Принцип действия синхронных двигателей и синхронных компенсаторов

ЛЕКЦИЯ № 26

Тема: Синхронные двигатели и синхронные компенсаторы.

Цель: Изучить принцип действия и рабочие свойства синхронных двигателей и синхронных компенсаторов.

План: 1. Устройство и принцип действия.

2. Характеристики.

3. Применение.

Литература: 1. Бургардт К.А., Просужих Р.П.

«Корабельные электрические машины».

Часть 2. 1980., стр. 322-329.

Лекция обсуждена и одобрена на заседании кафедры

Протокол № _____ от «_____» _____________200 г.

Преподаватель: Просужих Р.П.

Лекция № 26. Синхронные двигатели и компенсаторы

Принцип действия синхронных двигателей и синхронных компенсаторов

Выше было показано, что синхронный генератор, включенный на параллельную работу с мощной сетью, может перейти в режим синхронного двигателя, если мощность первичного двигателя уменьшить до нуля или совсем его отсоединить.

При этом ротор начнет отставать от поля статора, появится отрицательный угол q < 0 и соответствующее значение разностной ЭДС , фаза которой отличается от фазы ЭДС и фазы напряжения сети . Появится также ток обмотки статора ₁, отстающий от , на 90°, который будет иметь активную составляющую, совпадающую по фазе с напряжением . Это будет означать, что активная энергия из сети поступает в синхронную машину, ее электромагнитный момент станет вращающим, а сама машина перейдет в режим синхронного двигателя. Благодаря этому отставание ротора от поля статора прекратится и ротор снова будет вращаться синхронно с полем статора при некотором значении угла q < 0.

Чтобы увеличить нагрузку синхронного двигателя, надо увеличить момент сопротивления на его валу. При этом ротор машины еще больше отстанет от поля статора, возрастет величина угла q, возрастут DЕ, ток I₁ и его активная составляющая. В то же время возрастет и реактивная составляющая тока I_1Р, которая имеет емкостной характер по отношению к С.Д. и индуктивный – по отношению к сети (смотри рисунок 1,а).

Это значит, что С.Д. недовозбужден, что он потребляет из сети реактивную мощность. Чтобы устранить это явление, надо увеличить ток возбуждения С.Д. При этом можно добиться, чтобы ток I₁ стал чисто активным. Но можно и перевозбудить С.Д. Тогда его ток будет иметь реактивную составляющую, которая будет индуктивной по отношению к С.Д. и ёмкостной по отношению к сети. В этом случае С.Д. станет отдавать в сеть реактивную мощность. Такой режим работы называют режимом синхронного компенсатора (смотри рисунок 1,б).

Обычно синхронные компенсаторы устанавливают вблизи мощных потребителей реактивной мощности, в основном асинхронных двигателей. Это позволяет разгрузить линию передачи электроэнергии от реактивных токов, что в свою очередь увеличит КПД

линии передачи и генераторов. Кроме того, регулируя возбуждение синхронных компенсаторов и их ЭДС, можно стабилизировать напряжение на зажимах потребителей, так как синхронные компенсаторы, работая в режиме двигателя по активной мощности, являются генераторами по реактивной мощности.

Пуск С.Д. и С.К. осуществляют либо с помощью вспомогательного двигателя, насаженного на один вал с С.Д., либо методом асинхронного пуска.

В первом случае роль вспомогательного двигателя может выполнять возбудитель С.Д. или С.К., находящийся на валу машины.

Во втором случае роль короткозамкнутой обмотки типа «беличья клетка» выполняет демпферная обмотка синхронной машины.

При любом способе пуска С.Д. и С.К. должен быть включен на параллельную работу с мощной сетью. Это выполняется теми же методами, которые используются для С.Г. После синхронизации С.Д. переводится в режим двигателя или компенсатора, а вспомогательный двигатель отключается. Увеличение нагрузки С.Д. производится увеличением тормозного момента на валу С.Д., т.е. воздействием на механический исполнительный механизм. Устойчивость работы С.Д. аналогична устойчивости синхронного генератора и также может быть оценена с помощью угловой характеристики синхронного двигателя М_ЭМ = f (q), которая располагается в третьем квадранте осей координат. Для явнополюсных С.Д. характерно наличие двух составляющих электромагнитного вращающего момента, как и для синхронных генераторов.

q

Основная составляющая М_ЭМ зависит от тока возбуждения, а добавочная – только от неравномерности магнитного и электрического сопротивления по осям «d» и «q» при прочих равных условиях.

Характерной особенностью С.Д. является то, что при любой нагрузке в пределах устойчивости их ротор вращается с синхронной частотой вращения, но также подвержен колебательным процессам при возмущениях, как и в синхронных генераторах.

Активная мощность, поступающая в С.Д. из сети, Р₁ расходуется на потери в стали статора Р_СТ, потери в меди статора Р_М1, на возбуждение Р_В, если возбудитель получает питание от сети, и на электромагнитную мощность Р_ЭМ, которая передается от статора к ротору через воздушный зазор. Часть электромагнитной мощности расходуется на добавочные потери Р_ДОБ, а остальная преобразуется в полезную механическую мощность Р₂, которая в свою очередь передается исполнительному механизму. Таким образом, КПД синхронного двигателя равен:

.

Рабочие характеристики С.Д. – это зависимости частоты вращения n, потребляемой мощности Р₁, полезного вращающего момента М₂, коэффициента мощности Cos j, тока в обмотке статора I₁ от полезной мощности С.Д. на валу Р₂ при U_C = const, f_C = const.

Поскольку , то зависимость n = f(P₂) – это линия параллельная оси абсцисс.

При зависимость M₂ = f(P₂) – прямая линия под каким-то углом к оси абсцисс. Коэффициент мощности Cosj, зависит не только от полезной нагрузки, но и от тока возбуждения. Зависимости P₁ = f(P₂): I₁ = f(P₂) являются нелинейными, так как зависят от многих факторов с учетом формул:

, ; и др.

Обычно стремятся поддерживать значение Cosj₁ = 1, если синхронная машина работает в режиме двигателя.

Синхронные компенсаторы работают обычно в режиме холостого хода по активной мощности при большом перевозбуждении, следовательно, нагружены реактивной мощностью.

Для С.Д. как и для С.Г. можно построить V – образные характеристики, имеющие такую же конфигурацию и физическую сущность.

Для реверса С.Д. нужно сначала остановить, поменять чередование фаз, запустить добавочным двигателем в противоположную сторону и осуществить синхронизацию с сетью.

Таким образом, к недостаткам С.Д. относятся – более сложная по сравнению с асинхронными двигателями конструкция, повышенные масса и стоимость, сложность пуска и реверса.

К достоинствам можно отнести высокий КПД, постоянство частоты вращения и возможность использования в режиме компенсатора реактивной мощности.