19 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Чем опасен асинхронный режим синхронного двигателя

Асинхронный режим невозбужденной синхронной машины

В практике эксплуатации синх­ронных машин бывают случаи, когда отдельные машины выпадают из синхронизма и их роторы начинают вращаться относительно поля якоря (статора) асинхронно, с некоторым скольжением s. Это случается вследствие перегрузки машин, значительного паде­ния напряжения в сети и потери возбуждения в результате каких-либо неисправностей в системе возбуждения или ошибочного срабатывания автомата гашения поля. Хотя невозбужденная явно-полюсная машина может развивать в синхронном режиме опреде­ленную мощность за счет реактивного момента, обычно эта мощ­ность является недостаточной для покрытия нагрузки, и поэтому явнополюсные машины при потере возбуждения чаще всего также выпадают из синхронизма.

При выпадении из синхронизма синхронная машина ведет себя подобно асинхронной, но ввиду различия конструкции ротора и наличия в общем случае тока возбуждения асинхронный режим синхронной машины имеет ряд особенностей.

Так как выпадение синхронных машин из синхронизма при ава­риях в энергосистемах происходит нередко, то выявление особен­ностей асинхронного режима и выяснение рациональных способов восстановления нормальных режимов работы имеют существенное практическое значение.

Широко применяется асинхронный пуск синхронных двигателей и компенсаторов, когда невозбужденная машина приключается к сети и ее скорость достигает почти синхронной скорости подобно асинхронному двигателю.

Асинхронные режимы работы невозбужденной и возбужденной синхронной машины существенным образом отличаются друг от друга. Асинхронный режим возбужденной синхронной машины является более сложным, и его можно рассматривать как наложение асинхронного режима невозбужденной асинхронной машины и ре­жима установившегося короткого замыкания синхронного гене­ратора.

Рассмотрим в первую очередь установившийся асинхронный режим работы невозбужденной синхронной машины.

Схемы замещения и их параметры.

Если бы ротор синхронной машины обладал магнитной и электрической симметрией, то работа этой машины в асинхронном режиме без возбуждения ничем не отли­чалась бы от работы нормальной асинхронной машины. Однако в общем случае такой симметрии нет, и поэтому требуется самостоя­тельное рассмотрение вопроса.

Пусть обмотка статора (якоря) трехфазной синхронной машины включена в сеть. Токи якоря при этом создают вращающееся поле, перемещающееся относительно несимметричного ротора со скоростью скольжения. Для анализа явлений при несимметричном роторе разложим вращающееся относительно него поле на два пульсирую­щих поля, одно из которых действует по продольной (d), а другое — по поперечной (q> оси ротора. Эти поля пульсируют со сдвигом по фазе на 90°. Кроме того, как и у асинхронной машины, рабочий процесс синхрон­ной машины в асинхронном режиме можно привести к эквивалент­ному процессу при неподвижном роторе. Далее можно представить себе, что у такой машины с неподвижным ротором на статоре вместо трехфазной обмотки имеется эквивалентная двухфазная обмотка, причем одна фаза этой обмотки создает магнитный поток, пульсирующий по продольной оси, а другая фаза — поток, пульсирующий по поперечной оси ротора

Рис.1

причем напряжения этих фаз U и jU сдвинуты по фазе на 90°. В подобной двухфазной системе взаимная индукция между фазами отсутствует и явления по осям d и q можно рассматривать незави­симо друг от друга. В результате вместо одной схемы замещения для симметричной асинхронной машины для синхронной машины получаем две схемы замещения — одну для продольной и другую для поперечной оси.

При наличии успокоительной или пусковой обмотки (рис. 2, а и б) в схеме для продольной оси имеются две вторичные цепи, как и у двухклеточного асинхронного двигателя, а в схеме для попереч­ной оси –

одна вторичная цепь. При отсутствии указанных обмоток (рис. 2, в и г) количество вторичных цепей уменьшается на еди­ницу. На схемах рис. 2 принято rа = 0 и не учи­тываются потери в стали статора. При наличии в цепи возбуждения доба­вочного сопротивления (на­пример, сопротивления га­шения поля) его величина должна включаться в rf

В основе рассмотрения явлений согласно рис. 1 и 2 лежит представле­ние о двухфазной маши­не. Поэтому сопротивле­ния схем рис. 2 также следовало бы считать экви­валентными сопротивлени­ями двухфазной машины. Однако, чтобы избежать введения в рассмотрение

новых параметров, будем предполагать, что сопротивления, фигу­рирующие в схемах рис. 2, представляют собой параметры m-фазной машины.

Асинхронные режимы различных видов синхронных машин.

При потере возбуждения синхронные генераторы переходят в асинхрон­ный режим и их скорость вращения будет увеличиваться до тех пор, пока не наступит равенство между движущим моментом на валу и электромагнитным моментом машины. При этом машина будет потреблять из сети намагничивающий ток

и отдавать в сеть активную мощность.

При малых скольжениях поверхностный эффект в теле ротора турбогенератора проявляется слабо и поэтому глубина проникнове­ния токов велика. В результате активное сопротивление тела ротора мало и момент достигает весьма большой величины уже при малых скольжениях.

Поэтому турбогенераторы способны развивать в асинхронном режиме большую мощность, причем потери в роторе малы и не представляют опасности в отношении нагрева ротора. Допустимую мощность турбогенератора в асин­хронном режиме ограничивает ток статора, величина которого из-за большого намагничивающего тока до­стигает номинального значения. В большинстве случаев при I = Iн в турбогенераторах Р = (0,5 — 0,7) Pн,.

Ввиду относительно благоприят­ных характеристик Ma = f (s) на электростанциях разрешается кратковременная работа (до 30 мин) турбогенераторов в асинхронном ре­жиме при условии, что потери в рото­ре и статоре не превышают потерь при номинальном режиме и потребле­ние реактивной мощности с точки зрения режима работы энергосистемы допустимо. В течение указанного вре­мени можно устранить неисправности в системе возбуждения, перевести турбогенератор на резервное возбуж­дение или перевести нагрузку на другие турбогенераторы или стан­ции. Использование возможности ра­боты турбогенераторов в асинхронном режиме позволяет увеличить надежность энергоснабжения потребителей.

Асинхронные характеристики гидрогенераторов значительно менее благоприятны. Гидрогенераторы имеют шихто­ванные полюсы, и успокоительные обмотки во многих случаях у них отсутствуют. При отсутствии успокоительной обмотки мощ­ность в асинхронном режиме развивается только за счет токов, индуктируемых в обмотке возбуждения. Активное сопротивление успокоительной обмотки велико, и в этом случае момент Ma при малых s также мал. Поэтому гидрогенераторы не могут развивать значительной мощности в асинхронном режиме, успокоительная обмотка быстро нагревается, и если восстановление возбуждения в течение 10—15 сек невозможно, то их нужно отключать от сети.

Все синхронные двигатели имеют пусковые обмотки и обычно пускаются в ход как асинхронные двигатели, причем обмотка воз­буждения замкнута через разрядное, или гасительное, сопротивле­ние rг = (5 — 10) rf или замкнута накоротко. Пуск с разомкнутой обмоткой возбуждения недопустим, так как при этом может прои­зойти повреждение ее изоляции. Скольжение невозбужденного двигателя изменяется при пуске от s = 1 до s = 0,05, когда включается ток возбуждения и двигатель втягивается в синхронизм.

Кривые М, = f (s) синхронных двигателей представлены на рис.. Момент, развиваемый обмоткой возбуждения, достигает максимального значения при малых скольжениях, в особенности, когда rг = 0, так как rf мало, а относительно велико. Наоборот, момент, развиваемый пусковой обмоткой, достигает максимума при s = 0,3 — 0,4, так как активное сопротивление этой обмотки значи­тельно больше и рассеяние меньше. При расчете кривых было принято, что сопротивление обмотки якоря ra = 0. Поэтому на этих кривых не отражено возникновение провала момента при s = 0,5 вследствие одноосного эффекта. Следует, однако, отметить, что при наличии пусковой обмотки на роторе этот эффект прояв­ляется слабо.

Начальный пусковой момент (s = 1) синхронных двигателей при U = Uн должен быть достаточно велик. С другой стороны, при малых s

момент Ма также должен быть доста­точно велик, так как в противном случае при пуске под нагрузкой двигатель в асинхронном режиме не сможет достичь скорости вра­щения, достаточно близкой к синхронной, и двигатель после вклю­чения тока возбуждения не втянется в синхронизм.

Крутизну харак­теристики Ма = f (s) при малых s принято определять значением Ма при s = 0,05, и эту величину момента условно называют вход­ным моментом Мвх. Очевидно, что чем больше Мвх, тем лучше условия втягивания в синхронизм. Обычно требуется, чтобы Мвх = Мп Однако для увеличения Ма необходимо увеличить активное сопротивление пусковой обмотки, а для увеличения — умень­шить его. Поэтому вопрос о выборе величин Мвх и Мп надо решать компромиссным образом и использовать явление вытеснения тока в

пусковой обмотке для увеличения Мп. Стержни пуско­вой обмотки с целью увеличения их сечения и теплоемкости изго­товляются из латуни.

Как видно из рис., при пуске без разрядного сопротивления Мвх получается меньше и, кроме того, при малых s может образоваться провал момента, так как максимум момента от действия обмотки возбуждения наступает при весьма малом s. Поэтому при rг = 0 втягивание в синхронизм происходит в менее благоприятных условиях.

Если синхронная машина лишена успокоительной или пусковой обмотки и имеет немассивные полюсы или ротор, то в результате сильного проявления одноосного эффекта асинхронный пуск ее возможен только на холостом ходу или при малой нагрузке на валу, причем обмотка возбуждения должна быть замкнута через зна­чительное активное сопротивление.

Синхронные двигатели с массивными роторами или полюсами имеют благоприятную характеристику Ма = f (s), если отношение При малом большое влияние на величину тока в полюс­ных наконечниках начинает оказывать сопротивление торцевых зон полюсного наконечника, и асинхронный момент поэтому Мa умень­шается.

2.Возникновение асинхронного режима

Причины появления асинхронного режима генератора или части системы (груп­пы генераторов) могут быть весьма различными. Его может вызвать исчезновение (потеря) возбуждения, нарушение динамической устойчивости после резкого возмущения (толчка) или нарушение статической устойчивости сильно перегруженной системы при малом возмущении.

В первом случае генератор работает только как асинхронный, во втором и третьем случаях при наличии возбуждения генератор наряду с асинхронной мощностью выдает также пульсирующую синхронную мощность.

Для большинства синхронных машин асинхронный ход не представляет опасности. Турбогенераторы асинхронном режиме могут развивать мощность, соизмеримую с номинальной. При скольжения порядка десятых долей процента, при которых устанавливается асинхронный режим турбогенераторов, токи, как правило не представляют какой-либо опасности для машины.

Допустимость асинхронного режима могут вызвать сомнения в связи с опасностью нарушения устойчивости остальной части системы, в которой мощный генератор или группа генераторов работает асинхронно. В этом режиме генератор обычно поглощает из системы значительную реактивную мощность, что может при­водить к снижению напряжения во всей системе, создавая опасность нарушения устойчивости остальных генераторов к двигателей. Однако опасность аварий такого рода можно сделать маловероятной правильным выбором источников реактивной мощности и регулирующих устройств.

Восстанавливать нормальную работу системы оказалось возможным, не отклю­чая от сети выпавший из синхронизма генератор, но оставляя его на некоторое время в асинхронном режиме и затем, заставляя снова войти в синхронизм. При это

Система сохраняет результирующую устойчивость, поскольку нарушения энергоснабжения потребителей не происходит.

Читать еще:  Форестер 2015 с какими двигателями

Однако асинхронный ход, не являющийся для системы нормальным режимом, не должен осуществляться без проверки.

Обычно при выпадении генератора из синхронизма его электромагнитный момент становится меньше вращающего момента турбины. Это приводит к повышению скорости. При увеличении скорости под действием регуляторов турбин про­исходит уменьшение впуска энергоносителя в турбину и мощность, отдаваемая в сеть при асинхронном ходе, всегда будет меньше, чем мощность до выпадения.

Реактивная мощность, необходимая для создания электромагнитных полей в асинхронно работающей машине, поступает из сети. Ток статора, возрастающий в связи с увеличившейся реактивной мощностью, во время асинхронного режима колеблется около среднего значения с частотой, приблизительно разной 2(f—f). Асинхронный ход легко заметить по колебаниям стрелка амперметра. Число ее от­клонений α (одну сторону) в секунду численно равно скольжению, выраженному процентах.

Знак скольжения определяет режим несинхронно работающей машины:«—» — генераторный режим; «+» — двигательный режим

Амплитуда колебаний тока статора будет минимальной при разомкнутой обмотке возбуждения, а величина скольжения — при замкнутей обмотке возбуж­дение.

В асинхронном режиме предельная величина активной мощности, которую может отдавать турбогенератор, обычно ограничивается 50-70% номинальной мощности из-за возрастания тока статора а современный крупный турбогенератор- 30-50%

Возможность асинхронного хода и его длительность зависят от типа генератора. Турбогенератору при потере возбуждения разрешается работать в асинхронном режиме до 15—30 мин. без потери возбуждения — несколько меньше. Если за это время восстановить синхронную работу не удается, то турбогенератор должен быть отключен от сети. Немедленное отключение от сети турбогенератора, выпавшего из синхронизма, должно производиться только в случаях появления признаков повреждения машины, например когда в обмотках возбуждения имеются замыкания на землю, при которых до потери возбуждения происходила работа ге­нератора. Длительность работы гидрогенераторов в асинхронном режиме, разрешаемая только при возбуждении, более кратковременна (3—4 мин).

Асинхронный ход, как правило, недопустим в тех случаях, когда при его появлении потери в роторе оказываются больше номинальных, а ток статора — больше 1,1Iном

ЗАДАЧИ ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ

Допуская в системе асинхронные режимы, инженер прежде всего должен про­верить поведение машин, работающих асинхронно. Здесь важно выяс­нить те механические усилия, которые будет испытывать машина при асинхронном ходе , проверить нагрев ротора и статора. Кроме того, надо вычислить активные и реактивные мощности машины. Наличие асинхронного хода одной или нескольких машин может оказать влияние на поведение системы в целом. В связи с этим необходимо проверить режим части системы, продолжающей нормальную синхронную работу: выяснить, не перегрузятся ли генераторы, не будет ли недопустимо большого снижения напряжения и не окажут ли его пульсации вредного действия на работу нагрузки. Существенным в ряде случаев является вопрос о поведении устройств автоматики и ре­лейной защиты, иногда могущих при наличии асинхронного хода работать неправильно.

Для анализа их работы необходимо весьма тщательное рассмотрение асинхрон­ных режимов. При этом выделяют процесс выпадения из синхронизма, заканчиваю­щийся установившимся асинхронным ходом. Отдельно рассматриваются режимы обратного вхождения в синхронизм машины: а) подключенной к сети, несущей нагрузку, временно перешедшей на асинхронный режим, — ресинхронизации; б) ненагруженной и подключаемой к сети (вновь или после временного отключе­ния) — самосинхронизации.

Эти два режима находят свое практическое применение з в различных комбина­циях с другими режимами: автоматическое повторное включение с одновременной самосинхронизацией (АПВС), несинхронные включения частей системы и т. д.

Пусковые и установившиеся режимы работы синхронного двигателя

При неподвижном роторе и подключении обмотки статора к сети переменного тока и обмотки возбуждения к источнику постоянно­го тока из-за постоянно изменяющихся взаимных направлений маг­нитных полей статора и ротора СД будет развивать не постоянный по направлению, а знакопеременный вращающий момент. Среднее значение электромагнитного момента будет равно нулю, поэтому СД не сможет разогнаться до синхронной скорости Ω без при­менения специальных мер по его запуску.

Осуществить пуск СД можно используя преобразователь частоты, включенный в цепь обмотки статора. При питании СД от преобразователя частоты мо­жет быть реализован так называемый частотный пуск, обеспечива­ющий с помощью специального задатчика такой темп изменения частоты и величины питающего СД напряжения, а, следовательно, и скорости вращения его магнитного поля, при котором ротор «успевает» за полем и двигатель работает синхронно с источником питания уже с самых малых своих скоростей. Для такого способа пуска характер­ны к тому же и меньшие потери энергии в двигателе при пуске.

Другой способ пуска, который в настоящее время находит ограниченное применение, связан с использованием небольшого по мощности вспомогательного двигателя, устанавливаемого на валу СД. С помо­щью этого двигателя ротор ненагруженного СД разгоняется до синхронной ско­рости, после чего осуществляется его син­хронизация с сетью. В системах «СД — генератор постоянного тока» в качестве вспомогательного двигателя может ис­пользоваться генератор, работающий в период пуска в двигательном режиме.

Наибольшее же распространение по­лучил способ пуска СД, называемый асинхронным. Для его реализации на роторе СД укладывается дополнительная пусковая обмотка, выполняемая аналогично короткозамкнутой обмотке АД типа беличьей клетки.

В этом случае при подключении СД к сети переменного тока происходит его разбег аналогично АД. При подсинхронной скорости СД, отличающейся от синхронной на несколь­ко процентов (3-5%), обмотку возбуждения необходимо подключить к источнику постоянного тока. Двигатель втягивается в синхронизм с сетью и далее работает как синхронный двигатель.

В зависимости от своих параметров пусковая обмотка СД обес­печивает два основных вида механической пусковой характеристи­ки (рис. 142). Характеристика 1 обеспечивает более высокий синх­ронизирующий (входной) момент Мв1 по сравнению с характерис­тикой 2, но меньший начальный (пусковой) момент Мп1

Вторая схема возбуждения СД (см. рис. 141, а), более простая, по­лучила название схемы с постоянно (глухо) подключенным возбу­дителем. В этой схеме обмотка возбуждения с самого начала пуска постоянно подключена к возбудителю 2. При скорости Ω≈0,7Ω происходит самовозбуждение возбудителя и в обмотку возбужде­ния СД подается ток возбуждения, благодаря чему при достижении подсинхронной скорости двигатель втягивается в синхронизм.

Пуск по схеме рис. 141, а происходит в менее благоприятных ус­ловиях, так как пусковой момент СД оказывается ниже, чем при использовании схемы рис. 144, что затрудняет его синхронизацию. Поэтому эта схема применяется при относительно легких условиях пуска СД, когда момент нагрузки на его валу не превосходит 50% его номинального момента, а инерционные массы ЭП и исполни­тельного органа невелики. При более трудных условиях возбуди­тель подключается в конце пуска (по схеме, приведенной на рис. 144).

Пуск СД может происходить с ограничением пускового тока или без него. В большинстве случаев СД мощностью до нескольких со­тен киловатт (а иногда и более) при наличии мощной питающей сети запускаются прямым подключением к сети без ограничения тока. Кратность пускового тока по отношению к номинальному при прямом пуске составляет обычно 4. 5.

Рис.144. Схема СД с подключением возбудителя в конце пуска

При пуске СД большей мощности (несколько тысяч киловатт), соизмеримой с мощностью питающей сети, возникает необ­ходимость ограничения пусковых токов, что достигается чаще все­го использованием добавочных резисторов, реакторов или авто­трансформаторов.

Замыкая выключатель 1 в схеме с реактором (рис. 145, а), при от­ключенном выключателе 2 осуществляют пуск СД 4 с реактором 3 в цепи статора, обеспечивающим снижение пускового тока до до­пустимого уровня. При достижении СД подсинхронной скорости замыкают выключатель 2, который шунтирует реактор, и двигатель оказывается подключенным к сети. Автоматизация пуска осуществ­ляется обычно в функции времени. В некоторых схемах вместо ре­актора применяются более дешевые активные резисторы.

В случае использования автотрансформатора 3 (см. рис. 145, б) при пуске замыкают выключатели 1 и 5 и к СД 4 подводится пони­женное напряжение. При достижении им подсинхронной скорости отключается выключатель 5, замыкается выключатель 2 и СД под­ключается непосредственно к выводам питающей сети.

Рис. 145. Схема пуска СД с ограничением тока с помощью реактора (а) и автотрансформатора (б)

При использовании автотрансформатора пусковой ток снижа­ется пропорционально квадрату отношения напряжений СД и сети (Uд/Uс) 2 , а при использовании реакторов или резисторов — пропор­ционально первой степени этого отношения. Однако автотрансформаторный спо­соб пуска является более сложным, дорогим и менее надежным по сравнению с реакторным (резисторным) и применяется реже.

Дата добавления: 2019-02-08 ; просмотров: 609 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Пуск синхронных двигателей

Пуск синхронного двигателя

Особенностью этого вида электрических машин является то, что его нельзя просто подключить к сети и ожидать его запуска. Кроме того, что для работы СД нужен не только источник тока возбуждения, у него и достаточно сложная схема пуска.

Запуск происходит как у асинхронного двигателя, а для создания пускового момента кроме обмотки возбуждения на роторе размещают и дополнительную короткозамкнутую обмотку «беличью клетку». Её еще называют «демпфирующей» обмоткой, потому что она повышает устойчивость при резких перегрузках.

Ток возбуждения в обмотке ротора при пуске отсутствует, а когда он разгоняется до подсинхронной скорости (на 3-5% меньше синхронной), подаётся ток возбуждения, после чего он и ток статора совершает колебания, двигатель входит в синхронизм и выходит на рабочий режим.

Для ограничения пусковых токов мощных машин иногда уменьшают напряжение на зажимах обмоток статора, подключив последовательно автотрансформатор или резисторы.

Пока синхронная машина запускается в асинхронном режиме к обмотке возбуждения подключаются резисторы, сопротивление которых превышает сопротивление самой обмотки в 5 — 10 раз. Это нужно чтобы пульсирующий магнитный поток, возникающий под действием токов, наводимых в обмотке при пуске, не замедлял разгон, а также чтобы не повредить обмотки из-за индуцируемыми в ней ЭДС.

СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ, СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Статор синхронных двигателей выполняется аналогично статору асинхронного двигателя с трехфазной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока. Ротор синхронных двигателей может иметь обмотку возбуждения, быть выполненным в виде постоянных магнитов или представлять собой зубчатый стальной цилиндр. Первая из названных конструкций ротора характерна для синхронных двигателей в основном средней и большой мощности. Двигатели с ротором в виде постоянного магнита или зубчатого колеса выполняются небольшой и средней мощности и находят главное применение в регулируемых электроприводах.

На рис. 6.1, а приведена схема включения трехфазного синхронного двигателя с обмоткой возбуждения. При этом ротор двигателя может быть выполнен неявнополюсным или иметь явно выраженные полюсы.

В качестве источника для питания обмотки возбуждения в схеме используется генератор 2 постоянного тока небольшой мощности, называемый возбудителем и устанавливаемый на валу синхронного

Рис. 6.1. Схема включения (а) и рабочая механическая характеристика (б) синхронного двигателя:

7 — двигатель; 2 — возбудитель; 3 — регулировочный резистор; 4 — обмотка возбуждения возбудителя

Читать еще:  Чем оппозитный двигатель лучше v образных

двигателя (см. рис. 6.1, а). Регулирование тока возбуждения двигателя / осуществляется изменением с помощью резистора 3 в цепи тока / ц возбуждения возбудителя 4. В современных схемах возбуждения синхронных двигателей широко применяются тиристорные управляемые выпрямители (тиристорные возбудители).

Вращающий момент синхронного двигателя обусловлен взаимодействием вращающегося магнитного поля, создаваемого обмотками статора, и магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения или постоянными магнитами на роторе. Взаимодействие этих полей может создать постоянный по направлению вращающий момент двигателя только в том случае, когда ротор будет вращаться со скоростью магнитного поля со = 2nfJp, т.е. синхронно с вращающимся полем. Таким образом, механическая характеристика синхронного двигателя со(А/) (см. рис. 6.1, б) представляет собой горизонтальную линию с ординатой со. Эта характеристика имеет место до некоторого максимального момента нагрузки Мтах, превышение которого приведет к выпадению двигателя из синхронизма, т.е. к нарушению синхронного вращения ротора и магнитного поля.

Для определения максимального момента Мтах двигателя, до которого сохраняется синхронная работа двигателя с сетью, служит угловая характеристика двигателя. Она представляет собой зависимость момента М от угла 0 сдвига между векторами ЭДС статора Е и фазного напряжения сети (7ф. Для неявнополюсного синхронного двигателя при пренебрежении активным сопротивлением цепи статора она выражается формулой

Рис. 6.2. Угловая характеристика синхронного двигателя

где t/ф — фазное значение напряжения сети; Е — ЭДС в обмотке статора двигателя; х — индуктивное сопротивление фазы обмотки двигателя; со — скорость вращения магнитного поля. Угловая характеристика двигателя показана на рис. 6.2. В соответствии с формулой (6.1) момент двигателя достигает своего максимального значения при 0 = к/2. Эта величина характеризует собой перегрузочную способность двигателя. При больших значениях угла двигатель выпадает из синхронизма, при меньших углах 0 его работа устойчива.

Номинальное значение угла 0 составляет обычно 25—30°, ему соответствует номинальный момент А/ном. При таком значении 0 кратность максимального момента составляет Хм = A/mix / Мном = = 2+2,5.

На рис. 6.1, б показаны участки механической характеристики двигателя двигательного и генераторного режимов. При моменте двигателя М = 0 имеет место режим идеального холостого хода.

Асинхронный пуск — синхронный двигатель

Рабочие характеристики синхронного двигателя.| Диаграмма напряжений явнополюсной синхронной машины ( без учета насыщения, в режиме двигателя.

Асинхронный пуск синхронного двигателя в ход ( см. § 59 — 4) осуществляется с помощью короткозамкнутой демпферной ( пусковой) обмотки, располагающейся в пазах полюсных наконечников.

Асинхронный пуск синхронных двигателей в настоящее время является основным.

Схемы прямого, реакторного и автотрансформаторного пусков синхронного двигателя.

Асинхронный пуск синхронных двигателей при полном напряжении на обмотке статора сопровождается значительным увеличением потребляемого из сети тока до величин порядка / п ( 3 — f — — т — 6) / ном, где нижний предел соответствует тихоходным, а верхний предел.

Рабочие характеристики синхронного двигателя.| Диаграмма напряжений явнополюсной синхронной машины ( без учета насыщения, в режиме двигателя.

Асинхронный пуск синхронного двигателя в ход ( см. § 59 — 4) осуществляется с помощью короткозамкнутой демпферной ( пусковой) обмотки, располагающейся в пазах полюсных наконечников.

Способы синхронизации синхронных машин.

Асинхронный пуск синхронного двигателя в ход ( см. § 19 — 19) осуществляется с помощью короткозамкнутой ( пусковой) обмотки, располагающейся в пазах полюсных наконечников.

Схема двигателя СОД-220.

Асинхронный пуск синхронного двигателя осуществляется при помощи специальной короткозамкнутой обмотки, уложенной в полюсных наконечниках ротора. Синхронный двигатель, снабженный такой обмоткой, запускается так же, как короткозамкнутый асинхронный двигатель.

Асинхронный пуск синхронных двигателей большой мощности сопровождается значительным броском тока и соответствующим ему понижением напряжения питающей сети. В случае необходимости ограничения бросков тока пуск синхронных двигателей иногда производится при пониженном напряжении. Для этого статор двигателя подключают к сети через реактор или автотрансформатор, шунтируемые затем по завершении пуска особыми выключателями. В этой связи различают схемы легко г о и тяжелого пуска синхронных двигателей.

Асинхронному пуску синхронных двигателей свойственны те же недостатки, что и пуску асинхронных короткозамкнутых двигателей, главным из которых является большой пусковой ток. Управление пуском синхронных двигателей в современных установках обычно автоматизируется.

Начинается асинхронный пуск синхронного двигателя СД ; напряжение возбудителя В по мере разгона двигателя увеличивается, и, следовательно, нарастает его ток возбуждения; при достижении подсинхронной частоты вращения ротор двигателя под действием входного момента втягивается в синхронизм. Ток возбуждения двигателя регулируется реостатом ШР, установленным на пульте.

Начинаете асинхронный пуск синхронного двигателя МС ; напряжение во; будителя ВМ по мере разгона двигателя нарастает и, следов телыго, нарастает его ток возбуждения; при достижении по; синхронной скорости ротор двигателя под действием входног момента втягивается в синхронизм. Ток возбуждения двигател регулируется реостатом ШР, установленным.

Преимущества и недостатки

Конструктивно синхронные двигатели сложнее асинхронных, но они имеют ряд преимуществ:

  • Работа синхронных электродвигателей в меньшей степени зависит от колебания напряжения питающей сети.
  • По сравнению с асинхронными, они имеют больший КПД и лучшие механические характеристики при меньших габаритах.
  • Скорость вращения не зависит от нагрузки. То есть колебания нагрузки в рабочем диапазоне не влияют на обороты.
  • Могут работать со значительными перегрузками на валу. Если возникают кратковременные пиковые перегрузки, повышением тока в обмотке возбуждения компенсируют эти перегрузки.
  • При оптимально подобранном режиме тока возбуждения, электродвигатели не потребляют и не отдают в сеть реактивную энергию, т.е. cosϕ равен единице. Двигатели, работая с перевозбуждением, способны вырабатывать реактивную энергию. Что позволяет их использовать не только в качестве двигателей, но и компенсаторов. Если необходима выработка реактивной энергии, на обмотку возбуждения подается повышенное напряжение.

При всех положительных качествах синхронных электродвигателей у них имеется существенный недостаток – сложность пуска в работу. Они не имеют пускового момента. Для запуска требуется специальное оборудование. Это долгое время ограничивало использование таких двигателей.

Схема запуска двигателя и его регулировка

У синхронных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. При подключении якорной обмотки к источнику переменного тока, электромагнитный момент дважды изменить свое направление за один период изменения тока. Это происходит, когда ротор находится в неподвижном состоянии, а в обмотке возбуждения протекает постоянный ток.

Таким образом, величина среднего момента в течение одного периода будет иметь нулевое значение. Чтобы увидеть, как работает синхронный двигатель при пуске, нужно выполнить разгон его ротора под действием внешнего момента до вращения с частотой, приближенной к синхронной.

Сам запуск агрегата может производиться разными способами:

  • В первом случае используется схема асинхронного включения, основой которой служит глухо подключенный возбудитель. Данный способ применяется при статическом моменте нагрузки ниже 0,4, когда отсутствует падение напряжения. Сопротивление разряда замыкается в обмотке возбуждения, за счет чего исключаются перебои с возбуждением обмотки во время впуска, поскольку незначительная скорость вращения ротора приводит к перенапряжению. Когда скорость становится близкой к синхронной, контактор реагирует на это изменение, в результате происходит переключение обмотки возбуждения из разрядного сопротивления непосредственно на якорь возбудителя.
  • Во втором варианте пуска используется тиристорный возбудитель. Этот способ считается более надежным из-за высокого КПД. Управление возбуждением значительно облегчается. Подача возбуждение осуществляется автоматически с помощью электромагнитного реле.

Устройство синхронного двигателя

Синхронный двигатель состоит из основных частей – якоря и индуктора. Обычно, его исполнение сделано таким образом, что якорь расположен на статоре, а индуктор – на роторе, отделенном воздушной прослойкой. Данные агрегаты обладают высоким коэффициентом мощности. Существенным плюсом является возможность их использования в сетях с любым напряжением.

Конструкция синхронного двигателя состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор является неподвижной частью агрегата, а ротор – подвижной. В состав якоря входят одна или несколько обмоток переменного тока. При работе двигателя токи, поступающие в якорь, приводят к вращению магнитного поля, пересекающегося с полем индуктора и преобразующего энергию. Поле якоря носит другое название – поле реакции якоря. В генераторе такое поле создается с помощью индуктора.

Чтобы уменьшить магнитное сопротивление и улучшить прохождение магнитного потока, используются ферромагнитные сердечники, расположенные в роторе и статоре, для изготовления которых используется электротехническая сталь. Она обладает интересными свойствами, например, повышенным содержанием кремния, с целью повышения ее электрического сопротивления и уменьшения вихревых токов.

Каждый синхронный электродвигатель обладает важным параметром – электромагнитным моментом. Он возникает в том случае, когда магнитный поток ротора начинает взаимодействовать с вращающимся магнитным полем. Данное поле образуется под влиянием трехфазного тока, протекающего по обмотке якоря.

В режиме холостого хода происходит совпадение осей магнитных полей ротора и статора. Поэтому электромагнитные силы, возникающие между их полюсами, принимают радиальное направление и значение электромагнитного момента агрегата становится равным нулю. При переходе устройства в двигательный режим, на ротор начинает воздействовать внешние нагрузочный момент, приложенный к валу. В результате, происходит смещение ротора на величину определенного угла против направления вращения.

Подобное электромагнитное взаимодействие между ротором и статором приводит к созданию электромагнитных сил, направленных в сторону вращения. Таким образом, действие вращающегося электромагнитного момента стремится к преодолению действия внешнего момента. Максимальное значение электромагнитного момента образует угол 90 градусов, при расположении полюсов ротора между осями полюсов статора.

Если значение нагрузочного момента, приложенного к валу двигателя, превысит максимальный электромагнитный момент, в этом случае двигатель остановится под влиянием внешнего момента. Из-за этого в неподвижном двигателе по обмотке якоря будет проходить очень высокий ток. Данный режим является аварийным, он представляет собой выпадение из синхронизма и на практике не должен допускаться.

Принцип работы синхронного двигателя

Принцип работы синхронного двигателя

В целом, электрический двигатель представляет собой электромеханическое устройство, которое преобразовывает электрическую энергию в механическую.

По типу подключения двигатели бывают однофазные и 3-х фазные. Среди 3-х фазных двигателей наиболее распространенными являются индукционные (асинхронные) и синхронные электродвигатели.

Когда в 3-х фазном двигателе электрические проводники располагаются в определенном геометрическом положении (под определенным углом относительно друг друга), возникает электрическое поле. Образованное электромагнитное поле вращается с определенной скоростью, которая называется синхронной скоростью.

Если в этом вращающемся магнитном поле присутствует электромагнит, он магнетически замыкается с этим вращающимся полем и вращается со скоростью этого поля. Фактически, это нерегулируемый двигатель, поскольку он имеет всего одну скорость, которая является синхронной, и никаких промежуточных скоростей там быть не может. Другими словами, он работает синхронно с частотой сети.

Ниже дана формула синхронной скорости:

Строение синхронного двигателя

Его строение практически аналогично 3-фазному асинхронному двигателю, за исключением того факта, что на ротор подается источник постоянного тока.

На рисунке показано устройство этого типа двигателя. На статор подается 3-х фазное напряжение, а на ротор – источник постоянного тока.

Читать еще:  Great wall safe тюнинг двигателя

Строение синхронного двигателя

Основные свойства синхронных двигателей:

  • Синхронные электродвигатели не являются самозапускающимся механизмом. Они требуют определенного внешнего воздействия, чтобы выработать определенную синхронную скорость.
  • Двигатель работает синхронно с частотой электрической сети. Поэтому при обеспечении бесперебойного снабжения частоты он ведет себя так, как двигатель с постоянной скоростью.
  • Этот двигатель имеет уникальные характеристики, функционируя под любым коэффициентом мощности. Поэтому они используются для увеличения фактора силы.

Видео: Строение и принцип работы синхронного двигателя

Принципы работы синхронного двигателя

Электронно-магнитное поле синхронного двигателя обеспечивается двумя электрическими вводами. Это обмотка статора, которая состоит из 3-х фаз и предусматривает 3 фазы источника питания и ротор, на который подается постоянный ток.

3 фазы обмотки статора обеспечивают вращение магнитного потока. Ротор принимает постоянный ток и производит постоянный поток. При частоте 50 Гц 3-х фазный поток вращается около 3000 оборотов в 1 минуту или 50 оборотов в 1 секунду. В определенный момент полюса ротора и статора могут быть одной полярности (++ или – – ), что вызывает отталкивания ротора. После этого полярность сразу же меняется (+–), что вызывает притягивание.

Но ротор по причине своей инерции не в состоянии вращаться в любом направлении из-за силы притяжения или силы отталкивания и не может оставаться в состоянии простоя. Он не самозапускающийся.

Чтобы преодолеть инерцию силы, необходимо определенное механическое воздействие, которое вращает ротор в том же направлении, что и магнитное поле, обеспечивая необходимую синхронную скорость. Через некоторое время происходит замыкание магнитного поля, и синхронный двигатель вращается с определенной скоростью.

Способы запуска

  • Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя. Синхронный двигатель механически соединяется с другим двигателем. Это может быть либо 3-х фазный индукционный двигатель, либо двигатель постоянного тока. Постоянный ток изначально не подается. Двигатель начинает вращаться со скоростью, близкой к синхронной скорости, после чего подается постоянный ток. После того, как магнитное поле замыкается, связь со вспомогательного двигателя прекращается.
  • Асинхронный пуск. В полюсных наконечниках полюсов ротора устанавливается дополнительная короткозамкнутая обмотка. При включении напряжения в обмотку статора возникает вращающееся магнитное поле. Пересекая короткозамкнутую обмотку, которая заложена в полюсных наконечниках ротора, это вращающееся магнитное поле индуцирует в ней токи, который взаимодействуя с вращающимся полем статора, приводят ротор во вращение. Когда достигнута синхронная скорость, ЭДС и крутящийся момент уменьшается. И наконец, когда магнитное поле замыкается, крутящий момент также сводится к нулю. Таким образом, синхронность вначале запускается индукционным двигателем с использованием дополнительной обмотки.

Применение

  • Синхронный двигатель используется для улучшения коэффициента мощности. Синхронные двигатели широко применяются в энергосистеме, поскольку они работают при любом коэффициенте мощности и имеют экономичные эксплуатационные показатели.
  • Синхронные двигатели находят свое применение там, где рабочая скорость не превышает 500 об / мин и требуется увеличить мощность. Для энергетической потребности от 35 кВт до 2500 кВт, стоимость, размер, вес и соответствующего индукционного двигателя будет довольно высоким. Такие двигатели часто используются для работы поршневых насосов, компрессоров, прокатных станков и другого оборудования.

Устройство и принцип действия синхронного двигателя

Отличие от асинхронного мотора

Главное отличие синхронной машины заключается в том, что скорость вращения якоря такая же, как и аналогичная характеристика магнитного потока.

И если в асинхронных моторах используется короткозамкнутый ротор, то в синхронных имеется на нем проволочная обмотка, к которой подводится переменное напряжение.

В некоторых конструкциях используются постоянные магниты. Но это делает двигатель дороже.

Если увеличивать нагрузку, подключаемую к ротору, частота вращения его не изменится. Это одна из ключевых особенностей такого типа машин. Обязательное условие – у движущегося магнитного поля должно быть столько же пар полюсов, сколько у электромагнита на роторе. Именно это гарантирует постоянную угловую скорость вращения этого элемента двигателя. И она не будет зависеть от момента, приложенного к нему.

Конструкция мотора

Устройство и принцип действия синхронных двигателей несложны.

Конструкция включает в себя такие элементы:

  1. Неподвижная часть – статор. На ней находится три обмотки, которые соединяются по схеме «звезда» или «треугольник». Статор собран из пластин электротехнической стали с высокой степенью проводимости.
  2. Подвижная часть – ротор. На нем тоже имеется обмотка. При работе на нее подается напряжение.

Между ротором и статором имеется прослойка воздуха. Она обеспечивает нормальное функционирование двигателя и позволяет магнитному полю беспрепятственно воздействовать на элементы агрегата. В конструкции присутствуют подшипники, в которых вращается ротор, а также клеммная коробка, расположенная в верхней части мотора.

Как работает двигатель

Если кратко, принцип действия синхронного двигателя, как и любого другого, заключается в преобразовании одного вида энергии в другой. А конкретно – электрической в механическую. Работает мотор таким образом:

  1. На статорные обмотки подается переменное напряжение. Оно создает магнитное поле.
  2. На обмотки ротора также подается переменное напряжение, создающее поле. Если используются постоянные магниты, то это поле уже по умолчанию имеется.
  3. Два магнитных поля взаимопересекаются, противодействуют друг другу – одно толкает другое. Из-за этого двигается ротор. Именно он установлен на шарикоподшипниках и способен свободно вращаться, дать ему нужно только толчок.

Вот и все. Теперь остается только использовать полученную механическую энергию в нужных целях. Но требуется знать, как правильно вывести в нормальный режим синхронный двигатель. Принцип работы у него отличается от асинхронного. Поэтому требуется придерживаться определенных правил.

Для этого электродвигатель подключают к оборудованию, которое необходимо привести в движение. Обычно это механизмы, которые должны работать практически без остановок – вытяжки, насосы и прочее.

Синхронные генераторы

Обратная конструкция – синхронные генераторы. В них процессы протекают немного иначе. Принцип действия синхронного генератора и синхронного двигателя отличаются, но не существенно:

  1. На обмотку статора не подается напряжение. С нее оно снимается.
  2. На обмотку ротора подается переменное напряжение, которое необходимо для создания магнитного поля. Потребление электроэнергии крайне маленькое.
  3. Ротор электрогенератора раскручивается при помощи дизельного или бензинового двигателя либо же силой воды, ветра.
  4. Вокруг ротора имеется магнитное поле, которое двигается. Поэтому в обмотке статора индуцируется ЭДС, а на концах появляется разность потенциалов.

Но в любом случае требуется стабилизировать напряжение на выходе генераторной установки. Для этого достаточно запитать роторную обмотку от источника, напряжение которого постоянно и не изменяется при колебаниях частоты вращения.

Полюсы обмоток двигателя

В конструкции ротора имеются постоянные или электрические магниты. Их обычно называют полюсами. На синхронных машинах (двигателях и генераторах) индукторы могут быть двух типов:

  1. Явнополюсными.
  2. Неявнополюсными.

Они различаются между собой только взаимным расположением полюсов. Для уменьшения сопротивления со стороны магнитного поля, а также улучшения условий для проникновения потока, используются сердечники, изготовленные из ферромагнетиков.

Эти элементы располагаются как в роторе, так и в статоре. Для изготовления используются только сорта электротехнической стали. В ней очень много кремния. Это отличительная особенность такого вида металла. Это позволяет существенно уменьшить вихревые токи, повысить электрическое сопротивление сердечника.

Воздействие полюсов

В основе конструкции и принципа действия синхронных двигателей лежит обеспечение влияния пар полюсов ротора и статора друг на друга. Для обеспечения работы нужно разогнать индуктор до определенной скорости. Она равна той, с которой вращается магнитное поле статора. Именно это позволяет обеспечить нормальную работу в синхронном режиме. В момент, когда происходит запуск, магнитные поля статора и ротора взаимно пересекаются. Это называется «вход в синхронизацию». Ротор начинает вращаться со скоростью, как у магнитного поля статора.

Запуск электродвигателей синхронного типа

Самое сложное в работе синхронного мотора – это его запуск.

Именно поэтому его используют крайне редко. В

едь конструкция усложняется за счет системы запуска.

На протяжении долгого времени работа синхронного двигателя зависела от разгонного асинхронника, механически соединенным с ним.

Что это значит? Второй тип двигателя (асинхронный) позволял разогнать ротор синхронной машины до подсинхронной частоты.

Обычные асинхронники не требуют специальных устройств для запуска, достаточно только подать рабочее напряжение на обмотки статора.

После того, как будет достигнута требуемая скорость, происходит отключение разгонного двигателя. Магнитные поля, которые взаимодействуют в электрическом моторе, сами выводят его на работу в синхронном режиме. Для разгона потребуется другой двигатель. Его мощность должна составлять примерно 10-15 % от аналогичной характеристики синхронной машины. Если нужно вывести в режим электродвигатель 1 кВт, для него потребуется разгонный мотор мощностью 100 Вт. Этого вполне достаточно, чтобы машина смогла работать как в режиме холостого хода, так и с незначительной нагрузкой на валу.

Более современный способ разгона

Стоимость такой машины оказывалась намного выше. Поэтому проще использовать обычный асинхронный мотор, пусть и много у него недостатков. Но именно его принцип работы и был использован для уменьшения габаритов и стоимости всей установки. При помощи реостата производится замыкание обмоток на роторе. В итоге двигатель становится асинхронным. А запустить его оказывается намного проще – просто подается напряжение на обмотки статора.

Во время выхода на подсинхронную скорость возможно раскачивание ротора. Но это не происходит за счет работы его обмотки. Напротив, она выступает в качестве успокоителя. Как только частота вращения будет достаточной, производится подача постоянного напряжения на обмотку индуктора. Двигатель выводится в синхронный режим. Но такой способ можно воплотить только в том случае, если используются моторы с обмоткой на роторе. Если там применяется постоянный магнит, придется устанавливать дополнительный разгонный электродвигатель.

Преимущества и недостатки синхронных моторов

Основное преимущество (если сравнивать с асинхронными машинами) – за счет независимого питания роторной обмотки агрегаты могут работать и при высоком коэффициенте мощности. Также можно выделить такие достоинства, как:

  1. Снижается ток, потребляемый электродвигателем, увеличивается КПД. Если сравнивать с асинхронным мотором, то эти характеристики у синхронной машины оказываются лучше.
  2. Момент вращения прямо пропорционален напряжению питания. Поэтому даже если снижается напряжение в сети, нагрузочная способность оказывается намного выше, нежели у асинхронных машин. Надежность устройств такого типа существенно выше.

Но вот имеется один большой недостаток – сложная конструкция. Поэтому при производстве и последующих ремонтах затраты окажутся выше. Кроме того, для питания обмотки ротора обязательно требуется наличие источника постоянного тока. А регулировать частоту вращения ротора можно только с помощью преобразователей – стоимость их очень высокая. Поэтому синхронные моторы используются там, где нет необходимости часто включать и отключать агрегат.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector