Синхронные машины. Машины постоянного тока
Принцип действия и структура синхронных машин, основные элементы и их взаимодействие, сферы и особенности применения. Устройство и методика использования машин постоянного тока, их разновидности, оценка Э.д.с., электромагнитного момента этого типа машин.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | учебное пособие |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 23.12.2009 |
| Размер файла | 7,3 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
; .
Коэффициент синхронизирующего момента имеет максимальное значение при и = 0 и уменьшается с возрастанием и; при и ? р/2 он обращается в нуль, поэтому синхронные машины обычно работают с и = 20ч35°, что соответствует двукратному или несколько большему запасу по моменту.
Статическая перегружаемость синхронной машины оценивается отношением
. (1.37)
Согласно ГОСТу это отношение для турбогенераторов и гидрогенераторов должно быть не менее 1,6-1,7, а для синхронных двигателей большой и средней мощности - не менее 1,65.
Коэффициент синхронизирующего момента имеет максимальное значение при и = 0 и уменьшается с возрастанием и; при и ? р/2 он обращается в нуль, поэтому синхронные машины обычно работают с и = 20 ч 35°, что соответствует двукратному или несколько большему запасу по моменту.
Статическая перегружаемость синхронной машины оценивается отношением
Согласно ГОСТу это отношение для турбогенераторов и гидрогенераторов должно быть не менее 1,6 - 1,7, а для синхронных двигателей большой и средней мощности - не менее 1,65.
Влияние тока возбуждения на устойчивость. Устойчивость генератора при заданной величине активной мощности, отдаваемой в сеть, зависит от тока возбуждения. При увеличении тока возбуждения возрастает э.д.с. Е0 и, следовательно, момент Ммакс; при этом увеличивается устойчивость машины.
На рис. 1.37, б изображены угловые характеристики М = f (и) при различных токах возбуждения (при различных Е0), откуда следует, что чем больше ток возбуждения, тем меньше угол и при заданной нагрузке, а следовательно, тем больше отношение Ммакс/Мном и перегрузочная способность генератора.
Обычно электрическая сеть, на которую работают синхронные генераторы, создает для них активно-индуктивную нагрузку (генераторы отдают как активную Р, так и реактивную Q мощности). При этом синхронные генераторы должны работать с некоторым перевозбуждением, обеспечивающим повышение перегрузочной способности. Так, например, согласно ГОСТ в синхронных генераторах при номинальном режиме ток Эa должен опережать напряжение сети Щс (т.е. отставать от напряжения Щ) и иметь cosц = 0,8. Однако если сеть создает активно-емкостную нагрузку (например, при подключении к ней большого числа статических или вращающихся компенсаторов), то генератор для поддержания стабильного напряжения должен будет работать с недовозбуждением, т.е. потреблять реактивную мощность. Такой режим будет для него весьма неблагоприятным, так как при уменьшении тока возбуждения и заданной активной мощности Р возрастает угол и и снижается перегрузочная способность Ммакс/Мном, определяющая статическую устойчивость машины.
Реактивная мощность. Для установления зависимости реактивной мощности Q от угла нагрузки и в неявнополюсной машине рассмотрим треугольник ОАВ (см. рис. 1.34, а). Сторона этого треугольника
или с учетом модулей соответствующих векторов
. (1.38)
Следовательно, реактивная мощность машины
. (1.39а)
При явнополюсной машине (см. рис. 1.34, б)
. (1.39б)
Подставляя в (1.39б) значения токов Id и Iq из (1.34), имеем
.
Заменив cos2и и sin2и их значениями через функции двойного угла 2и, получим
. (1.39в)
На рис. 1.38 показаны зависимости величин активной Р и реактивной Q мощностей от угла и для неявнополюсной машины в пределах изменения угла - р/2 < и < р/2.
В формуле (1.39в) и на рис. 1.38 положительному значению реактивной мощности соответствует режим, когда реактивная составляющая тока якоря отстает от вектора напряжения генератора, т.е. когда машина работает с перевозбуждением. В этом режиме по отношению к сети реактивная мощность генератора эквивалентна реактивной мощности конденсатора.
Максимальная реактивная мощность неявнополюсной машины соответствует и = 0, т.е. имеет место при холостом ходе машины:
. (1.40)
Рис. 1.38 - Зависимости мощностей Р и Q от угла нагрузки и для неявнополюсной машины
1.11 Режимы работы синхронного генератора при параллельном включении с сетью
Изменение активной и реактивной мощностей синхронного генератора, работающего параллельно с сетью большой мощности, происходит при изменении внешнего момента и тока возбуждения.
Для того чтобы обеспечить требуемый режим работы генератора, обычно одновременно регулируется и ток возбуждения, и вращающий момент.
Методически проще разобрать два предельных случая регулирования:
а) момента при неизменном токе возбуждения;
б) тока возбуждения при неизменном внешнем моменте.
Работа генератора с неизменным током возбуждения при различных значениях момента. Для генератора с неявно выраженными полюсами векторную диаграмму (рис. 1.39, а) строят по уравнению
.
На векторной диаграмме показан вектор напряжения сети Щс, который по контуру обмотки генератора имеет направление, встречное к вектору напряжения генератора, т.е. Щ = - Щс.
Если генератор работает с cosц = 1, то вектор тока якоря Эa1 совпадает по направлению с вектором напряжения Щ, а вектор э. д. с. Л02 опережает эти векторы на угол и1. При изменении нагрузки, например при ее возрастании, угол и должен увеличиться до какого-то значения и2 в соответствии с возрастанием мощности от PI до РII.
Принимая полезную мощность (отдаваемую в сеть) равной электромагнитной
для соотношения мощностей РI и РII получим
.
Таким образом, при увеличении мощности с РI до РII вектор э. д. с. Л0 повернется в сторону опережения и образует с вектором Щ угол и2. Легко заметить, что при изменении нагрузки конец вектора Л0 будет скользить по окружности, радиус которой равен модулю Е0, так как ток возбуждения остается неизменным.
Соединив конец вектора Щ с концом вектора Л01, получим вектор jЭa2xсн, после чего построим вектор тока Эа2; он будет перпендикулярен падению напряжения jЭa2xсн, а его модуль определится из соотношения
.
Если момент, приложенный к валу генератора, уменьшен по сравнению с моментом в исходном режиме, то новый угол и, будет меньше угла и1. Построение всех векторов (рис. 1.39, а) на диаграмме и в этом случае производится аналогично описанному в предшествующем примере.
Приведенные диаграммы показывают, что при изменении внешнего момента, приложенного к валу синхронного генератора, работающего параллельно с сетью, изменяется не только активная мощность, но и реактивная. Поэтому обычно, для того чтобы обеспечить наиболее благоприятный или требуемый режим работы, при изменении активной мощности приходится регулировать и ток возбуждения.
Рис. 1.39 - Векторные диаграммы синхронного генератора при Iв = const, М = var и Iв = var, М = const
Работа генератора с неизменным моментом при различных значениях тока возбуждения. Неизменность внешнего момента на валу генератора эквивалентна неизменности его мощности:
.
При работе на сеть большой мощности Щ = - Щc = const, следовательно, при изменении тока возбуждения останется постоянной активная составляющая тока якоря Ia cosц = const.
На векторной диаграмме (рис. 1.39, б) это условие выразится в том, что конец вектора тока будет скользить по прямой АВ, перпендикулярной вектору напряжения Щ.
Однако при неизменной мощности (для машины с неявно выраженными полюсами) справедливо будет условие
.
При изменении тока возбуждения остаются неизменными все величины, кроме Е0 и sinи; следовательно, условие неизменной мощности приводит к условию
.
На диаграмме (рис. 1.39, б) конец вектора Л0 скользит по прямой CD, параллельной вектору напряжения Щ. Чем меньше ток возбуждения, тем меньше по модулю вектор Л0, но зато больше угол и.
Вектор тока Эа перпендикулярен направлению вектора падения напряжения jЭaxсн, поэтому его можно построить, если задаться углом и. Легко заметить, что минимальному значению тока Iа соответствует режим работы при cosц = 1, чему отвечает вполне определенный ток возбуждения.
Рис. 1.40 - U-образные характеристики синхронного генератора
Зависимость тока якоря от тока возбуждения, называемая U-образной характеристикой, представлена на рис. 1.40. Для каждой мощности имеется вполне определенный ток возбуждения, которому соответствует минимум тока якоря. Чем больше мощность, тем большим должен быть ток возбуждения, отвечающий минимальному току якоря. Штриховая кривая, проведенная через точки минимумов, соответствует режимам работы генератора с соsц = 1.
1.12 Особенности работы синхронного генератора на выпрямительную нагрузку
В последнее время все более часто генератор постоянного тока заменяют синхронным генератором, на выходе которого включен полупроводниковый выпрямитель (рис. 1.41). Замена генератора постоянного тока синхронным дает возможность выполнить его более быстроходным, что в свою очередь позволяет существенно уменьшить габариты и массу машины. Это объясняется тем, что в машинах постоянного тока для обеспечения удовлетворительной коммутации (см. гл. X) приходится ограничивать окружную скорость коллектора, а следовательно, и ротора. Кроме того, эксплуатация синхронного генератора, в котором отсутствует коллектор, существенно проще, а надежность выше, чем у генератора постоянного тока.
Рис. 1.41 - Схемы синхронного генератора, работающего на выпрямитель при трехфазной нулевой (а) и мостовой (б) схемах выпрямления
При работе генератора в схеме, на выходе которой включен выпрямитель, ток в фазах обмотки якоря является несинусоидальным. В зависимости от схемы включения вентилей этот ток будет представлять собой ряд или однополярных, или двухполярных импульсов, форма которых близка к трапеции (рис. 1.42, а, б). В ряде случаев выпрямитель, включенный на выход синхронного генератора, выполняют управляемым (на тиристорах). Задерживая моменты открытия тиристоров на некоторый угол б (угол регулирования) относительно моментов, соответствующих началу прохождения тока через вентили в схеме неуправляемого выпрямителя (на диодах), можно по желанию изменять среднюю величину выпрямленного напряжения. Применение управляемого выпрямителя позволяет осуществлять быстродействующее регулирование синхронного генератора, так как при этом не требуется изменять его ток возбуждения. В этом случае можно также питать от одного генератора несколько нагрузок, регулируя напряжение на каждой из них независимо от других.
Рис. 1.42 - Графики изменения э. д. с. и тока в фазе обмотки якоря при работе синхронного генератора на выпрямительную нагрузку
Обычно нагрузка (на стороне постоянного тока) имеет большую индуктивность, вследствие чего ток нагрузки Id в большинстве случаев может быть принят постоянным. Переход тока от одной фазы обмотки якоря к другой не может происходить мгновенно из-за индуктивности этих фаз. Поэтому в течение времени, соответствующего углу коммутации г, ток проходит одновременно через два вентиля и две фазы: в одной он возрастает от нуля до Id, а в другой уменьшается (рис. 1.43). В результате первая гармоника тока фазы отстает от напряжения генератора на угол, примерно равный (0,5 ч 0,6) г. При включении на выход генератора управляемого выпрямителя первая гармоника тока фазы отстает от э. д. с. на угол б + 0,5г. Угол коммутации г может быть вычислен по формуле
,
где хк - сопротивление фазы в режиме коммутации; Ек - действующее значение фазной э.д.с. за сопротивлением хк.
При коммутации одновременно открыты однополярные вентили двух фаз (рис. 1.43), вследствие чего эти фазы оказываются замкнутыми накоротко и ток из одной фазы переходит в другую под действием разности фазных э.д.с.
Так как время коммутации вентилей очень мало (доли периода), электромагнитные процессы в машине протекают в это время так же, как и на начальном этапе внезапного двухфазного короткого замыкания (см. 1.18). При этом в качестве сопротивления хк следует принимать индуктивное сопротивление для этого режима
.
Физически это означает, что несииусоидальный ток в обмотке якоря создает высшие гармоники м. д с якоря и соответствующие потоки, которые индуктируют в демпферной обмотке и обмотке возбуждения высшие гармоники э. д. с. и токов. В результате этого форма и величина результирующего магнитного потока остаются практически неизменными.
Векторная диаграмма неявнополюсного синхронного генератора, работающего на выпрямительную нагрузку, показана на рис. 1.44, а и соответствует уравнению:
. (1.41)
В данном случае берется первая гармоника тока Ia, a э. д. с. Е0 и Ек практически синусоидальны, так как индуктируются синусоидальным магнитным потоком.
Для машины с явно выраженными полюсами векторная диаграмма (рис. 1.44, б) строится по уравнению:
. (1.41)
Вектор первой гармоники напряжения на диаграмме обычно не показывают, так как для генератора, нагруженного на выпрямитель, важным является среднее значение выпрямленного напряжения Ud.
Рис. 1.43 - Графики изменения э д с, напряжения и тока в фазах обмотки якоря с учетом коммутации тока в выпрямителе
Рис. 1.44 - Векторные диаграммы синхронного генератора, работающего на выпрямительную нагрузку
При рассмотрении рис. 1.43 легко заметить, что в период коммутации вентилей, включенных, например, в фазы А и В, мгновенное значение выпрямленного напряжения ud = 0,5 (еА - еВ), т.е. меньше, чем при отсутствии коммутации. Следовательно, наличие индуктивного сопротивления хк приводит к уменьшению среднего значения выпрямленного напряжения Ud по сравнению с его значением Ud0 при отсутствии коммутации и к увеличению пульсаций в кривой выпрямленного напряжения (показана жирной линией на рис. 1.43).
Величина среднего выпрямленного напряжения с учетом коммутации тока в выпрямителе при Id = const
,
где Ud0-среднее значение выпрямленного напряжения без учета коммутации тока в выпрямителе (идеализированные условия); ДUк=mnIdxк/(2р) - среднее значение падения напряжения, обусловленного коммутацией тока в выпрямителе; n - число последовательно включенных коммутационных групп вентилей («1» - при нулевой и «2» - при мостовой схемах).
При этом в общем случае
.
При включении выпрямителя по трехфазной нулевой схеме Ud0=1,17Eк, а по трехфазной мостовой схеме Ud0 = 2,34Eк, так как к вентилям приложена линейная э. д. с. и схема выпрямления эквивалентна шестифазной.
Использование мощности. При работе синхронного генератора на выпрямитель реализуемая мощность становится меньше номинальной мощности или, как говорят, использование генератора ухудшается. Рассмотрим этот вопрос применительно к двум наиболее распространенным схемам выпрямления, заменив для простоты реальную форму тока прямоугольной с высотой Id, как это показано на рис. 1.42, а штриховой линией.
При трехфазной нулевой схеме выпрямления (рис. 1.41, а) мощность одной фазы генератора
. (1.42)
При прямоугольной форме тока действующее значение тока в любой фазе , где ф = T/3-время прохождения тока через данную фазу; Т - период изменения тока. Следовательно, мощность фазы
. (1.42)
Поскольку мощность одной фазы синхронного генератора при работе без выпрямителя Рф = IaEacosц, то коэффициент использования генератора при трехфазной нулевой схеме выпрямления
.
Таким образом, при cosц =l и б = 0, т.е. при отсутствии регулирования, мощность генератора, работающего на выпрямитель, снижается примерно на 1/3 по сравнению с мощностью генератора, работающего на чисто активную нагрузку. Объясняется это тем, что ток проходит через фазу только в течение 1/3 периода.
Лучшее использование генератора обеспечивается при применении трехфазной мостовой схемы выпрямления (рис. 1.41, б), при которой ток проходит через фазу в течение 2/3 периода. В этом случае мощность одной фазы генератора
, (1.42в)
а действующее значение тока фазы Ia = Idv 2/3. Следовательно, мощность фазы генератора
, (1.42 г.)
а коэффициент использования
.
При увеличении угла регулирования б использование ухудшается, так как уменьшается среднее значение выпрямленного напряжения. Одновременно в этом случае первая гармоника тока якоря Эа все более отстает по фазе от э. д. с. Лк, вследствие чего возрастает размагничивающее действие реакции якоря. При построении векторной диаграммы синхронного генератора, работающего на выпрямительную нагрузку, вектор якоря Iа будет отставать на угол б + 0,5г от вектора э. д. с. Лк, а величина cos (б + 0,5г) будет играть приблизительно такую же роль, как и cosц при работе генератора на активно-индуктивную нагрузку (без выпрямителя).
Потери мощности. Высшие гармоники тока якоря создают дополнительные электрические потери в проводниках обмотки якоря (из-за явления вытеснения тока), увеличивая на 5-8% основные электрические потери в ней. Дополнительные магнитные потери в стали магнитопровода, появляющиеся от высших гармоник поля, очень невелики, так как высшие гармоники м.д. с. существенно уменьшаются токами демпферной обмотки. Генераторы, работающие на выпрямитель, целесообразно снабжать мощными демпферными обмотками еще и потому, что это уменьшает сверхпереходные индуктивности (см. 1.18), от которых зависит угол коммутации г, влияющий на использование генератора.
1.13 Синхронный двигатель
Как было показано ранее, синхронная машина, работающая параллельно с сетью, автоматически переходит в двигательный режим, если к валу ротора приложен тормозной момент. При этом машина начинает потреблять из сети активную мощность и возникает электромагнитный вращающий момент. Частота вращения ротора остается неизменной, жестко связанной с частотой сети соотношением n2, = n1 = 60f1/p, что является важнейшим эксплуатационным свойством синхронных двигателей.
Векторные диаграммы. По основным комплексным уравнениям синхронной машины (1.19в) и (1.23б) могут быть построены векторные диаграммы. Однако для синхронного двигателя в указанные уравнения вместо величины Щ надо подставить - Щс, так как не принято говорить о «напряжении двигателя»; при этом для не-явнополюсной и явнополюсной машин будем иметь:
. (1.43)
Построение векторных диаграмм (рис. 1.45, а, б) по формулам системы (1.43) рекомендуется начинать с изображения векторов Щс и - Щс. Далее строится вектор тока Эа, активная составляющая которого совпадает с направлением вектора Щc, и определяют вектор Л0. При построении диаграммы для явнополюсной машины (рис. 1.45, б) нужно так же, как это делалось в диаграмме для генератора (см. рис. 1.25, в), вначале определить направление вектора Л0, прибавив к - Щc вспомогательный вектор
Рис. 1.45 - Упрощенные векторные диаграммы синхронного неявнополюсного (а) и явнополюсного (б) двигателя
Для выяснения свойств синхронного двигателя рассмотрим его работу при изменении нагрузочного момента Мвн и постоянном токе возбуждения; при этом для простоты будем пользоваться векторной диаграммой неявнополюсной машины. Допустим, что двигатель работает при cosц = l, чему на векторной диаграмме (рис. 1.46, а) соответствуют ток Эа1 и угол и1. С повышением нагрузки увеличивается угол между векторами Л0 и - Щс до какого-то значения и2, так как согласно (1.35а) вращающий момент М = Мвн пропорционален sinи. При этом конец вектора Л0 перемещается по окружности с радиусом, равным Е0, и при принятых условиях (Iв = const; E0 = const и Uc = const) вектор тока Эа2 также поворачивается вокруг точки 0, располагаясь перпендикулярно вектору - jЭа2xсн Из диаграммы видно, что в рассматриваемом случае ток двигателя Эа2 будет иметь отстающую реактивную составляющую.
Если нагрузка двигателя снизится по сравнению с исходной, то угол и уменьшится до значения и3. При этом ток двигателя Эа3 будет иметь опережающую реактивную составляющую.
Следовательно, изменение активной мощности синхронного двигателя приводит к изменению его cosц: при уменьшении нагрузки вектор тока поворачивается в сторону опережения и двигатель может работать с cosц = 1 или с опережающим током; при увеличении нагрузки вектор тока поворачивается в сторону отставания.
Рис. 1.46 - Упрощенные векторные диаграммы синхронного двигателя:
а - при изменении нагрузочного момента на валу; б - при изменении э. д. с. Е0 путем регулирования тока возбуждения
Если при неизменной активной мощности менять ток возбуждения, то будет меняться только реактивная мощность, т.е. величина cosц. Векторная диаграмма для этого случая изображена на рис. 1.46, б. Если двигатель работает при cosц = l, то этому режиму соответствует э.д.с. Л01 и некоторый угол и1. При уменьшении тока возбуждения э.д.с. Л0 снижается до Л02. Поскольку активная мощность остается неизменной, из условия Р = Рэм = mUc (E0/xсн) sinи = const получим, что Е01 sin и1 = Е02 sinи2 Отсюда следует, что конец вектора Л0 при изменении тока возбуждения будет перемещаться по прямой ВС, параллельной вектору Щc и проходящей через конец вектора Л01 Из векторной диаграммы (рис. 1.46, б) видно, что угол и2 будет больше и1.
Аналогично строится диаграмма при увеличении тока возбуждения. В этом случае э д с Л0 возрастает до величины Л03 и угол и3 становится меньшим и1. Вектор - jЭа3xсн поворачивается вокруг точки А и соответственно ему изменяет направление вектор тока Эa3, перпендикулярный вектору - jЭa3xсн
При этом из условия равенства активных мощностей имеем: Ia1 cosц1 = Iа2 cosц2 = Ia3 cosц3, конец вектора тока Эа перемещается по прямой DE, перпендикулярной вектору Щc По диаграмме, приведенной на рис 1.46, б, можно построить U-образные характеристики для двигателя Iа = f(Iв), которые будут иметь такую же форму, как и характеристики для генератора (см рис 1.40), с той лишь разницей, что для двигателя угол сдвига фаз ц принято отсчитывать от вектора напряжения сети Щc Поэтому при недовоз-буждении ток Эа будет отставать от напряжения сети Щc, т.е. двигатель будет потреблять из сети реактивную мощность Q, а при перевозбуждении ток будет опережать напряжение сети Щc, т.е. двигатель будет отдавать в сеть реактивную мощность
Рабочие характеристики (рис 1.47) Представляют собой зависимости тока Iа, электрической мощности P1 поступающей в обмотку якоря, к п д з и соsц от отдаваемой механической мощности Р2 при Uc = const, fc = const и Iв = const Поскольку частота вращения двигателя постоянна, зависимость n = f(P2) обычно не приводится; не приводится также и зависимость M = f(P2), так как вращающий момент М пропорционален Р2. Зависимость Р1 = f(Р2) имеет характер, близкий к линейному
Ток двигателя при холостом ходе является практически реактивным По мере роста нагрузки растет активная составляющая тока, в связи с чем зависимость тока Ia от мощности Р2 является нелинейной Кривая з = f(P2) имеет характер, общий для всех электрических машин. Синхронные двигатели могут работать с соsц = 1, но обычно их рассчитывают на работу при номинальной нагрузке с опережающим током, при этом cosцном = 0,9 ч 0,8 В этом случае улучшается суммарный cosц сети, от которой питаются синхронные двигатели, так как создаваемая ими опережающая реактивная составляющая тока Iа компенсирует отстающую реактивную составляющую тока асинхронных двигателей. Зависимость cosц = f(P2) при работе машин с перевозбуждением имеет максимум в области Р2 > Рном. При снижении Р2 величина cosц уменьшается, а отдаваемая в сеть реактивная мощность возрастает.
Рис. 1.47 - Рабочие характеристики синхронного двигателя
Достоинства и недостатки синхронного двигателя в сравнении с асинхронным. Синхронные двигатели имеют следующие достоинства:
а) возможность работы при cosц = l; это приводит к улучшению cosц сети, а также к сокращению размеров самого двигателя, так как его ток меньше тока асинхронного двигателя той же мощности. При работе с опережающим током синхронные двигатели служат генераторами реактивной мощности, поступающей в асинхронные двигатели, что снижает потребление этой мощности от генераторов электростанций;
б) меньшую чувствительность к колебаниям напряжения, так как его максимальный момент пропорционален напряжению в первой степени (а не квадрату напряжения);
в) строгое постоянство частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.
Недостатками синхронных двигателей являются:
а) сложность конструкции;
б) сравнительная сложность пуска в ход;
в) трудности с регулированием частоты вращения, которое возможно только путем изменения частоты питающего напряжения.
Указанные недостатки синхронных двигателей делают их менее выгодными, чем асинхронные двигатели, при ограниченных мощностях до 100 кВт. Однако при более высоких мощностях, когда особенно важно иметь высокий cosц и уменьшенные габаритные размеры машины, синхронные двигатели предпочтительнее асинхронных.
1.14 Пуск в ход синхронного двигателя
Метод асинхронного пуска. 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 менять свое направление, т.е. средний момент за период будет равен нулю. При этих условиях двигатель не сможет прийти во вращение, так как ротор его, обладающий определенной инерцией, не может быть в течение одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска в ход синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.
В настоящее время для этой цели применяют метод асинхронного пуска. При этом методе синхронный двигатель пускают в ход как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой, выполненной по типу беличьей клетки. Обычно эту клетку изготовляют из латуни с целью увеличения сопротивления стержней При включении трехфазной обмотки якоря в сеть образуется вращающееся магнишое поле, которое, взаимодействуя с током Iп в пусковой обмотке (рис. 1.48, а), создает электромагнитные силы F и увлекает за собой ротор. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм.
Рис. 1.48 - Устройство пусковой обмотки синхронного двигателя (а) и схемы его асинхронного пуска (б, в): 1-обмотка возбуждения, 2 - пусковая обмотка, 3 - ротор, 4 - обмотка якоря, 5-гасящий резистор, 6 - якорь возбудителя, 7 - кольца и щетки
В настоящее время применяют две основные схемы пуска синхронного двигателя. При схеме, изображенной на рис. 1.48, б, обмотку возбуждения вначале замыкают на гасящий резистор, сопротивление которого rдоб в 8-12 раз превышает активное сопротивление rв обмотки возбуждения. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной (при s = 0,05), обмотку возбуждения отключают от гасящего сопротивления и подключают к источнику постоянного тока (возбудителю), вследствие чего ротор втягивается в синхронизм. Осуществить пуск двигателя с разомкнутой обмоткой возбуждения нельзя, так как во время разгона ротора при s > 0 в ней индуктируется вращающимся магнитным полем э. д. с.
,
где Фm-амплитуда магнитного потока вращающегося поля; щв - число витков обмотки возбуждения; f2 = f1s-частота изменения тока в обмотке возбуждения.
В начальный момент пуска при s ? 1 из-за большого числа витков щв обмотки возбуждения э.д.с. Ев может достигать весьма большой величины и вызвать пробой изоляции.
При схеме, изображенной на рис. 1.48, в, обмотка возбуждения постоянно подключена к возбудителю, сопротивление которого по сравнению с сопротивлением rв весьма мало, поэтому эту обмотку в режиме асинхронного пуска можно считать замкнутой накоротко. С уменьшением скольжения до s = 0,3 4-0,4 возбудитель возбуждается и в обмотку возбуждения подается постоянный ток, обеспечивающий при s ? 0,05 втягивание ротора в синхронизм.
Различие пусковых схем обусловлено тем, что не во всех случаях может быть применена более простая схема с постоянно подключенной к возбудителю обмоткой возбуждения (рис. 1.48, в), так как она имеет худшие пусковые характеристики, чем более сложная схема, приведенная на рис. 1.48, б. Главной причиной ухудшения пусковых характеристик является возникновение одноосного эффекта - влияния тока, индуктируемого в обмотке возбуждения при пуске, на характеристику пускового момента.
Для анализа этого явления предположим вначале, что в двигателе отсутствует пусковая обмотка, а обмотка возбуждения замкнута накоротко. В результате при асинхронном пуске двигателя в обмотке возбуждения индуктируется э.д.с. с частотой f2 = f1s и по обмотке проходит переменный ток, создающий пульсирующее магнитное поле (обмотка возбуждения в этом случае является однофазной обмоткой переменного тока). Пульсирующее магнитное поле можно разложить на две составляющие: прямое и обратное вращающиеся магнитные поля ротора, которые характеризуются потоками Фпр и Фобр. Частота вращения каждого из этих полей относительно ротора
.
Относительно статора прямое поле вращается с частотой
, (1.44)
где n2 = n1(1-s) - частота вращения ротора.
Следовательно, оно вращается синхронно с полем статора; образуемый этим полем с током статора электромагнитный момент Мпр изменяется в зависимости от скольжения так же, как и в трехфазном асинхронном двигателе (рис. 1.49, кривая 2). Обратное поле ротора вращается относительно статора с частотой
, (1.45)
При частотах вращения ротора n2 < 0,5n1, т.е. при s > 0,5, обратное поле, как видно из формулы (1.45), перемещается относительно статора в сторону, противоположную направлению вращения ротора; при n2 = 0,5n1 это поле неподвижно относительно статора; при n2 > 0,5 (т.е. при s < 0,5) оно перемещается в ту же сторону, что и ротор.
В обмотке статора обратным полем индуктируется э.д.с. с частотой f1(1-2s), для которой обмотка статора является коротко-замкнутой. При этом по обмотке статора протекает соответствующий ток. Взаимодействуя с обратным полем ротора, этот ток создает электромагнитный момент Mобр. Так как направление момента зависит от направления вращения поля nр.обр относительно статора, то из формулы (1.45) следует, что он является знакопеременным и изменение его направления происходит при s = 0,5 (рис. 1.49, кривая 3).
Таким образом, ток, индуктируемый в обмотке возбуждения при пуске двигателя, создает электромагнитный момент, который при частоте вращения, меньшей 0,5n1, является ускоряющим, а при большей частоте вращения-тормозящим.
Рис. 1.49 - Зависимость электромагнитного момента от скольжения при асинхронном пуске синхронного двигателя
Особенно резко проявляется действие обратного поля при n ? 0,5n1.
Наличие пусковой обмотки на роторе существенно уменьшает обратное магнитное поле и величину создаваемого им момента. Однако этот момент, складываясь с асинхронным моментом пусковой обмотки (кривая 1), создает в кривой результирующего пускового момента провал при частоте вращения, равной половине синхронной (кривая 4). Этот провал будет тем больше, чем больше ток в обмотке возбуждения. Очевидно, что включение сопротивления в цепь обмотки возбуждения (см. рис. 1.48, б) на период пуска уменьшает ток в этой обмотке и улучшает форму кривой пускового момента.
Следует отметить, что если обмотку возбуждения при пуске не отключить от возбудителя, то по якорю возбудителя в период пуска проходит переменный ток; последнее может вызвать искрение щеток. Поэтому такую схему пуска применяют в случае небольшого нагрузочного момента - не более 50% от номинального - при сравнительно небольшой мощности двигателя.
1.15 Регулирование частоты вращения синхронных двигателей
Частота вращения синхронного двигателя n2 равна частоте вращающегося магнитного поля n1 = 60f1/р, следовательно, ее можно регулировать путем изменения частоты питающего напряжения или числа полюсов 2 р. Регулировать частоту вращения путем изменения числа полюсов в синхронном двигателе нецелесообразно, так как, в отличие от асинхронного, здесь требуется изменять число полюсов как на статоре, так и на роторе, что приводит к значительному усложнению конструкции ротора. Поэтому практически используют лишь изменение частоты питающего напряжения.
К синхронному двигателю применимы все основные положения теории частотного регулирования асинхронного двигателя, в том числе необходимость одновременного изменения как частоты, так и питающего напряжения. Однако в чистом виде частотное регулирование частоты вращения синхронных двигателей применяется только при очень малых мощностях, когда нагрузочные моменты невелики, а инерция приводного механизма мала (см. гл. 2). При больших мощностях такие условия имеют место только в некоторых типах электроприводов, например в электроприводах вентиляторов.
Для синхронных двигателей, применяемых в электроприводах с большим моментом инерции приводного механизма, необходимо очень плавно изменять частоту питающего напряжения, чтобы двигатель не выпал из синхронизма. Особенно сложным является пуск в ход двигателя, когда начальная частота должна составлять доли герца, а затем постепенно повышаться до максимального значения. Для таких электроприводов наиболее пригодным является метод частотного регулирования с самосинхронизацией, при котором двигатель в принципе не может выпасть из синхронизма. Последнее достигается тем, что управление преобразователем частоты осуществляется от системы датчиков положения ротора, вследствие чего напряжение подается на каждую фазу двигателя при углах нагрузки и, меньших 90°. При таком регулировании автоматически обеспечиваются условия устойчивой работы двигателя и его перегрузочная способность определяется только перегрузочной способностью преобразователя частоты.
Синхронные двигатели, регулируемые путем изменения частоты с самосинхронизацией, называют вентильными двигателями; иногда их называют бесколлекторными двигателями постоянного тока. Однако первое название является более правильным, так как такие двигатели могут получать питание от сети как постоянного, так и переменного тока.
Частотное регулирование без самосинхронизации. Электромагнитный момент синхронного двигателя может быть выражен в виде
. (1.46)
При частотном регулировании обычно стремятся получить режим работы двигателя с cosц = 1, когда в обмотке якоря имеют место минимальные потери энергии. Для этого ток якоря Iа должен поддерживаться постоянным и минимальным:
Из (1.47) следует, что при неизменных нагрузочном моменте (Мн = М = const) и потоке возбуждения (Фв = const), т.е. токе
. (1.47)
возбуждения (Iв = const), угол и в процессе регулирования частоты не должен изменяться. Однако при изменении частоты f1 изменяются э. д. с. Е0, угловая скорость ротора щ1 и индуктивное сопротивление хсн (или сопротивления xd и xq при явнополюсном роторе), т.е.
. (1.48)
Поэтому при частотах питающего напряжения f1 отличных от номинальной частоты f1ном, формула электромагнитного момента [см. (1.35)] принимает вид:
,
где с = mE0 номf1 ном/(щ1номхсн ном) - постоянная.
Из (1.49) следует, что при неизменных значениях нагрузочного момента Мн = М и тока якоря 1а = [а мин необходимо выдерживать условие
, (1.50)
т.е. изменять напряжение Uп, подаваемое к электродвигателю от преобразователя частоты, пропорционально изменению частоты f1. При соблюдении условия (1.50) все стороны треугольника ОАВ (рис. 1.50, а) будут изменяться пропорционально частоте, а угол и останется неизменным. При изменении нагрузки необходимо в соответствии с (1.46) изменять поток возбуждения Фв, т.е. ток возбуждения Iв.
Вентильный двигатель. При питании вентильного двигателя от сети постоянного тока в преобразователе частоты должны применяться тиристоры с узлами принудительной коммутации. В двигателях малой мощности допустимо применение транзисторов. На рис. 1.51, а показана принципиальная схема питания вентильного двигателя от тиристорного преобразователя частоты.
Преобразователь частоты представляет собой автономный инвертор напряжения, который подключен к источнику постоянного тока и формирует трехфазное напряжение изменяющейся частоты; это напряжение подается на фазы А, В и С обмотки якоря двигателя. К каждой фазе может быть подведено положительное (тиристорами Т1, Т2 и Т3) и отрицательное (тиристорами Т4, Т5 и Т6) напряжения.
Рис. 1.50 - Векторные диаграммы синхронного двигателя, питаемого от преобразователя частоты при постоянном нагрузочном моменте: а - при постоянном угле и и cosц=l; б - при изменении угла и
Если вначале пропускать ток через фазы А и В (открыты тиристоры Т1 и Т5), затем через фазы В и С (открыты тиристоры Т2 и Т6), далее через фазы С и А (открыты тиристоры Т3 и Т4) и т.д. в указанной последовательности, то в машине создается вращающееся магнитное поле. При изменении частоты переключения тиристоров изменяется частота напряжения, подаваемого на фазы обмотки якоря, а следовательно, и частота вращения ротора. Для замыкания реактивной составляющей тока якоря в преобразователе имеются диоды Д1-Д6, включенные параллельно тиристорам, но и в обратном направлении.
Коммутация тока в тиристорном преобразователе (переключение тока с одной фазы на другую) требует применения специальных коммутирующих узлов, так как тиристор является не полностью управляемым прибором. Для закрытия тиристора, включенного в цепь постоянного тока, необходимо кратковременно подать на него обратное напряжение определенной величины.
Рис. 1.51 - Принципиальные схемы питания вентильного двигателя от тиристорного преобразователя частоты с инвертором напряжения (а) и инвертором тока (б)
В рассматриваемом преобразователе применены два таких узла принудительной (или искусственной) коммутации - по одному для всех тиристоров, присоединяемых соответственно к положительному и отрицательному полюсам источника постоянного тока. Каждый узел состоит из контура L-C и вспомогательных тиристоров.
Закрытие тиристоров T1, Т2 и ТЗ, присоединенных к положительному полюсу, производится контуром L1-C1. При открытии вспомогательного тиристора Т11 конденсатор С1 заряжается через индуктивность L1 до величины двойного напряжения сети и запрает тиристор Т11. Затем открываются вспомогательные тиристоры Т21, Т22 или Т23 и подают на тиристоры T1, T2 или Т3 обратное (положительное) напряжение. При этом соответствующий тиристор запирается, а конденсатор С1 разряжается через нагрузку.
Аналогично запираются тиристоры Т4, Т5 и Т6. Вначале открывают вспомогательный тиристор Т12 и через индуктивность L2 заряжают конденсатор С2. Затем, открывая вспомогательные тиристоры Т24, Т25 или Т26, присоединяют аноды тиристоров Т4, Т5 или Т6 к отрицательной обкладке конденсатора С2.
Напряжение, подаваемое к якорю вентильного двигателя от преобразователя частоты, является, так же как и при частотном регулировании асинхронного двигателя, несинусоидальным. Поэтому, чтобы уменьшить вредные воздействия высших гармоник напряжения, тока и потока, двигатель необходимо снабдить мощной демпферной обмоткой с малыми активным и индуктивным сопротивлениями (см. 1.17). В этом случае высшие гармоники оказывают на синхронный двигатель сравнительно небольшое воздействие. При наличии такой обмотки режимы работы вентильного двигателя можно рассматривать с учетом только первых гармоник тока и напряжения.
Режим работы вентильного двигателя зависит не только от величины тока возбуждения и соотношения между напряжением и частотой, как в обычном синхронном двигателе, регулируемом путем изменения частоты. Большое значение имеют также момент подачи напряжения на фазу двигателя и свойства преобразователя частоты.
В преобразователе частоты, основанном на использовании инвертора напряжения (рис. 1.51, а), величина выходного напряжения почти не зависит от режима работы двигателя. Поэтому регулирование необходимо вести при постоянстве угла и (см. рис. 1.50, а). Последнее можно осуществить, определяя с помощью какого-либо датчика положение оси полюсов ротора (а следовательно, и направление вектора Л0) и регулируя подачу управляющих импульсов на тиристоры преобразователя так, чтобы напряжение Щп подавалось на соответствующие фазы двигателя с некоторым углом опережения в0 ? и (угол регулирования) по отношению к положению вектора Л0 для данной фазы. Можно также определять ось результирующего магнитного потока и подавать питание на соответствующую фазу с требуемым углом в0. Оба эти метода имеют свои преимущества и недостатки, обусловленные в основном особенностями применяемых датчиков и управляющих устройств.
В рассматриваемой схеме питания вентильного двигателя угол регулирования в0 практически полностью определяет угол и. Если приближенно положить в0 ? и, то при постоянных значениях частоты питающего напряжения и тока возбуждения (т.е. щ1 и э. д. с. Е0) формула (1.35) принимает вид
. (1.51)
Следовательно, при изменении угла регулирования в0 ? и для поддержания неизменным момента М нужно регулировать величину подводимого к двигателю от преобразователя напряжения Uп.
На рис. 1.50, б показано несколько положений векторов Щп,
Iа и - jЭaxсн при Е0 = const и различных значениях угла опережения в0 ? и преобразователя частоты. При угле опережения в01 ? и1 векторы Щп1, Эа1 и - jIalxсн направлены так, что ток Эа1 совпадает по фазе с напряжением Щп1 и является минимальным; при уменьшении угла в0 до в02 = и2 напряжение, подводимое к двигателю, необходимо увеличить до Uп2; при этом ток Эа2 будет отставать от Щп2 на угол ц2; при увеличении угла в0 до в03 = и3 необходимо уменьшать напряжение, подводимое к двигателю до Uп3, при этом ток Эа3 будет опережать Щп3 на угол ц3. Так как величина Uпsinи на векторной диаграмме (рис. 1.50, б) выражается отрезком АВ, то при изменении угла опережения конец вектора напряжения - Щп перемещается по прямой ВАС, проходящей через точку А и параллельной вектору Л0. Ток якоря Iа при таком регулировании может существенно увеличиться, а максимальный момент двигателя в режиме, когда ток Эа отстает от напряжения Щп преобразователя (например, в положениях Эа2 и Щп2), уменьшится.
В преобразователе частоты, основанном на использовании инвертора тока, большая индуктивность L в цепи постоянного тока (рис. 1.51, б) позволяет считать ток якоря Iа практически неизменным (ток Iа имеет прямоугольную форму). Вследствие этого угол опережения в0 определяет положение вектора тока Эа на диаграмме двигателя относительно положения вектора э. д. с. Л0.
Подобные документы
Принцип работы и устройство генератора постоянного тока. Типы обмоток якоря. Способы возбуждения генераторов постоянного тока. Обратимость машин постоянного тока. Двигатель параллельного, независимого, последовательного и смешанного возбуждения.
реферат [3,6 M], добавлен 17.12.2009Роль и значение машин постоянного тока. Принцип работы машин постоянного тока. Конструкция машин постоянного тока. Характеристики генератора смешанного возбуждения.
реферат [641,0 K], добавлен 03.03.2002Конструкция и принцип действия машины постоянного тока. Характеристики генератора независимого возбуждения. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения. Принцип обратимости машин постоянного тока. Электромагнитная обмотка якоря в машине.
презентация [4,1 M], добавлен 03.12.2015Конструкция и принцип действия электрических машин постоянного тока. Исследование нагрузочной, внешней и регулировочной характеристик и рабочих свойств генератора с независимым возбуждением. Особенности пуска двигателя с параллельной системой возбуждения.
лабораторная работа [904,2 K], добавлен 09.02.2014Принцип работы и устройство генераторов постоянного тока. Электродвижущая сила и электромагнитный момент генератора постоянного тока. Способы возбуждения генераторов постоянного тока. Особенности и характеристика двигателей различных видов возбуждения.
реферат [3,2 M], добавлен 12.11.2009Принцип действия генератора постоянного тока. Якорные обмотки и процесс возбуждения машин постоянного тока. Обмотка с "мертвой" секцией. Пример выполнения простой петлевой и волновой обмотки. Двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением.
презентация [4,9 M], добавлен 09.11.2013Генераторы синхронные с самовозбуждением. Описание работы корректора напряжения. Принцип действия электродвигателя постоянного тока типа ПГ1500/225.ОМ4. Предназначение и состав электроэнергетической системы. Устройство и работа рулевой машины.
реферат [37,3 K], добавлен 12.03.2012Основные определения и технические данные электрических машин. Электрические двигатели постоянного тока: устройство, краткие теоретические основы. Электрические генераторы постоянного тока. Обеспечение безыскровой коммутации. Электрическое равновесие.
реферат [37,4 K], добавлен 24.12.2011Принцип действия и область применения электрических машин постоянного тока. Допустимые режимы работы двигателей при изменении напряжения, температуры входящего воздуха. Обслуживание двигателей, надзор и уход за ними, ремонт, правила по безопасности.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 25.02.2010Изучение процесса пуска электрической машины постоянного тока при различных режимах работы и схемах включения обмотки возбуждения и добавочных реостатов в цепи. Исследование пусковых характеристик двигателя. Осциллограммы для схемы и электродвигателя.
лабораторная работа [1,6 M], добавлен 01.12.2011
