm/2 находится на оси фазы с, но в противоположном направлении. Точно так же, когда ωt=2π/3, ib=Im и ia=ic=-Im/2. Следовательно, результирующая МДС F1=3Fm/2 находится в положительном направлении магнитной оси фазы b. В общем, результирующая МДС имеет постоянную величину 3Fm/2 и будет направлена ​​в положительном направлении магнитной оси фазной обмотки, когда ток в этой фазной обмотке достигнет положительного максимума.Скорость вращения МДС равна угловой частоте в электрических рад/с.

13

Синхронные машины

14

Синхронные машины

В случае синхронного генератора три уравновешенные ЭДС частоты f=Pn/120 Гц индуцируются в трехфазных обмотках, когда ротор приводится в движение простым двигатель, вращающийся со скоростью n. Если трехфазная цепь статора замкнута сбалансированной трехфазной электрической нагрузкой, то в цепи статора будут протекать сбалансированные трехфазные токи частоты f, которые будут генерировать вращающееся магнитное поле со скоростью nf = 120f/P = n.Когда обмотка статора трехфазного синхронного двигателя питается от сбалансированного трехфазного источника питания с частотой f, сбалансированные трехфазные токи в обмотке будут генерировать вращающееся магнитное поле со скоростью nf = 120f/P. Это вращающееся магнитное поле заставит намагниченный ротор, являющийся магнитом, вращаться с той же скоростью n=nf. С другой стороны, этот вращающийся ротор также будет генерировать сбалансированную трехфазную ЭДС частоты f в обмотке статора, которая уравновешивается приложенным напряжением на клеммах.Магнитное поле ротора Используя метод наложения на МДС катушек, образующих обмотку ротора, можно получить, что распределения МДС и, следовательно, плотности потока в воздушном зазоре близки к синусоиде для синхронной машины с круглым ротором с равномерный воздушный зазор, как показано ниже.

15

Синхронные машины

В случае явнополюсного ротора полюса ротора имеют такую ​​форму, чтобы результирующая МДС и плотность потока распределялись синусоидально в воздушном зазоре, и, таким образом, ЭДС индукции в обмотках статора, связывающих этот поток также будет синусоидальным.Возбуждение поля синхронной машины может быть обеспечено с помощью постоянных магнитов, которые устраняют необходимость в источнике постоянного тока для возбуждения. Это может не только сэкономить энергию для магнитного возбуждения, но и значительно упростить конструкцию машины, что особенно благоприятно для небольших синхронных машин, поскольку это обеспечивает большую гибкость топологии машины. На приведенной ниже диаграмме показаны поперечные сечения двух синхронных машин с постоянными магнитами.

Модель электрической цепи, эквивалентной каждой фазе На приведенной ниже диаграмме схематично показано поперечное сечение трехфазной двухполюсной синхронной машины с цилиндрическим ротором.Катушки aa’, bb’ и cc’ представляют собой распределенные обмотки статора, создающие синусоидальные МДС и волны плотности потока, вращающиеся в воздушном зазоре. Ориентировочные направления токов показаны точками и крестиками. Обмотка возбуждения ff’ на роторе также представляет собой распределенную обмотку, которая создает синусоидальные МДС и волны плотности потока, центрированные на его магнитной оси и вращающиеся вместе с ротором. Уравнения электрической цепи для трех фазных обмоток статора могут быть записаны по закону напряжения Кирхгофа как

Φ ba Магнитная ось фазы c

Принципиальная схема трехфазной синхронной машины с цилиндрическим ротором

dλb dt dλc vc = Rc ic + dt vb = Rb ib +

обмотки, Ra, Rb и Rc — сопротивления обмоток, а λa, λb и λc — суммарные потокосцепления обмоток фаз a, b и c соответственно.Для симметричной трехфазной обмотки статора имеем

Ra = Rb = Rc Потокосцепления фазных обмоток a, b и c можно выразить через собственную и взаимную индуктивности следующим образом:

λa = λaa + λab + λac + λaf = Laa ia + Lab ib + Lac ic + Laf, если λb = λba + λbb + λbc + λbf = Lba ia + Lbb ib + Lbc ic + Lbf, если λc = λca + λcb + λcc + λcf = Lca ia + Lcb ib + Lcc ic + Lcf if где

Laa = Lbb = Lcc = Laao + Lal Lab = Lba = Lac = Lca = − Laao 2 Laf = Lafm cosθ Lbf = Lafm cos(θ − 120 o )

17

Синхронные машины

Lcf = Lafm cos(θ − 240 o ) для сбалансированной трехфазной машины, Laao = Φaao/ia, Lal = Φal/ia, Φaao — поток, соединяющий все три обмотки фазы, Φal — поток, соединяющий только фаза обмотки и θ=ωt+θo.Когда обмотки статора возбуждаются сбалансированными трехфазными токами, мы имеем

ia + ib + ic = 0. Суммарный потокосцепление фазы a обмотки можно записать в виде

λa = (Laao + Lal)ia − Laao ib / 2 — Laao ic / 2 + Lafmi f cos(ωt + θo ) = ( Laao + Lal )ia — Laao (ib + ic ) / 2 + Laafmi f cos(ωt + θo ) = ( Laao + Lal )ia + Laao ia / 2 + Lafmi f cos(ωt + θo )

= ( 3 Laao 2 + Lal )ia + Lafmi f cos(ωt + θo )

= Ls ia + Lafmi f cos(ωt + θo ) Аналогично можно написать

λb = Ls ib + Lafmi f cos(ωt + θo — 120 o )

и

λc = Ls ic + Lafmi f cos(ωt + θo — 240 o )

называется синхронной индуктивностью.Таким образом, трехфазные обмотки математически развязаны, и, следовательно, для сбалансированной трехфазной синхронной машины нам просто нужно решить уравнение цепи для одной фазы. Подставляя вышеприведенное выражение потокосцепления в уравнение цепи фазы а, получаем

va = Ra ia + Ls

dia dλaf + dt dt

Va = E a + ( Ra + jωLs )I a = E a + ( Ra + jX s )I a

X s = ωLs известен как синхронное реактивное сопротивление, и ωLafm I f 2π Ea = j = j fk w N ph Φ f = j 4.44 fk w N ph Φ f 2 2 — вектор ЭДС индукции, учитывая, что Lafm I f = λafm = kw N ph Φ f , If — постоянный ток в

, где

— обмотка ротора, а Φf — магнитный поток ротора. в воздушном зазоре.

18

Синхронные машины

Следует отметить, что приведенное выше уравнение цепи было получено в предположении, что фазный ток течет на положительную клемму, т. е. опорное направление фазного тока было выбрано, предполагая, что машина является двигателем.В случае генератора, где предполагается, что фазный ток вытекает из положительной клеммы, уравнение цепи принимает вид

Va = E a − ( Ra + jX s )I a

эквивалентные схемы синхронной машины с круглым ротором в режиме двигателя и генератора соответственно.

JXS

RA

RA

EA

JXS

IA

RA

IA

RA

EA

VA

(A)

IA

VA

(B) Синхронная машина на фазовые эквивалентные цепи в (а) опорные направления генератора и (b) двигателя

Экспериментальное определение параметров цепи В приведенной выше модели эквивалентной схемы по фазам необходимо определить три параметра: сопротивление обмотки Ra, синхронное реактивное сопротивление Xs и ЭДС индукции в фазной обмотке. шт.Сопротивление фазной обмотки Ra можно определить путем измерения сопротивления обмотки постоянному току вольт-амперным методом, а синхронное реактивное сопротивление и ЭДС индукции — испытаниями на обрыв и короткое замыкание.

Тест на разомкнутую цепь Запустите синхронную машину на синхронной скорости с помощью первичного двигателя, когда обмотки статора разомкнуты. Измените ток обмотки ротора и измерьте напряжение на клеммах обмотки статора. Соотношение между напряжением на клеммах обмотки статора и током возбуждения ротора, полученным при испытании на разомкнутую цепь, известно как характеристика разомкнутой цепи синхронной машины.

19

Синхронные машины

Испытание на короткое замыкание Снизьте ток возбуждения до минимума с помощью реостата возбуждения, а затем разомкните автоматический выключатель питания возбуждения. Замкните клеммы статора машины вместе через три амперметра; Замкните автоматический выключатель; и повысить ток возбуждения до значения, отмеченного при испытании на разомкнутую цепь, при котором напряжение на клеммах разомкнутой цепи равно номинальному напряжению, сохраняя при этом синхронную скорость. Запишите три тока статора.(Эту проверку следует проводить быстро, поскольку токи статора могут превышать номинальное значение).

В предположении, что синхронное реактивное сопротивление Xs и ЭДС индукции Ea имеют одинаковые значения как при испытаниях на обрыв, так и на короткое замыкание, и что Xs >> Ra, мы имеем

Xs =

Разомкнутая цепь на фазное напряжение Короткое замыкание на фазный ток

Для некоторых машин ток короткого замыкания слишком велик, если машина работает на синхронной скорости.В этом случае испытание на короткое замыкание можно проводить на пониженной скорости, например, на половинной синхронной скорости nsyn/2 или frated/2. Поскольку Ea ∝ f, ЭДС индукции при испытании на короткое замыкание уменьшается вдвое. Таким образом

xs

f оценил / 2

1 VOC = 2 I SC F

F оценивает

оценка

/2

, следовательно,

XS

F оценивается

= 2 × x S

f номинальное / 2

20

=

Voc I sc

f номинальное f номинальное / 2

Синхронные машины

Синхронная машина, работающая как генератор Электромагнитная мощность и крутящий момент Когда синхронная машина работает как генератор Для привода генератора требуется первичный двигатель.В установившемся режиме механический крутящий момент первичного двигателя должен уравновешиваться электромагнитным крутящим моментом, создаваемым генератором, и крутящим моментом механических потерь из-за трения и ветра, или

Tpm = T + Tloss Умножение синхронной скорости на обе стороны крутящего момента уравнение, мы имеем уравнение баланса мощности как

Ppm = Pem + Ploss

, где Ppm=Tpmωsyn — механическая мощность, обеспечиваемая первичным двигателем, Pem=Tωsyn — электромагнитная мощность генератора, а Ploss=Tlossωsyn — потери механической мощности. системы.Электромагнитная мощность — это мощность, преобразуемая в электрическую энергию в трехфазных обмотках статора. То есть

Pem = Tω syn = 3E a I a cosϕ Ea Ia, где ϕEaIa — угол между векторами Ea и Ia.

JXS

Prime Mover

RA

RA

IA

TLOSS T EA

TLOSS T EA

TLOSS T EA

TPM ωsyn

VA

Синхронная машина, работающая в качестве генератора

EA

для больших синхронных генераторов, сопротивление намотки обычно меньше, чем синхронное реактивное сопротивление, и, таким образом, уравнение пофазной цепи может быть приблизительно записано как

21

Векторная диаграмма генератора

Синхронные машины

правая сторона.Из векторной диаграммы легко получить

E a sin δ = X s I a cosϕ Если пренебречь сопротивлением фазной обмотки, выходная электрическая мощность равна электромагнитной мощности, или

Pem = Pout = 3Va I a cosϕ. ,

Pem =

3E aVa sinδ Xs

и

T=

Pem 3E aVa = sin δ ω syn ω syn X s

Электромагнитный момент – угол между фазами

9 напряжения и ЭДС, называемой углом нагрузки.Если пренебречь сопротивлением обмотки статора, δ также можно рассматривать как угол между вращающимися магнитными полями ротора и статора. Электромагнитный момент синхронной машины пропорционален синусоидальной функции угла нагрузки, как показано на диаграмме выше, где кривая в третьем квадранте соответствует ситуации, когда машина работает как двигатель, где электромагнитный момент отрицательное, потому что направление тока якоря меняется на противоположное.

Регулирование напряжения Напряжение на клеммах при постоянном токе возбуждения зависит от тока якоря или тока нагрузки; то есть генератор имеет регулирование, которое становится более заметным по мере того, как цепь нагрузки становится более индуктивной и рабочий коэффициент мощности падает.Это регулирование определяется как

VR =

Va (NL) − Va (номинальное) Va (номинальное)

, где Va(NL) — величина напряжения на клеммах без нагрузки, а Va(номинально) — величина номинальное напряжение на клеммах. Когда генератор питает полную нагрузку, требуемая клемма должна соответствовать номинальному напряжению. Нормированная разница между величинами напряжения холостого хода и напряжения полной нагрузки по номинальному напряжению определяется как регулирование напряжения. Это значение можно легко определить по векторной диаграмме для работы с полной нагрузкой.Если регулирование чрезмерное, можно использовать автоматическое управление током возбуждения для поддержания почти постоянного напряжения на клеммах при изменении нагрузки.

22

Синхронные машины

Синхронная машина, работающая как двигатель Электромагнитная мощность и крутящий момент Когда синхронная машина работает как двигатель для привода механической нагрузки, в установившемся режиме механический крутящий момент двигателя должен уравновешивать крутящий момент нагрузки и механические потери крутящего момента из-за трения и ветра, то есть

T = Tload + Tloss Умножая синхронную скорость на обе части уравнения крутящего момента, мы получаем уравнение баланса мощности как электромагнитная мощность двигателя, Pload=Tloadωsyn — механическая мощность, подаваемая на механическую нагрузку, а Ploss=Tlossωsyn — механические потери мощности в системе.Как и в случае с генератором, электромагнитная мощность представляет собой количество энергии, преобразуемой из электрической в ​​механическую. То есть

Pem = 3E a I a cosϕ Ea Ia = Tω syn, где ϕEaIa — угол между векторами Ea и Ia.

JXs

Мех. Load

Ra

IA

IA

ωsyn T EA

ωsyn T EA

VA

мотор

TLOSS

TLOSS

Синхронный станок, работающий в качестве мотора

VA

, когда проигнорируется устойчивость к намотке статора, уравнение на основе фазы может быть приблизительно записывается как

Va = E a + jX s I a Соответствующая векторная диаграмма показана справа.Из векторной диаграммы можно легко получить

Va sin δ = X s I a cosϕ Ea Ia

, где ϕ E a I a = ϕ − δ

23.

EA

Синхронные машины

Поэтому

PEM =

PEM =

3E AVA SINΔ XS

и

T =

и

T =

PEM 3E AVA = SIN Δ Ω SYN Ω SYN X S

, где δ — угол нагрузки .

Когда сопротивление обмотки статора

игнорируется, δ также можно рассматривать как угол между вращающимися магнитными полями ротора и статора.

Электромагнитный момент в зависимости от угла нагрузки

В моторном режиме поле статора опережает ротор.

Электромагнитный момент

синхронной машины пропорционален синусоидальной функции угла нагрузки, как показано на диаграмме выше, где кривая в третьем квадранте соответствует ситуации, когда машина работает как генератор, где электромагнитный момент отрицательный, потому что направление тока якоря меняется на противоположное.

Коэффициент мощности синхронного двигателя Предположим, что синхронный двигатель приводит в движение нагрузку с постоянным крутящим моментом.Активная мощность, преобразованная машиной, постоянна, независимо от значения тока возбуждения, поскольку скорость двигателя постоянна. Таким образом,

T=

3Va E a sin δ = константа ω syn X s

E a sinδ = константа

или и

Pem = 3Va I a cosϕ = константа I a cosϕ = константа

или Используя приведенную ниже векторную диаграмму, мы анализируем изменение угла коэффициента мощности синхронного двигателя при изменении возбуждения поля ротора.При малом токе возбуждения ротора ЭДС индукции в обмотке статора также мала, как показывает вектор Ea1. Это дает угол отстающего коэффициента мощности ϕ1 > 0. По мере увеличения тока возбуждения угол отстающего коэффициента мощности уменьшается.

При определенном токе ротора вектор ЭДС индукции Ea2 равен

перпендикулярно вектору напряжения на клеммах, и, следовательно, вектор тока статора совмещен с напряжением на клеммах, то есть угол нулевого коэффициента мощности ϕ2 = 0. Когда ротор Текущий

24

синхронные машины

Далее увеличивается, ток статора приводит к терминалу напряжением или ведущий угол мощности φ3

I COSφ IA1 Φ3

Φ1

IA2 Δ1 Δ2

EA SINΔ

VA δ3 jX s Ia1

jX s Ia3 jX s Ia2

Ia3 Ea1

Ea2

Ea3

Векторная диаграмма синхронного двигателя в режимах недовозбуждения, единичного коэффициента мощности и перевозбуждения для преобразования электрической энергии в механическую требуется определенное количество магнитного потока.В случае отстающего коэффициента мощности ток возбуждения ротора настолько мал, что от источника питания статора требуется некоторая реактивная мощность, и, следовательно, ток статора отстает от напряжения на клеммах. Это состояние известно как возбуждение. Когда тока возбуждения ротора достаточно для создания необходимого магнитного потока, получается единичный коэффициент мощности. Если ток возбуждения ротора больше требуемого, паразитная реактивная мощность должна быть экспортирована в силовые линии источника питания. Это состояние известно как перевозбуждение.На практике из-за этой особенности синхронные двигатели часто работают без активной нагрузки в качестве синхронных конденсаторов с целью коррекции коэффициента мощности.

Диаграмма

под векторной диаграммой схематически иллюстрирует компенсацию коэффициента мощности для индуктивной нагрузки, которая является обычной для заводов, использующих большие асинхронные двигатели с синхронным конденсатором.

При управлении током возбуждения ротора таким образом, чтобы

синхронный конденсатор потреблял линейный ток с опережением фазы, чья мнимая составляющая компенсирует ток нагрузки, общий линейный ток будет иметь минимальная мнимая составляющая.Следовательно, общий коэффициент мощности индуктивной нагрузки и синхронного конденсатора будет близок к единице, а величина общего линейного тока будет минимальной. Также видно, что только когда коэффициент мощности равен единице или ток статора выровнен с напряжением на клеммах, величина тока статора минимальна. Построив зависимость величины тока статора от тока возбуждения ротора, можно получить семейство кривых «V». Показано, что для работы большей активной нагрузки при единичном коэффициенте мощности требуется больший ток возбуждения ротора.

трехфазный источник питания

IS

I нагрузка I CMP

INCUCTIVE INDUCTION нагрузка

Синхронный конденсатор Коэффициент мощности конденсатора Для индуктивной нагрузки с использованием синхронного конденсатора

26 20009

синхронные машины

синхронный двигатель приводит к синхронному мотору запуск в синхронном режиме, так как инерция и механическая нагрузка не позволяют ротору догнать вращающееся магнитное поле на синхронной скорости. Обычной практикой является встраивание в ротор нескольких медных или алюминиевых стержней, закороченных концевыми кольцами, и запуск двигателя как асинхронного двигателя (принцип работы асинхронных двигателей обсуждается в другой главе).Когда скорость ротора близка к синхронной скорости, ротор питается от источника постоянного тока, и он догоняет или синхронизируется с вращающимся магнитным полем. Это, однако, не является проблемой для синхронных двигателей с силовым электронным инвертором, поскольку инвертор может увеличивать частоту возбуждения. Поскольку скорость вращения ротора пропорциональна частоте возбуждения статора, скоростью синхронного двигателя можно управлять только путем изменения частоты статора. Распространенной стратегией управления скоростью является управление скоростью с переменной частотой и напряжением (VVVF), при котором соотношение между напряжением статора и частотой поддерживается постоянным.Ниже представлена ​​блок-схема привода синхронного двигателя с разомкнутым контуром. Для скоростей ротора ниже номинальной скорости используется стратегия VVVF, а максимальный крутящий момент, который может создать двигатель, является постоянным. Когда требуемая скорость ротора выше номинальной скорости, напряжение статора ограничивается номинальным напряжением, в то время как частота увеличивается. Затем максимальный крутящий момент уменьшается по мере увеличения скорости. Как показано на графиках крутящий момент-скорость на приведенной ниже диаграмме, моторный привод подходит для нагрузки с постоянным крутящим моментом, когда скорость ниже номинальной скорости, и подходит для нагрузки с постоянной мощностью, когда скорость выше номинальной скорости. .

27

синхронные машины

ωr ωmax

ωr ωmate

0

tmax

t

tmax

t

кривые крутящего момента синхронного двигателя с контролем VVVF

28

синхронные машины

в управлении замкнутым контуром возбуждением статора можно управлять в соответствии с положением ротора, так что магнитное поле статора перпендикулярно полю ротора, и, следовательно, электромагнитный момент, создаваемый двигателем, всегда максимален при любых условиях нагрузки.Кривая крутящего момента двигателя в этом случае практически такая же, как у двигателя постоянного тока. Этот тип двигателя известен как бесщеточный двигатель постоянного тока, который будет обсуждаться в другой главе. На приведенных ниже схемах показан оптический датчик положения и блок-схема привода синхронного двигателя с обратной связью.

29

Синхронные машины

Упражнения 1. Синхронная машина с 6-полюсным круглым ротором и 3-фазным соединением в звезду показала следующие результаты испытаний: Испытание на разомкнутую цепь: 4000 В между фазами при 1000 об/мин. Ток ротора 50 А. Испытание на короткое замыкание. : 300 А при 500 об/мин. 50 А. Ток ротора. Пренебрегая сопротивлением статора и потерями в сердечнике, и, предполагая линейную характеристику холостого хода, рассчитайте: (a) синхронное реактивное сопротивление машины при 50 Гц, (b) ток ротора, необходимый для машина для работы в качестве двигателя при 0.8 коэффициент мощности от источника питания 3,3 кВ от линии к линии с выходной мощностью 1000 кВт, (c) ток ротора, необходимый для работы машины в качестве генератора на бесконечной шине 3,3 кВ от линии к линии при передаче 1500 кВА при отставании коэффициента мощности 0,8, (d) угол нагрузки для (b) и (c), и нарисуйте векторную диаграмму для (b) и (c). Ответ: 7,7 Ом, 69,54 А, 76 А, 24,8o, 27,4o 2. Для трехфазного синхронного генератора мощностью 2500 кВА 6600 В, соединенного звездой, работающего при полной нагрузке, рассчитайте (a) процентное регулирование напряжения при коэффициенте мощности 0.8 с отставанием, (б) процентное регулирование напряжения при коэффициенте мощности 0,8 с опережением. Синхронное реактивное сопротивление и сопротивление якоря равны 10,4 Ом и 0,071 Ом соответственно. Ответ: 44%, -20% 3. Определить частоту вращения ротора в об/мин следующих трехфазных синхронных машин: (а) f = 60 Гц, число полюсов = 6, (б) f = 50 Гц, число полюсов полюсов = 12, и (c) f = 400 Гц, количество полюсов = 4. Ответ: 1200 об/мин, 500 об/мин, 12000 об/мин напряжение 4400 В между линиями при токе возбуждения ротора 10 А.Если этот генератор переменного тока должен генерировать напряжение 60 Гц, рассчитайте новую синхронную скорость и индуктивное напряжение для того же тока ротора 10 А. Ответ: Enew=5280 В, nsyn-new=900 об/мин 5. 3-фазное соединение Y 6 полюсный генератор переменного тока рассчитан на 10 кВА 220 В при 60 Гц. Синхронное реактивное сопротивление Xs=3 Ом. Линия холостого хода к напряжению нейтральной клеммы при 1000 об/мин соответствует кривой намагничивания, показанной ниже. Определите (а) номинальную скорость в об/мин, (б) ток возбуждения, необходимый для работы с полной нагрузкой при отставании коэффициента мощности 0,8.E (V) 11 38 70 102 131 156 178 70 102 131 156 178 193 206 215 221 224 IF (a) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2

30

Синхронные машины

Ответ: NSYN = 1200 REV / MIN, If=1,0 A 6. Генератор переменного тока вопроса 3 мощностью 10 кВА 220 В 26,2 А при 1200 об/мин. Определите угол крутящего момента и ток возбуждения для работы единичного коэффициента мощности в качестве двигателя при номинальной нагрузке. Ответ: угол крутящего момента = 32o, If = 0,75 A 7. Трехфазная индукционная печь потребляет 7,5 кВА при отставании коэффициента мощности 0,6.Доступен синхронный двигатель мощностью 10 кВА. Если общий коэффициент мощности комбинации должен быть равен единице, определите механическую нагрузку, которую может выдержать двигатель. Ответ: 8 кВт 8. Следующие данные взяты из характеристик холостого хода и короткого замыкания 45 кВА 3 фазы, соединенной звездой, 220 В (фаза-фаза) 6-полюсной синхронной машины 60 Гц: из характеристики холостого хода: Линия-фаза напряжение = 220 В Ток возбуждения = 2,84 А по характеристике короткого замыкания: Ток якоря (А) 118 152 Ток возбуждения (А) 2.20 2,84 от линии с воздушным зазором: Ток возбуждения = 2,20 А Напряжение между линиями = 202 В. Рассчитайте ненасыщенное значение синхронного реактивного сопротивления и его насыщенное значение при номинальном напряжении. Выразите синхронное реактивное сопротивление в омах на фазу, а также в расчете на единицу мощности машины в качестве основы. Ответ: 0,987 Ом на фазу, 0,92 на единицу, 0,836 Ом на фазу, 0,775 на единицу наконечника вектора тока якоря представляет собой круг.На векторной диаграмме с терминальным напряжением, выбранным в качестве эталонного вектора, указывают положение центра этой окружности и ее радиус. Выразите координаты центра и радиус окружности через Vt, Ef и Xs.

31

Синхронный двигатель — конструкция и работа

Синхронный двигатель и асинхронный двигатель являются наиболее широко используемыми типами двигателей переменного тока. Конструкция синхронного двигателя аналогична генератору переменного тока. Такую же синхронную машину можно использовать как синхронный двигатель или как генератор переменного тока.Синхронные двигатели доступны в широком диапазоне, как правило, мощностью от 150 кВт до 15 МВт со скоростью от 150 до 1800 об/мин.

Конструкция синхронного двигателя

Конструкция синхронного двигателя (с явнополюсным ротором) показана на рисунке слева. Как и любой другой двигатель, он состоит из статора и ротора. Сердечник статора изготовлен из тонкого кремниевого ламината и изолирован поверхностным покрытием для минимизации потерь на вихревые токи и гистерезиса.Статор имеет внутри осевые пазы, в которых размещена трехфазная обмотка статора. Статор намотан трехфазной обмоткой на определенное число полюсов, равное полюсам ротора.

Ротор в синхронных двигателях в основном имеет явные полюса. Питание постоянным током подается на обмотку ротора через токосъемные кольца. Постоянный ток возбуждает обмотку ротора и создает электромагнитные полюса. В некоторых случаях можно использовать и постоянные магниты. На рисунке выше очень кратко показана конструкция синхронного двигателя .

Работа синхронного двигателя

Статор имеет то же количество полюсов, что и ротор, и питается от трехфазного переменного тока. Трехфазное питание переменного тока создает вращающееся магнитное поле в статоре. Обмотка ротора питается постоянным током, который намагничивает ротор. Рассмотрим двухполюсную синхронную машину , как показано на рисунке ниже.
  • Теперь полюса статора вращаются с синхронной скоростью (скажем, по часовой стрелке). Если положение ротора таково, что полюс N ротора находится рядом с полюсом N статора (как показано на первой схеме вышеприведенного рисунка), то полюса статора и ротора будут отталкиваться друг от друга, и будет создаваться крутящий момент . будет против часовой стрелки .
  • Полюса статора вращаются с синхронной скоростью, и они вращаются очень быстро и меняют свое положение. Но при этом очень скоро ротор не сможет вращаться на тот же угол (из-за инерции), и следующим положением, скорее всего, будет вторая схема на рисунке выше. В этом случае полюса статора будут притягиваться к полюсам ротора, и создаваемый крутящий момент будет направлен по часовой стрелке.
  • Следовательно, ротор будет подвергаться быстрому реверсивному крутящему моменту, и двигатель не запустится.
Но, если ротор вращать до синхронной скорости статора с помощью внешней силы (в направлении вращающегося поля статора), а поле ротора возбуждать вблизи синхронной скорости, то полюса статора будут продолжать притягиваться противоположные полюса ротора (поскольку ротор теперь также вращается вместе с ним, и положение полюсов будет одинаковым на протяжении всего цикла). Теперь ротор будет подвергаться однонаправленному крутящему моменту. Противоположные полюса статора и ротора заблокируются друг с другом, и ротор будет вращаться с синхронной скоростью.

Характерные особенности синхронного двигателя

  • Синхронный двигатель будет работать либо с синхронной скоростью, либо не будет работать вообще.
  • Единственный способ изменить скорость — изменить частоту питания. (Поскольку Ns=120f/P)
  • Синхронные двигатели не запускаются самостоятельно. Им нужна внешняя сила, чтобы приблизить их к синхронной скорости.
  • Могут работать при любом коэффициенте мощности, как с опережением, так и с отставанием. Следовательно, синхронные двигатели могут использоваться для улучшения коэффициента мощности.

Применение синхронного двигателя

  • Поскольку синхронный двигатель может работать как с опережающим, так и с отстающим коэффициентом мощности, его можно использовать для улучшения коэффициента мощности. Синхронный двигатель на холостом ходу с опережающим коэффициентом мощности включается в энергосистему, в которой нельзя использовать статические конденсаторы.
  • Используется там, где требуется высокая мощность при низкой скорости. Такие как прокатные станы, измельчители, смесители, насосы, насосы, компрессоры и т.д.

Специальный выпуск: Синхронные машины с постоянными магнитами

проф.Доктор Сандра Эрикссон
Электронная почта Веб-сайт
Приглашенный редактор

Факультет инженерных наук, Университет Упсалы, Box 534, 751 21 Uppsala, Sweden
Интересы: синхронных машин с постоянными магнитами, проектирование генераторов, моделирование методом конечных элементов, альтернативные материалы с постоянными магнитами, электрические системы, стратегии управления, ветряные турбины, волновая энергия, электроэнергетика силовые установки

Уважаемые коллеги,

Интерес к синхронным машинам с постоянными магнитами (СДПМ) в мире постоянно растет.В связи с растущим глобальным спросом на энергию и осведомленностью о климатических аспектах электрификация увеличивается в нескольких областях. Синхронные генераторы с постоянными магнитами востребованы для ветроэнергетики, а также для новых технологий возобновляемой энергии, таких как энергия волн и энергия приливов. Еще одним развивающимся рынком для машин с постоянными магнитами являются электродвигатели, в основном для автомобилей, но также и для более тяжелого дорожного транспорта, а также для электрификации кораблей и самолетов.

Этот специальный выпуск посвящен PMSM и электрическим системам, к которым они подключены.Приглашаются статьи во всех различных областях PMSM, поскольку машины представляют собой междисциплинарную тему, включающую такие области исследований, как электромагнетизм, механическое проектирование, управление тепловым режимом и вопросы материалов, а также экономические и экологические аспекты. Приветствуются как теоретические, так и экспериментальные работы, и особенно их сочетание. В последнее время возрос интерес к сокращению использования редкоземельных металлов, и поэтому поощряются статьи, посвященные замене и сокращению редкоземельных металлов в машинах с ПМ.

Темы, представляющие интерес для публикации, включают, помимо прочего, следующее:

  • Конструкция синхронной машины с постоянными магнитами
  • Моделирование машин БДМ
  • Инновационные конструкции машин БДМ
  • Системы привода для двигателей с постоянными магнитами
  • Электрические системы и стратегии управления для генераторов с постоянными магнитами
  • Замена или восстановление редкоземельных металлов в машинах БДМ
  • Риск размагничивания для ПМ в синхронных машинах
  • Тепловой расчет и потери
  • Механическая конструкция
  • Пилотные возбудители PM
  • Синхронные реактивные машины с PM

проф.Д-р Сандра Эрикссон
Приглашенный редактор

Информация о подаче рукописей

Рукописи должны быть представлены онлайн на сайте www.mdpi.com путем регистрации и входа на этот сайт. После регистрации нажмите здесь, чтобы перейти к форме отправки. Рукописи можно подавать до указанного срока. Все материалы, прошедшие предварительную проверку, рецензируются экспертами. Принятые статьи будут постоянно публиковаться в журнале (как только они будут приняты) и будут перечислены вместе на веб-сайте специального выпуска.Приглашаются исследовательские статьи, обзорные статьи, а также короткие сообщения. Для планируемых статей в редакцию можно отправить название и краткую аннотацию (около 100 слов) для размещения на сайте.

Представленные рукописи не должны быть опубликованы ранее или находиться на рассмотрении для публикации в другом месте (за исключением материалов конференции). Все рукописи проходят тщательную рецензирование в рамках единого процесса слепого рецензирования. Руководство для авторов и другая необходимая информация для подачи рукописей доступны на странице Инструкции для авторов. Energies — международный рецензируемый журнал с открытым доступом, выходящий раз в полгода, публикуемый MDPI.

Перед отправкой рукописи посетите страницу Инструкции для авторов.

0 comments on “Синхронные машины это: Синхронная машина — это… Что такое Синхронная машина?

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.