Синхронные машины

Автор: Пользователь скрыл имя, 17 Марта 2012 в 15:15, курс лекций

Описание работы

Статор синхронной машины имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины. Трехфазная или в общем случае m-фазная обмотка машины выполняется с таким же числом полюсов, как и ротор, и называется так же обмоткой. Сердечник ротора вместе с обмоткой называется также якорем. На рис. условно показаны только выводные концы А, В, С обмотки статора.

Работа содержит 1 файл

Лекции (Синхронник).doc

— 1.17 Мб (Скачать)

Рис 2.

необходимо питать от посторонних источ­ников. Частотный пуск происходит наиболее благоприятно при условии, когда ток возбуждения генератора в начале пуска при­мерно равен номинальному, а ток возбуждения двигателя равен о характеристике холостого хода току возбуждения при U = Uн и п = nн

В последние годы внедряются системы возбуждения синхронных двигателей с питанием обмотки возбуждения от сети переменного тока через полупроводниковые выпрямители.

 

Векторные диаграммы синхронных двигателей

 

Векторные диаграммы синхронных двигателей можно изобра­жать двояким образом.

Рис.

На диаграмме рис.  а ток I как и у генератора, рассматривается как отдаваемый в сеть. Проек­ция этого тока на направление U отрицательна, что свидетельствует о том, что активная составляющая тока в действительности потреб­ляется из сети.

Если на диаграмме рис. а вектор тока повернуть на 180° и изменить знак у вектора , так как положительные направления I и должны изменяться одновременно, то получим диаграмму рис. б, на которой ток I надо рассматривать как потребляемый из сети. Проекция I на

направление U положительна, что указывает на потребление активного тока из сети.

Из рис. а следует, что отдаваемая в сеть активная мощность

                           

а в соответствии с рис., б потребляемая из сети активная мощ­ность

             

Диаграммы соответствуют перевозбужденному двига­телю, и такой двигатель, согласно рис. а, отдает в сеть отстающий ток, а согласно рис. б, потребляет из сети. 

Если     рассматривается              только двигательный режим синхронной машины, то более              удобно пользоваться диаграммой рис. б.

 

 

Рабочие характеристики синхронного двигателя

 

Рабочие характеристики синхронного двигателя мощностью Pн = 560 кет при U = Un f = fn и if = ifn, = const изображены в относительных единицах на рис.

Двигатель работает с пере­возбуждением, его cos с уменьшением полезной мощности Р2 также уменьшается, а отдаваемая в сеть реактивная мощность Q увеличивается. Отсюда следует, что перевозбуждеииые недогружен­ные синхронные двигатели в отличие от асинхронных способствуют улучшению коэффициента мощности сети.

 

 

Синхронные компенсаторы

 

Как уже указывалось в синхронные компенсаторы предназначаются для компенсации коэффициента мощности сети и поддержания нормального уровня напряжения сети в районах сосредоточения потребительских нагрузок. Нормальным являемся перевозбужденный режим работы синхронного компенсатора, когда он отдает в сеть реактивную мощность

В связи с этим компенсаторы, как и служащие для этих же целей батареи конденсаторов, устанавливаемые на потребительских подстанциях, называют также генераторами реактивной мощности. Однако в периоды спада потребительских нагрузок (например, ночью) нередко возникает необходимость работы синхронных ком­пенсаторов также в недовозбужденном режиме, когда они потребляют из сети индуктивный ток и реактивную мощность, так как в этих случаях напряжение сети стремится возрасти и для поддержания его на нормальном уровне необходимо загрузить сеть индуктивными токами, вызывающими в ней дополнительные падения напряжения.

Для этого каждый синхронный компенсатор снаб­жается автоматическим-регулятором возбуждения или напряжения, который регулирует величину его тока возбуждения так, что напря­жение на зажимах компенсатора остается/постоянным.

Синхронные компенсаторы лишены приводных двигателей и с точки зрения режима своей работы в сущности являются синхрон­ными двигателями, работающими на холостом ходу.              

Для осуществления асинхронного пуска все синхронные компен­саторы снабжаются пусковыми обмотками в полюсных наконечни­ках или их полюсы делаются массивными. При этом используется способ прямого, а в необходимых случаях — способ реакторного пуска. В некоторых случаях мощные компенсаторы пускаются в ход также с помощью пусковых фазных асинхронных двигателей, укреп­ляемых с ними на одном валу. Для синхронизации с сетью при этом обычно используется метод самосинхронизации.

Так как синхронные компенсаторы не развивают активной мощ­ности, то вопрос о статической устойчивости работы для них теряет остроту. Поэтому они изготовляются с мень­шим воздушным зазором, чем генераторы и двигатели, Умень­шение зазора позволяет облегчить обмотку возбуждения и удеше­вить машину.

Номинальная полная мощность синхронного компенсатора

                           

соответствует его работе с перевозбуждением. Наибольшие значения тока и мощности в недовозбужденном режиме получаются при работе в реактивном режиме с if = 0 и Е = 0. Если пренебречь потерями, то,

             

полная мощность

             

В большинстве случаев в недовозбужденном режиме требуются меньшие мощности, чем в перевозбужденном, но в некоторых случаях необходима большая мощность. Этого можно достигнуть увеличением зазора, однако это приводит к удо­рожанию машины, и поэтому в последнее время ставится вопрос об использовании режима с отрицательным током возбуждения. Поскольку синхронный компенсатор по активной мощности загружен только потерями, то, согласно он может работать устойчиво также с небольшим отрицательным возбуждением.

В ряде случаев в маловодные периоды для работы в режиме компенсаторов используются также генераторы гидроэлектро­станций.

 

Работа синхронных генераторов при несимметричной нагрузке

 

Обмотка статора синхронных генераторов обычно включается в звезду, причем нулевая точка в малых машинах изолирована, а в крупных машинах с целью выполнения релейной защиты от замыкании на землю заземляется через большое сопротивление. Поэтому токи нулевой последовательности либо отсутствуют, либо весьма невелики.

В силу этого при несимметричной нагрузке синхронных генераторов, кроме токов прямой последовательности, практи­чески существуют только токи обратной последовательности.

Последние вызывают в машине ряд нежелательных явлений и де­лают режим работы машины тяжелым.

 

Потери энергии и нагрев ротора.

 

Токи двойной частоты, индуктируемые в роторе магнитным полем статора обратной последовательности, вызывают в роторе излишние потери и его нагрев, а также уменьшение к.п.д. машины.

Токи, индуктируемые обратным полем в успокоительных обмот­ках явнополюсных машин и в массивном роторе турбогенераторов, могут быть весьма значительными, а активные сопротивления этим токам под влиянием поверхностного эффекта будут большими.

Поэтому при значительной несимметрии нагрузки возникает чрезмерный и опасный нагрев успокоительных обмоток и массив­ных роторов.

Высокая температура тела ротора турбогенератора вызывает опасные деформации ротора и вероятность повреждения изоляции обмотки возбуждения. Нагрев успокоительной обмотки явнополюсной машины мало влияет на температуру обмотки возбуждения ввиду удаленности этих обмоток друг от друга и лучших условий охлаж­дения обмотки возбуждения явнополюсных машин.

Токи, индуктируемые обратным полем в обмотке возбуждения, меньше из-за большего сопротивления рассеяния этой обмотки. Поэтому в явнополюсных машинах дополнительный нагрев обмотки возбуждения при несимметричной нагрузке невелик.

 

Вибрация.

 

В результате взаимодействия потока возбуждения и потока обратной последовательности статора, а также поля прямой последовательности статора и поля токов двойной частоты ротора при несимметричной нагрузке на ротор и статор действуют знако­переменные вращающие моменты и тангенциальные силы, пульси­рующие с частотой

             

              Кроме того, вследствие этих же причин возникают пульсирую­щие радиальные силы притяжения и отталкивания между полюсами полей статора и ротора, стремящиеся деформировать статор и ротор. Эти силы вызывают вибрацию частей машины, шум и ослабление запрессовки сердечника статора. Пульсирующие силы двойной час­тоты ввиду усталостных явлений могут также вредно отразиться на прочности сварных соединений, в особенности при наличии дефектов сварки. Все указанные факторы, естественно, тем сильнее, чем боль­ше несимметрия нагрузки.

Искажение симметрии напряжении. Токи обратной последова­тельности вызывают в фазах обмотки статора падения напряжения

Z2I2 векторы которых ориентированы относительно напряжений прямой последовательности в разных фазах по разному.

В результате этого симметрия напряжений генератора иска­жается и напряжения более загруженных фаз будут меньше. Это ухудшает условия работы приемников, в особенности асинхрон­ных и синхронных двигателей.

В машинах с успокоительными обмотками и массивными рото­рами или полюсами Z2 меньше, вследствие чего и искажение сим­метрии напряжений у них меньше. Физически это объясняется тем, что в таких машинах поток обратной последовательности статора в значительной степени заглушается токами, индуктируе­мыми в роторе, и поэтому этот поток индуктирует в фазах обмотки

Высшие гармоники токов и напряжении. Как было устано­влено выше, ввиду неравенства сопротивлений по продольной  и поперечной осям возникает третья гармоника тока с частотой 3f1. В особенности сильное искажение формы кри­вой тока происходит при несиммитричных коротких замыканиях, так как при этом сглаживающее влияние внешних индуктив­ных сопротивлений исчезает или ослабляется. В качестве примера на рис. изображена форма кривой тока при двухфазном корот­ком замыкании.

Высшие гармоники ток» могут вызвать опасные резонансные явления, если в цепях обмоток статора имеются емкости (напри­мер, емкость длинных линий передачи и пр.).

В результате резонанса напряжений на зажимах обмотки статора возникают напряжения повышенных частот, которые могут превы­сить номинальные напряжения во много раз и повредить изоляцию машины. Это является одной из причин того, что мощные гидрогене­раторы, работающие на длинные линии передачи, обычно снабжаются успокоительными обмотками. При наличии успокоительных обмоток, вследствие чего в этом случае токи остаются синусоидальными и опасность указанных перенапряжений исче­зает.

Допустимая несимметрия нагрузки ограничивается прежде всего необходимостью предотвращения опасного нагрева ротора, а также вибрации машины.

 

колебания синхронных машин

 

При колебаниях или качаниях синхронной машины ее ротор вращается неравномерно я скорость его колеблется с некоторой частотой около среднего значения. Наибольший практический интерес представляет случай, когда машина работает параллельно с мощной сетью, частоту f1 тока кото­рой можно считать постоянной. В этом случае колебания угловой скорости ротора происходят около синхронной угловой скорости

             

Одновременно с колебаниями происходят также колебания угла нагрузки .

Действительно, при >c ротор забегает вперед и угол между векторами и при работе в режиме генератора увеличи­вается, а при c уменьшается.

 

Колебания угла в свою очередь неразрывно связаны, как следует из векторных диаграмм, с колебаниями величин мощности Р и тока якоря I.

Поэтому внешне колебания синхронной машины проявляются в колебаниях стрелок ваттметров и амперметров. Чем больше амплитуда колебаний и , тем больше также колебания Р и I. Если мощность сети мала, то возникают также колебания величины напряжения U.

При ротор вращается с некоторым скольжением s отно­сительно магнитного поля статора, и поэтому при колебаниях син­хронной машины колеблется также величина s. На рис. представлены

кривые затухающих колебаний. Индексы 1 относятся к исходному режиму, до начала колебаний, а индексы 2 — к последующему режиму, после затухания колебаний.

В ряде случаев возникают весьма сильные колебания синхрон­ных машин, которые серьезным образом нарушают их нормаль­ную работу, а также работу энергосистемы в целом.

При колебаниях в синхронных машинах происходят сложные переходные процессы, которые ниже рассматриваются лишь в основ­ных чертах и преимущественно с физической точки зрения.

Колебания синхронных машин бывают вынужденные и свобод­ные.

 

Вынужденные колебания

 

Вынужденные колебания синхронной машины возникают в случаях, когда механический момент на валу непостоянен и содержит пульсирующие составляющие.

Чаще всего это бывает при соединении синхронных машин с порш­невыми машинами (например, дизельный первичный двигатель у генератора и поршневой компрессор у двигателя).

Вынужденные колебания становятся особенно сильными, неже­лательными и опасными, когда их частота близка к частоте соб­ственных или свободных колебаний  и поэтому возникают резо­нансные явления, а также когда в общую сеть включено несколько синхронных машин, имеющих вынужденные колебания с одинако­выми или кратными частотами. Например, иногда возникают затруд­нения при параллельной работе так называемых синхронных дизель-генераторов, первичными двигателями которых являются дизели.

Для уменьшения вынужденных колебаний дизель-генераторы, а часто также двигатели поршневых компрессоров снабжаются маховиками. Маховики иногда присоединяются непосредственно к роторному колесу синхронной машины или ротор машины выпол­няется с повышенным маховым моментом (больший диаметр и вес). Дизель-генераторы имеют для уменьшения колебаний также успо­коительные обмотки

Информация о работе Синхронные машины