Холостой режим синхронного двигателя

Режимы работы синхронных генераторов, рабочие характеристики генераторов

Основными величинами, характеризующими синхронный генератор, являются: напряжение на зажимах U , нагрузка I , полная мощность P (кВа), число оборотов ротора в минуту n , коэффициент мощности cos φ .

Важнейшие рабочие характеристики синхронного генератора следующие:

характеристика холостого хода,

Характеристика холостого хода синхронного генератора

Электродвижущая сила генератора пропорциональна величине магнитного потока Ф, создаваемого током возбуждения i в, и числу оборотов n ротора генератора в минуту:

где с — коэффициент пропорциональности.

Хотя величина электродвижущей силы синхронного генератора зависит от числа оборотов n ротора, регулировать ее путем изменения скорости вращения ротора невозможно, так как с числом оборотов ротора генератора связана частота электродвижущей силы, которая должна быть сохранена постоянной.

Следовательно, остается единственный способ регулировки величины электродвижущей силы синхронного генератора — это изменение основного магнитного потока Ф. Последнее обычно достигается путем регулирования тока возбуждения iв с помощью реостата, введенного в цепь возбуждения генератора. В том случае когда обмотка возбуждения питается током от генератора постоянного тока, сидящего на одном валу с данным синхронным генератором, ток возбуждения синхронного генератора регулируется изменением напряжения на зажимах генератора постоянного тока.

Зависимость электродвижущей силы Е синхронного генератора от тока возбуждения iв при постоянстве номинальной скорости вращения ротора ( n = const) и нагрузке, равной нулю ( 1 = 0), называется характеристикой холостого хода генератора.

На рисунке 1 приведена характеристика холостого хода генератора. Здесь восходящая ветвь 1 кривой снята при возрастании тока i в от нуля до i в m , а нисходящая ветвь 2 кривой — при изменении iв от iвm до iв = 0.

Рис. 1. Характеристика холостого хода синхронного генератора

Несовпадение восходящей 1 и нисходящей 2 ветвей объясняется остаточным магнетизмом. Чем больше площадь, ограниченная этими ветвями, тем больше потерь энергии в стали синхронного генератора на перемагничивание.

Крутизна подъема кривой холостого хода на ее начальном прямолинейном участке характеризует магнитную цепь синхронного генератора. Чем меньше расход ампер-витков в воздушных зазорах генератора, тем при прочих одинаковых условиях будет круче характеристика холостого хода генератора.

Внешняя характеристика генератора

Напряжение на зажимах нагруженного синхронного генератора зависит от электродвижущей силы Е генератора, от падения напряжения в активном сопротивлении его статорной обмотки, падения напряжения, обусловленного электродвижущей силой самоиндукции рассеяния Es, и падения напряжения, обусловленного реакцией якоря.

Электродвижущая сила рассеяния Es, как известно, зависит от магнитного потока рассеяния Ф s , который не проникает в магнитные полюса ротора генератора и, следовательно, не изменяет степени намагничивания генератора. Электродвижущая сила самоиндукции рассеяния Es генератора относительно мала, а поэтому практически ею можно пренебречь. В соответствии с этим ту часть электродвижущей силы генератора, которая компенсирует электродвижущую силу самоиндукции рассеяния Es, можно считать практически равной нулю.

Реакция якоря оказывает более заметное влияние на режим работы синхронного генератора и, в частности, на величину напряжения на его зажимах. Степень этого влияния зависит не только от величины нагрузки генератора, но и от характера нагрузки.

Рассмотрим вначале влияние реакции якоря синхронного генератора для случая, когда нагрузка генератора носит чисто активный характер. Для этой цели возьмем часть схемы работающего синхронного генератора, изображенную на рис. 2 ,а. Здесь показаны часть статора с одним активным проводником якорной обмотки и часть ротора с несколькими его магнитными полюсами.

Рис. 2. Влияние реакции якоря для нагрузок: а — активного, б — индуктивного, в — емкостного характера

В рассматриваемый момент времени северный полюс одного из электромагнитов, вращающихся вместе с ротором против часовой стрелки, как раз проходит под активным проводником статорной обмотки.

Электродвижущая сила, индуктированная в этом проводнике, направлена к нам из-за плоскости рисунка. А так как нагрузка генератора носит чисто активный характер, то ток I в якорной обмотке совпадает по фазе с электродвижущей силой. Следовательно, в активном проводнике статорной обмотки ток течет к нам из-за плоскости рисунка.

Магнитные линии поля, создаваемого электромагнитами, показаны здесь сплошными линиями, а магнитные линии поля, создаваемого током провода якорной обмотки, — пунктирной линией.

Внизу на рис. 2 ,а показана векторная диаграмма магнитной индукции результирующего магнитного поля, находящегося над северным полюсом электромагнита. Здесь мы видим, что магнитная индукция В основного магнитного поля, создаваемого электромагнитом, имеет радиальное направление, а магнитная индукция В я магнитного поля тока якорной обмотки направлена вправо и перпендикулярно вектору В .

Результирующая магнитная индукция Врез направлена вверх и вправо. Это значит, что в результате сложения магнитных полей произошло некоторое искажение основного магнитного поля. Слева от северного полюса оно несколько ослабилось, а справа — несколько усилилось.

Нетрудно видеть, что радиальная составляющая вектора результирующей магнитной индукции, от которой по сути дела зависит величина индуктированной электродвижущей силы генератора, не изменилась. Следовательно, реакция якоря при чисто активной нагрузке генератора не влияет на величину электродвижущей силы генератора. Это значит, что и падение напряжения в генераторе при чисто активной нагрузке обусловлено только падением напряжения в активном сопротивлении генератора, если пренебречь электродвижущей силой самоиндукции рассеяния.

Теперь допустим, что нагрузка синхронного генератора носит чисто индуктивный характер. В этом случае ток I отстает по фазе от электродвижущей силы Е на угол π/2 . Это значит, что максимум тока возникает в проводе несколько позднее, чем максимум электродвижущей силы. Следовательно, когда в проводе якорной обмотки ток достигнет максимального значения, северный полюс N будет уже не под этим проводом, а сместится несколько дальше в направлении вращения ротора, как это показано на рис. 2 ,б.

В этом случае магнитные линии (пунктирные линии) магнитного потока якорной обмотки замыкаются через два соседних разноименных полюса N и S и направлены навстречу магнитным линиям основного магнитного поля генератора, создаваемого магнитными полюсами. Это приводит к тому, что основное магнитное пате не только искажается, но и делается несколько слабее.

На рис. 2,6 приведена векторная диаграмма магнитных индукций: основного магнитного поля В, магнитного поля, обусловленного реакцией якоря В я, и результирующего магнитного поля В рез.

Здесь мы видим, что радиальная составляющая магнитной индукции результирующего магнитного поля стала меньше магнитной индукции В основного магнитного поля на величину Δ В. Следовательно, стала меньше и индуктированная электродвижущая сила, так как она обусловлена радиальной составляющей магнитной индукции. А это значит, что напряжение на зажимах генератора при всех прочих равных условиях будет меньше, чем напряжение при чисто активной нагрузке генератора.

Если генератор имеет нагрузку чисто емкостного характера, то ток в нем опережает по фазе электродвижущую силу на угол π/2 . Ток в проводниках якорной обмотки генератора теперь достигает максимума раньше, чем электродвижущая сила Е. Следовательно, когда в проводе якорной обмотки (рис. 2,в) ток достигнет максимального значения, северный полюс N еще не подойдет под этот провод.

В этом случае магнитные линии (пунктирные линии) магнитного потока якорной обмотки замыкаются через два соседних разноименных полюса N и S и направлены попутно с магнитными линиями основного магнитного поля генератора. Это приводит к тому, что основное магнитное поле генератора не только искажается, но и несколько усиливается.

На рис. 2,в приведена векторная диаграмма магнитной индукции: основного магнитного поля В , магнитного поля, обусловленного реакцией якоря Вя, и результирующего магнитного поля B рез. Мы видим, что радиальная составляющая магнитной индукции результирующего магнитного поля стала больше магнитной индукции В основного магнитного поля на величину Δ В. Следовательно, увеличилась и индуктированная электродвижущая сила генератора.А это значит, что напряжение на зажимах генератора при всех прочих одинаковых условиях станет больше, чем напряжение при чисто индуктивной нагрузке генератора.

Выяснив влияние реакции якоря на электродвижущую силу синхронного генератора при различных по своему характеру нагрузках, перейдем к выяснению внешней характеристики генератора. Внешней характеристикой синхронного генератора называется зависимость напряжения U на его зажимах от нагрузки I при постоянной скорости вращения ротора (n = const), постоянстве тока возбуждения (i в = const) и постоянстве коэффициента мощности (cos φ = const).

На рис. 3 приведены внешние характеристики синхронного генератора для различных по своему характеру нагрузок. Кривая 1 выражает внешнюю характеристику при активной нагрузке (cos φ = 1,0). В этом случае напряжение на зажимах генератора падает при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной в пределах 10 — 20% напряжения при холостом ходе генератора.

Кривая 2 выражает внешнюю характеристику при активно-индуктивной нагрузке (cos φ = 0 ,8). В этом случае напряжение на зажимах генератора падает быстрее из-за размагничивающего действия реакции якоря. При изменении нагрузки генератора от холостого хода до номинальной напряжение уменьшается в пределах 20 — 30% напряжения при холостом ходе.

Кривая 3 выражает внешнюю характеристику синхронного генератора при активно-емкостной нагрузке (cos φ = 0,8). В этом случае напряжение на зажимах генератора несколько растет из-за намагничивающего действия реакции якоря.

Рис. 3. Внешние характеристики генератора переменного тока для различных нагрузок: 1 — активной, 2 — индуктивной, 3 емкостной

Регулировочная характеристика синхронного генератора

Регулировочная характеристика синхронного генератора выражает зависимость тока возбуждения i в генератора от нагрузки I при постоянстве действующего значения напряжения на зажимах генератора (U = const), постоянстве числа оборотов ротора генератора в минуту ( n = const) и постоянстве коэффициента мощности (cos φ = const).

На рис. 4 приведены три регулировочные характеристики синхронного генератора. Кривая 1 относится к случаю активной нагрузки (cos φ = 1 ) .

Рис. 4. Регулировочные характеристики генератора переменного тока для различных нагрузок: 1 — активной, 2 — индуктивной, 3 — емкостной

Здесь мы видим, что с ростом нагрузки I генератора ток возбуждения растет. Это понятно, так как с ростом нагрузки I увеличивается падение напряжения в активном сопротивлении якорной обмотки генератора и требуется увеличить электродвижущую силу Е генератора путем увеличения тока возбуждения i в , чтобы сохранить постоянство напряжения U.

Кривая 2 относится к случаю активно-индуктивной нагрузки при cos φ = 0 ,8 . Эта кривая поднимается круче, чем кривая 1, вследствие размагничивающего действия реакции якоря, снижающего величину электродвижущей силы Е, и, следовательно, напряжение U на зажимах генератора.

Читать еще:  Двигатель 21120 доработка и тюнинг

Кривая 3 относится к случаю активно-емкостной нагрузки при cos φ = 0,8. Эта кривая показывает, что с ростом нагрузки генератора требуется меньший ток возбуждения iв генератора для поддержания постоянства напряжения на его зажимах. Это понятно, так как в этом случае реакция якоря усиливает основной магнитный поток и, следовательно, способствует увеличению электродвижущей силы генератора и напряжения на его зажимах.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Синхронная машина

Синхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой равна частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре.

Содержание

  • 1 Устройство
  • 2 Принцип действия
    • 2.1 Генераторный режим
    • 2.2 Двигательный режим
  • 3 Разновидности синхронных машин
    • 3.1 Бесконтактная синхронная машина
  • 4 Примечания
  • 5 См. также
  • 6 Ссылки

Устройство [ править | править код ]

Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор (обмотка возбуждения). Как правило, якорь располагается на статоре, а на отделённом от него зазором роторе находится индуктор — таким образом, по принципу действия синхронная машина представляет собой как бы «вывернутую наизнанку» машину постоянного тока, переменный ток для обмотки якоря которой не получается с помощью коллектора, а подводится извне.

Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. Поле якоря оказывает воздействие на поле индуктора и называется поэтому также полем реакции якоря. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора.

Индуктор состоит из полюсов — электромагнитов постоянного тока [1] или постоянных магнитов (в микромашинах). Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При не явнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, не заполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.

Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока, применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную (набранную из отдельных листов) конструкцию из электротехнической стали.

Принцип действия [ править | править код ]

Как всякая электромашина, синхронная машина может работать в режимах двигателя и генератора.

Генераторный режим [ править | править код ]

Обычно синхронные генераторы выполняют с якорем, расположенным на статоре, для удобства отвода электрической энергии. Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3. 2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух контактных колец не вызывает особых затруднений. Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции; при вращении ротора магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, сцепляется поочерёдно с каждой из фаз обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. В наиболее распространённом случае применения трёхфазной распределенной обмотки якоря в каждой из фаз, смещённых друг относительно друга на 120 градусов, индуцируется синусоидальная ЭДС. Соединяя фазы по стандартным схемам «треугольник» или «звезда», на выходе генератора получают трёхфазное напряжение, являющееся общепринятым стандартом для магистральных электросетей.

Частота индуцируемой ЭДС f [Гц] связана с частотой вращения ротора n [об/мин] соотношением:

f = n ⋅ p 60 <60>>> ,

где p — число пар полюсов.

Часто синхронные генераторы используют вместо коллекторных машин для генерации постоянного тока, подключая их обмотки якоря к трёхфазным выпрямителям — на тепловозах (например, ТЭП70, 2ТЭ116), автомобилях, летательных аппаратах. Это сделано из-за намного больших надёжности и межремонтного ресурса синхронных машин. [2] [3]

Двигательный режим [ править | править код ]

Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт щётка-кольцо), в маломощных, к примеру, в двигателях жёстких дисков — постоянные магниты. Существует обращённая конструкция двигателей, в которой якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а также в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники).

Запуск двигателя. Двигатель требует разгона до частоты, близкой к частоте вращения магнитного поля в зазоре, прежде чем сможет работать в синхронном режиме. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора: если индуктор расположен на статоре, то получается, что вращающееся магнитное поле вращающегося якоря (ротора) неподвижно относительно постоянного поля индуктора (статора), если индуктор на роторе, то магнитное поле вращающихся полюсов индуктора (ротора) неподвижно относительно вращающегося магнитного поля якоря (статора) — это явление называется «вход в синхронизм».

Для разгона обычно используется асинхронный режим [4] , при котором обмотки индуктора замыкаются через реостат или накоротко, как в асинхронной машине, для такого режима запуска в машинах на роторе делается короткозамкнутая обмотка, которая также выполняет роль успокоительной обмотки, устраняющей «раскачивание» ротора при синхронизации. После выхода на скорость, близкую к номинальной (> 95% — так называемая подсинхронная скорость), индуктор запитывают постоянным током.

В двигателях с постоянными магнитами применяется внешний разгонный двигатель либо частотно-регулируемый пуск, также частотное регулирование применяют на всех типах СД в рабочем режиме — например, на тяговых двигателях скоростного электропоезда TGV. Двигатели старых электропроигрывателей требовали ручного пуска — прокрутки пластинки рукой, позже в проигрывателях стали применяться асинхронные двигатели.

Иногда на валу крупных машин ставят небольшой генератор (постоянного тока или переменного тока с выпрямлением), т.н. возбудитель, который питает обмотку возбуждения. В некоторых случаях (например, на тепловозах) возбудитель установлен отдельно и приводится через повышающий редуктор. [5]

Частота вращения ротора n [об/мин] остаётся неизменной, жёстко связанной с частотой сети f [Гц] соотношением:

n = 60 f p

>> ,

где p — число пар полюсов статора, в зависимости от нагрузки машины меняется лишь угол нагрузки (угол тета) — электрический угол отставания или опережения поля возбуждения по отношению к полю якоря. При угле нагрузки более 90 электрических градусов машина выпадает из синхронизма — останавливается, если вал перегружен тормозным моментом, либо уходит на повышенные обороты, если машина работает в режиме генератора и недогружена электрической нагрузкой.

Синхронные двигатели при изменении возбуждения меняют косинус фи с ёмкостного на индуктивный. Перевозбуждённые СД на холостом ходу применяют в качестве компенсаторов реактивной мощности. Синхронные двигатели в промышленности обычно применяют при единичных мощностях свыше 300 кВт (воздуходувки, водоперекачивающие и нефтеперекачивающие насосы), к примеру, типа СТД, при меньших мощностях обычно применяется более простой (и надёжный), в том числе в запуске, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Разновидности синхронных машин [ править | править код ]

Гидрогенератор — явнополюсный синхронный генератор, предназначенный для выработки электрической энергии в работе от гидравлической турбины (при низких скоростях вращения, 50 — 600 мин –1 ).

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

Синхронный компенсатор — синхронный двигатель, предназначенный для выработки реактивной мощности, работающий без нагрузки на валу (в режиме холостого хода); при этом по обмотке якоря проходит практически только реактивный ток. Синхронный компенсатор может работать в режиме улучшения коэффициента мощности или в режиме стабилизации напряжения. Дает индуктивную нагрузку.

Машина двойного питания (в частности АСМ) — синхронная машина с питанием обмоток ротора и статора токами разной частоты, за счёт чего создаются несинхронные режимы работы.

Ударный генератор — синхронный генератор (как правило, трёхфазного тока), предназначенный для кратковременной работы в режиме короткого замыкания (КЗ).

Сельсин — маломощная синхронная машина, используемая как датчик угла поворота либо в паре с другим сельсином для передачи угла поворота без прямой механической связи.

Также существуют безредукторные, шаговые, индукторные, гистерезисные, бесконтактные синхронные двигатели.

Бесконтактная синхронная машина [ править | править код ]

В классической синхронной машине имеется слабое место — контактные кольца со щётками, изнашивающиеся быстрее других частей машины из-за электроэрозии и простого механического износа. Кроме того, искрение щёток может стать причиной взрыва. Поэтому сначала в авиации, а позже и в других областях (в частности, на автономных дизель-генераторах) получили распространение бесконтактные трёхмашинные синхронные генераторы. В корпусе такого агрегата размещены три машины — подвозбудитель, возбудитель и генератор, их роторы вращаются на общем валу. Подвозбудитель — синхронный генератор с возбуждением от вращающихся на роторе постоянных магнитов, его напряжение подаётся в блок управления генератором, где выпрямляется, регулируется и подаётся в обмотку статора возбудителя. Поле статора наводит в обмотке возбудителя ток, выпрямляемый размещённым на валу блоком вращающихся выпрямителей (БВВ) и идущий в обмотку возбуждения генератора. Генератор уже вырабатывает ток, идущий к потребителям.

Такая схема обеспечивает как отсутствие иных механических частей в двигателе, кроме подшипников, так и автономность работы генератора — всё время, пока генератор вращается, подвозбудитель даёт напряжение, которое может быть использовано для питания цепей управления генератором.

Словарь специальных терминов

Режим синхронного компенсатора (СК)

Синхронный компенсатор − синхронная машина, работающая в режиме электродвигателя без активной нагрузки. Включение синхронного компенсатора эквивалентно присоединению к электрической сети емкостной или индуктивной нагрузки (в зависимости от режима синхронного компенсатора); меняя характер нагрузки, регулируют напряжение и повышают коэффициент мощности сети.

Читать еще:  271 двигатель плавают обороты

Тиристорные системы возбуждения должны предусматривать возможность гашения поля генераторов и синхронных компенсаторов переводом преобразователя в инверторный режим.

В системах возбуждения со статическими преобразователями, выполненными по схеме самовозбуждения, а также в системах возбуждения с электромашинными возбудителями должно быть применено устройство АГП.

Синхронные компенсаторы при их достаточно большой мощности поддерживают напряжение в местах их присоединения.
Синхронные компенсаторы (СК) самосинхронизируются в процессе их асинхронного пуска. Если понижение напряжения в точке включения вызывает недопустимое по нормам понижение напряжения у потребителей, то используется включение СК через реактор, автоматически шунтируемый в конечной стадии пуска. После спадания тока включения до заданного значения минимальное реле тока в цепи статора подает команду на подачу возбуждения (как в случае включения генераторов) и, обычно одновременно, на шунтирование реактора. Отсутствие на валу СК механического момента облегчает и ускоряет втягивание их в синхронизм.
Синхронные компенсаторы (СК) в зависимости от мощности имеют электромашинное возбуждение постоянного тока с подвозбудителем, бесщеточную систему возбуждения или тиристорное (ионное) самовозбуждение.
Схема диодной бесщеточной системы. Синхронные компенсаторы работают в режимах как выдачи, так и потребления реактивной мощности. Поэтому необходимый для них диапазон регулирования возбуждения больше, чем для генераторов. Для сохранения УК в работе возможен переход к смешанной системе возбуждения.
Векторные диаграммы синхронного компенсатора. U-образная характеристика синхронного компенсатора при Uc=const. Синхронные компенсаторы работают при угле нагрузки 0, и нет необходимости заботиться о его статической перегружаемости. Так как в обмотках синхронного компенсатора протекают реактивные токи, которые не создают динамических усилий, крепление лобовых частей менее прочное, чем в турбогенераторах.
Технические данные крупнейших капсульных гидрогенераторов. Технические данные генераторов общего назначения. Технические данные синхронных компенсаторов серий КС и КСВ. Турбогенератор типа ТВВ-320-2. Синхронные компенсаторы выполняются на базе синхронных генераторов закрытыми, с воздушным косвенным или водородным охлаждением и предназначаются для работы в закрытых помещениях. Предусматривается асинхронный пуск компенсаторов при пониженном (до 40-50 %) напряжении.
Синхронные компенсаторы (СК) представляют собой генераторы реактивной мощности, с помощью которых путем изменения распределения реактивной мощности в сети ведется автоматическое регулирование напряжения на шинах подстанций.
Синхронные компенсаторы имеют некоторые конструктивные особенности по сравнению с другими синхронными машинами. Они имеют облегченную механическую конструкцию, так как не несут механической нагрузки, и увеличенное сечение обмотки возбуждения, которая рассчитывается на длительную работу в режиме перевозбуждения. Пуск синхронных компенсаторов производится так же, как и синхронных двигателей.
Синхронные компенсаторы традиционно имеют большое значение для выдачи и потребления реактивной мощности в установившихся и переходных режимах. Они повышают качество электроэнергии за счет стабилизации напряжения в энергосистемах, увеличивают пропускную способность электропередач переменного тока ультравысоких напряжений, обеспечивают работоспособность электропередач и вставок постоянного тока за счет выдачи реактивной мощности инверторным подстанциям. Установка синхронных компенсаторов в энергосистемах уменьшает циркуляцию реактивных токов между электростанциями и потребителями. Компенсаторы имеют массивные полюсы или шихтованные полюсы с успокоительной или демпферной системой, поэтому их сверхпереходные сопротивления малы (порядка 0.2) и они являются хорошими фильтрами высших гармонических составляющих напряжений и токов в сети.
Синхронный компенсатор работает без нагрузки, поэтому потребляемая им из сети активная мощность незначительна и расходуется на покрытие потерь в компенсаторе.
Схемы типовых унифицированных подстанций 110 кВ.
Синхронный компенсатор присоединяется непосредственно к обмотке НН AT по блочной схеме с пуском через реактор.
Синхронные компенсаторы с водородным охлаждением имеют некоторые конструктивные особенности, отличающие их от подобных турбогенераторов.
Синхронные компенсаторы применяются в электрических системах как генераторы реактивной мощности для снижения потерь мощности в сетях, повышения устойчивости протяженных передач и для осуществления поперечной компенсации. В тех случаях, когда в системе отсутствует регулирование напряжения переключением ответвлений трансформаторов под нагрузкой, синхронные компенсаторы используются для регулирования напряжения. В установках потребителей синхронные компенсаторы используются также для повышения коэффициента мощности.
Синхронные компенсаторы обычно устанавливаются на подстанциях и служат для регулирования напряжения в сети. Синхронные компенсаторы по существу представляют собой крупные синхронные двигатели, работающие на холостом ходу, с широким диапазоном изменения тока возбуждения. В режиме перевозбуждения компенсаторы выдают реактивную мощность в сеть, а в режиме недовозбуждения потребляют ее из сети.
Синхронный компенсатор может работать с опережающим или отстающим током, являясь либо генератором, либо потребителем реактивной мощности, и при его применении возможно регулирование напряжения вверх и вниз от напряжения, подведенного к нему.
Синхронные компенсаторы и двигатели при коротком замыкании также генерируют токи короткого замыкания, и поэтому при мощности большей 1000 кВт включаются в расчетную схему.
Синхронные компенсаторы применяют для регулирования режимов работы энергетических систем, для поддержания оптимального уровня напряжения, снижения потерь электроэнергии в сетях, увеличения пропускной способности и обеспечения устойчивости энергосистем.
Синхронные компенсаторы представляют собой синхронные машины, работающие в режиме двигателя без активной нагрузки и генерирующие в сеть реактивный опережающий (емкостный) или отстающий (индуктивный) ток.
Синхронные компенсаторы мощностью 10; 16 и 25 MB·А выпускаются с воздушным охлаждением. Напряжение компенсаторов мощностью до 16 MB·А – 6 3 и 10 5 кВ, мощностью 25 MB·А — 10 5 кВ, частота вращения 1000 об / мин. Устанавливаются компенсаторы в закрытом помещении. Исполнение компенсаторов — закрытое, с опорными стояковыми подшипниками.
Расчетные параметры различных компенсирующих устройств. Синхронные компенсаторы — менее экономичные компенсирующие устройства, чем синхронные электродвигатели или конденсаторы. Их применение на районных подстанциях энергосистем позволяет автоматически регулировать напряжение в сети и повышать устойчивость работы энергосистемы при коротких замыканиях.
Синхронные компенсаторы хотя и обладают большими потерями по сравнению с косинусными конденсаторами, но их установка оказывается необходимой по условиям работы энергосистемы для обеспечения устойчивости и регулирования напряжения в энергосистеме. В периоды максимальной нагрузки синхронные компенсаторы могут работать в режиме перевозбуждения, отдавая реактивную мощность, а в периоды снижения нагрузки, если это требуется, могут работать с недовозбуждением, потребляя реактивную мощность. Таким образом, синхронные компенсаторы могут регулировать напряжение на приемных концах сети.
Синхронные компенсаторы устанавливаются на напряжении 6 — 10 кВ приемных подстанций.
Синхронные компенсаторы в соответствии с ГОСТ 609 — 66 выпускаются мощностью 10; 16; 25; 32; 50; 100; 160 MB·А. Их номинальные параметры находятся в следующих пределах: напряжение от 6,6 до 15,75 кВ, ток от 0,45 до 5,9 кА, частота вращения 1000 и 750 об/мин.
Синхронный компенсатор может работать в режиме улучшения cos φ или в режиме стабилизатора напряжения.

Синхронный компенсатор представляет собой синхронный двигатель, работающий без нагрузки. При работе синхронного двигателя с перевозбуждением в цепи статорной обмотки появляется ток Iх, опережающий по фазе напряжение сети Uc.
Синхронные компенсаторы применяются также для стабилизации напряжения в сети.
Синхронные компенсаторы для наружной установки (СК) выполняются как с воздушным, так и с водородным охлаждением. При мощности 50 МВ·А и выше применяется главным образом водородное охлаждение.
Синхронный компенсатор — это синхронный двигатель, предназначенный для работы без механической нагрузки в режиме перевозбуждения только для улучшения cos φ в сети.
Синхронный компенсатор является как генератором, так и потребителем реактивной мощности.
Синхронные компенсаторы применяются в качестве генераторов реактивной мощности для повышения коэффициента мощности нагрузки предприятий, а также для регулирования величины напряжения. Они отличаются от синхронных двигателей более легкой конструкцией, так как работают в режиме холостого хода без механической нагрузки.
Синхронные компенсаторы изготавливаются отечественной промышленностью только на значительные номинальные мощности, так как их применение оказывается технико-экономически обоснованным только при значительных размерах потребной компенсирующей мощности.
Технические данные синхронных компенсаторов. Синхронные компенсаторы присоединяются, как правило, к шинам вторичного (генераторного) напряжения главных понизительных подстанций предприятий.
Технические данные синхронных компенсаторов. Синхронные компенсаторы предназначаются для изменения коэффициента мощности и представляют собой синхронные электродвигатели облегченной в механическом отношении конструкции, работающие от сети в режиме холостого хода, с перевозбуждением — для улучшения коэффициента мощности. Синхронные компенсаторы изготовляются на значительные номинальные мощности. Поэтому они применимы только при значительных размерах потребной компенсирующей мощности.
Синхронные компенсаторы присоединяются, как правило, к шинам генераторного напряжения главных понизительных промышленных подстанций.
Синхронные компенсаторы являются синхронными двигателями, работающими в режиме холостого хода при регулируемом в широких пределах токе возбуждения.
Синхронные компенсаторы в зависимости от мощности имеют водородное или воздушное охлаждение, однако для проектируемых мощностью 250 MB·А и более предусматривают жидкостное охлаждение.
Синхронные компенсаторы изготовляют с горизонтальным валом и явно выраженными полюсами ротора обычно с частотой вращения 750 — 1000 об/мин.
Синхронные компенсаторы обладают некоторыми конструктивными особенностями по сравнению с другими синхронными машинами. Они имеют облегченную механическую конструкцию, так как не несут механической нагрузки, и увеличенное сечение обмотки возбуждения, которая рассчитывается на длительную работу в режиме перевозбуждения. Пуск синхронных компенсаторов производится так же, как и синхронных двигателей.
Синхронные компенсаторы проверяются на устойчивость тем же способом, что и синхронные двигатели.
Синхронный компенсатор 6 кВ, 7500 кВт Дано: 7 4000 ч/год; зу.
Синхронный компенсатор имеет асинхронный реакторный пуск с применением 10-кратного сопротивления в роторе. Для ускорения останова СК применяется динамическое торможение. Предусматривается регулирование реактивного тока таким образом, чтобы емкостный реактивный ток СК соответствовал реактивной толчковой нагрузке (в данном случае вентильных преобразователей), имеющей индуктивный характер. Это позволяет компенсировать толчки реактивной нагрузки от вентильных электроприводов и вызываемые ими колебания напряжения на шинах 6 — 10 кВ питающей подстанции. Одновременно решается задача повышения коэффициента мощности. Недостатками описанного компенсатора являются большие габариты и масса, а также значительные потери вследствие низкой частоты вращения.
Синхронные компенсаторы больше всего подходят при относительно большом полном сопротивлении системы переменного тока, с которой соединена передача, так как они могут выполнять двойные функции: ограниченного поддержания уровня напряжения в системе и создания низкого полного сопротивления для гармоник тока, создаваемых преобразовательной установкой. При низком полном сопротивлении системы переменного тока имеются практические и технические трудности в изготовлении синхронных компенсаторов, которые бы удовлетворяли всем требованиям, необходимым для обеспечения работы преобразователя.
Синхронные компенсаторы, установленные на промежуточных подстанциях, делят линию на самостоятельные участки, поддерживая напряжения в начале и конце каждого участка.
Синхронные компенсаторы, работающие на крупных узловых подстанциях наших энергосистем, представляют собой мощные высоковольтные синхронные машины.
Синхронные компенсаторы, работающие в наших энергосистемах, в подавляющей части выпущены отечественными заводами, главным образом ленинградским заводом Электросила. За последние годы установки синхронных компенсаторов значительно изменились как по типу агрегатов, так и по вспомогательному оборудованию.
Схема относительного положения шейки вала 2. Синхронные компенсаторы строятся пока исключительно как тихоходные машины (от 600 до 1000 об/мин), преимущественно на 750 об/мин, и подшипники их выполняются со смазочными кольцами, в том числе и при охлаждении маслом.
Синхронные компенсаторы с быстродействующей системой возбуждения являются сложными и громоздкими устройствами, имеющими вращающиеся части.
Синхронные компенсаторы служат для повышения коэффициента мощности (cos φ) электрических установок промышленных предприятий и стабилизации напряжения в электрических сетях, ибо перевозбужденная синхронная машина в режиме холостого хода по отношению к сети эквивалентна конденсатору. Недовозбужденная синхронная машина, работающая вхолостую, по отношению к сети эквивалентна индуктивности. Действительно, изменяя ток возбуждения синхронной машины, можно менять реактивную мощность, отдаваемую синхронным компенсатором в сеть или потребляемую им из сети.
Синхронный компенсатор — это один из видов синхронной машины, предназначенный для работы в качестве источника реактивной мощности — без активной нагрузки на валу.
Синхронные компенсаторы специально устанавливаются для выработки только реактивной мощности в дополнение к основным источникам. Поэтому удельные затраты (руб/квартал) на выработку реактивной мощности генератором и двигателем практически равны нулю, так как капитальные затраты на их установку относятся по прямому назначению машин. Затраты на установку СК относятся на реактивную мощность, так как производство реактивной мощности и является прямым назначением СК.

Читать еще:  Шумно работает двигатель киа соренто

Лабораторная работа №10 Испытание синхронного двигателя

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10

Испытание синхронного двигателя

Изучить принцип действия и устройство трехфазного синхронного двигателя.

Ознакомиться с особенностями и порядком пуска в ход синхронного двигателя.

Снять и построить U-образные характеристики. Убедиться, что перевозбужденный синхронный двигатель одновременно служит источником реактивной энергии и может использоваться для повышения коэффициента мощности электроустановок.

Снять и построить механическую и рабочие характеристики. Выявить основные свойства синхронного двигателя и области его применения

Указания к работе

Используя рекомендованную литературу, ознакомиться с принципом работы, конструкцией и назначением основных частей трехфазного синхронного двигателя.

Синхронным двигателем называется двигатель переменного тока, у которого частота вращения т. е. скорость ротора, равна частоте вращения магнитного поля и не зависит от нагрузки на валу.

Статор синхронного двигателя не отличается по конструкции от статора асинхронного двигателя. В пазы сердечника статора укладывается трехфазная обмотка. Каждая фаза занимает 1/3 пазов. Таким образом, все три фазы А, В и С обмотки статора смещены в пространстве под углом 1200 друг к другу. Обмотка соединяется по схеме ”звезда” или ”треугольник” и включается в сеть трехфазного тока. При этом создается вращающееся магнитное поле. Частота вращения магнитного поля no называется синхронной. Синхронная частота вращения определяется числом пар полюсов статорной обмотки р и частотой изменения тока в сети f:

Ротор синхронного двигателя представляет собой электромагнит постоянного тока. Он может иметь ярко выраженные и неявновыраженные полюсы. Постоянный ток в обмотку ротора подается от постороннего источника (возбудителя) через щетки и два контактных кольца.

Следует обратить внимание на особенности пуска двигателя. Как известно, синхронный двигатель не имеет собственного пускового момента и не может разогнаться без посторонней помощи. В связи с этим на роторе устанавливается дополнительная пусковая обмотка, выполненная по типу ”беличьего колеса” асинхронного двигателя. Пуск двигателя производится в два этапа. Сначала осуществляется асинхронный запуск, при котором ротор разгоняется до скорости близкой к синхронной (0,95no), благодаря пусковой обмотке. Затем подается постоянный ток в обмотку возбуждения ротора и двигатель автоматически втягивается в синхронизм.

Достоинства синхронного двигателя:

— высокие технико-экономические показатели (КПД и);

— абсолютно жесткая механическая характеристика;

— возможность генерирования реактивной энергии;

— возможность конструирования тихоходных двигателей (с частотой вращения 94 — 100 об/мин) при сохранении высоких технико-экономических показателей;

— сравнительно высокая перегрузочная способность (т. е. отношение максимального вращающего момента к номинальному).

* сложность конструкции и дороговизна;

* сложность регулирования скорости;

* необходимость в источниках переменного и постоянного тока;

* сложность пуска и реверсирования.

Применение. Синхронные двигатели применяют в установках средней и большой мощности (более 100 кВт), не требующих частых пусков, реверсирования и регулирования скорости. К ним относятся привода мощных насосов, компрессоров, воздуходувок, вентиляторов, аэродинамических труб и т. д.

Рабочее задание

1. Ознакомиться со схемой лабораторной установки, приведенной на рисунке 1. На схеме приняты следующие обозначения:

— выводы обмотки возбуждения синхронного двигателя;

— резистор для регулирования тока возбуждения IB синхронного двигателя;

— генератор постоянного тока. Служит нагрузкой для синхронного двигателя;

— обмотка возбуждения генератора;

— резистор для регулирования тока возбуждения нагрузочного генератора;

— амперметр. Измеряет ток нагрузочного генератора IГ;

— нагрузочный резистор. Величину сопротивления отдельных ступеней резистора RH можно изменять с помощью тумблеров 1,2,3. 7. При этом изменяется ток генератора IГ и, следовательно, нагрузка на валу;

— вольтметр. Измеряет напряжение генератора;

— трехполюсный выключатель. Служит для включения статорной обмотки в сеть при пуске синхронного двигателя;

— автомат для подачи возбуждения в ротор СД;

— автомат для включения обмотки возбуждения нагрузочного генератора;

— вольтметр. Измеряет линейное напряжение UC, подводимое к статорной обмотке синхронного двигателя;

— амперметр. Измеряет линейный ток IC статорной обмотки СД;

— амперметр. Измеряет ток возбуждения IB обмотки ротора СД;

— фазометр. Измеряет коэффициент мощности синхронного двигателя;

— тахометр. Служит для измерения частоты вращения двигателя.

2. Записать паспортные данные синхронного двигателя и основные сведения об электроизмерительных приборах.

Паспортные данные, указанные на корпусе двигателя, для удобства вынесены на лабораторный стенд.

В паспорте указать: тип двигателя —;

— номинальное напряжение двигателя в В;

— номинальная мощность на валу в кВт;

— номинальный ток статора в А;

— номинальная (синхронная) скорость в об/мин;

— номинальный К. П.Д. в %;

— номинальный ток возбуждения в А;

— номинальный коэффициент мощности;

— частота сети в Гц.

Определить число пар полюсов р, используя выражение (1).

Определить номинальный момент на валу:

.

Основные сведения об электроизмерительных приборах внести в таблицу 1.

Наименование и марка прибора

Диапазон измерения прибора

Рис. 1. Схема лабораторной установки

3. Пуск синхронного двигателя.

Собрать цепь обмотки возбуждения, показанную пунктиром на схеме рис. 1 и под наблюдением преподавателя осуществить пуск синхронного двигателя.

Порядок операций при пуске:

* убедиться, что автоматы АВД и АВГ отключены;

* поворотом ключа К (по часовой стрелке) подать напряжение на обмотку статора двигателя;

* когда стрелка тахометра n приблизится к отметке 1500 об/мин (зеленая метка), подать возбуждение автоматом АВД;

* для остановки двигателя отключить статор двигателя ключом К. Затем обесточить обмотку возбуждения ротора автоматом АВД.

4. U-образные характеристики.

Снять и построить U-образные характеристики IC = f(IB) при холстом ходе и в нагрузочном режиме.

Характеристики снимаются для трех значений нагрузочного момента.

а) М1 = 0 (холостой ход)

б) М2 = 0,3МН (нагрузочный режим)

Рис. 2. U-образные характеристики

По указанию преподавателя значения моментов могут быть изменены. Общий вид U-образных характеристик показан на рис. 2.

С особой тщательностью должна быть снята точка характеристики, соответствующая минимальному току статора. По показаниям фазометра этой точке должен соответствовать cos j = 1. Следовательно, ток статора имеет только активную составляющую. При моменте М = 0 этот ток обусловлен только потерями в двигателе. Указанный режим работы называется режимом нормального возбуждения. При этом ток возбуждения равен IBH.

При уменьшении тока возбуждения IB IBH наступает режим перевозбуждения. Он характеризуется потреблением из сети дополнительной емкостной составляющей тока. Ток статора снова растет (правая часть характеристики), а двигатель, подобно конденсатору, становится источником реактивной энергии. Этот режим имеет важное значение для повышения коэффициента мощности электроустановок.

При снятии U-образной характеристики в режиме холостого хода М1 = 0 должна соблюдаться следующая последовательность операций:

а) убедиться, что двигатель вращается в режиме холостого хода (ток генератора IГ = 0, автомат АВГ отключен);

б) изменяя ток ротора IB перемещением движка резистора RД из одного крайнего положения в другое, записать в таблицу 2 результаты 10-12 измерений. В таблицу вносятся значения тока ротора IB, тока статора IC и cosj с указанием характера (”емк.” или ”инд.”). При зашкаливании стрелки фазометра указать лишь характер cos j.

Последовательность операций при снятии U-образной характеристики в режиме нагрузки:

а) получить у преподавателя значения нагрузочного тока генератора IГ = IГ1 и IГ = IГ2;

б) осуществить пуск двигателя (см. пункт 3);

в) включить АВГ и движком резистора RГ установить напряжение генератора UГ = 110 В;

г) тумблерами 1,2,3. 7 установить заданный ток генератора IГ = IГ1;

д) изменяя ток возбуждения IB резистора RД, записать в таблицу 2 результаты 10-12 измерений (следить за напряжением генератора и при необходимости поддерживать UГ = 110 В);

е) повторить измерения при токе нагрузочного генератора IГ = IГ2. Результаты записать в таблицу 2.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector