Синхронные машины

     Магнитное поле в синхронной машине при этом создается  емкостным током  I, отдаваемым машиной в сеть, или, что то же самое, индуктивным током, потребляемым машиной из сети. При самовозбуждении ротор синхронной машины может вращаться синхронно с магнитным полем статора (синхронное самовозбуждение) или асинхронно с ним (асинхронное самовозбуждение). Для выяснения условии самовозбуждения рассмотрим работу одиночного генератора на емкость (рис.а).

     

     Рис а.

     Синхронное  самовозбуждение. 

     При наличии остаточного магнитного потока при вращении ротора в обмотке якоря индуктируется некоторая э. д. с. Е. Эта э. д. с. при работе по схеме вызывает в цепи якоря емкостный ток I, который создает намагничивающую реакцию якоря. В результате магнитный поток, индуктируемая в якоре э. д.с. и ток I увеличиваются и т.д.

     

     

       Этот процесс самовозбуждения  аналогичен самовозбуждению генератора постоянного тока с той лишь разницей, что в данном случае поток машины создается самим током якоря.

     На  рис. изображена зависимость напряжения генератора от емкостного тока якоря I.

     

     Если  положить r_а = 0, то

                 

     Зависимость U_г = f (I) практически идентична с характеристикой холостого хода U_г = I (i_f), если ток возбуждения i_f привести к обмотке якоря. Вследствие насыщения величина x_d вдоль кривой U_г=f(I) изменяется.

     С другой стороны, напряжение на конденсаторах

                 

     и зависимость U_c= f (I) прямолинейна

     В точке А U_г = U_c. и поэтому увеличение I прекращается и процесс самовозбуждения заканчивается.

     Самовозбуждение представляет собой нежелательное  явление, так как оно неуправляемо и напряжения и токи при этом могут  достичь опасных значений.

Асинхронное самовозбуждение

 

     Асинхронное возбуждение синхронной машины того же вида, как н в асинхронных  машинах происходит н случае, когда  емкость настолько велика, что  х_c < . Этот вид самовозбуждения возможен только при наличии на роторе замкнутых обмоток или контуров тока, в которых при асинхронном вращении ротора относительно поля якоря индуктируются токи. Если при этом ротор в электрическом отношении симметричен (рис. в), то амплитуда тока якоря в установившемся режиме будет постоянной, а при или (явнополюсная машина без успокоительной обмотки) ток якоря пульсирует (рис. г).

     В области  самовозбуждение носит промежуточный характер, когда относительная скорость ротора и поля якоря резко неравномерна и ротор периодически «проскальзывает» относительно поля якоря на величину полюсного деления. В результате медленные изменения угла нагрузки чередуются с быстрыми (рис.1). Ток якоря при этом также пульсирует  и самовозбуждение, происходит только при замкнутой обмотке возбуждения. Такой вид самовозбуждения называют также репульсионно-синхронным. 
 

     

     Рис в.

     

     Рис г.

     

     Рис 1. 

Синхронные  двигатели

Применение  синхронных двигателей.

 

     Синхронные  двигатели имеют по сравнению с асинхронными большое преимущество, заключающееся в том, что благодаря возбуждению постоянным током они могут работать с cos = 1 и не потребляют при этом реактивной мощности из сети, а при работе, с перевозбуждением даже отдают реактивную мощность в сеть. В результате улучшается коэффициент мощности сети и уменьшаются падение напряжения и потери в ней, а также повышается коэффициент мощности генераторов,  работающих на электростанциях.

     Максимальный  момент синхронного двигателя пропорционален U, а у асинхронного двигателя U².

     Поэтому при понижении напряжения синхронный двигатель сохраняет большую нагрузочную способность. Кроме того, использование возможности увеличения тока возбуждения синхронных двигателей позволяет увеличивать их надежность работы при аварийных понижениях напряжения в сети и улучшать в этих случаях условия работы энергосистемы в целом. Вследствие большей величины воздушного зазора добавочные потери в стали и в клетке ротора синхронных двигателей меньше, чем у асинхронных, благодаря чему к. п. д. синхронных двигателей обычно выше.

     С другой стороны, конструкция синхронных двигателей сложнее, чем короткозамкнутых асинхронных двигателей, и, кроме того, синхронные двигатели должны иметь возбудитель или иное устройство для питания обмотки возбуждения постоянным током. Вследствие этого синхронные двигатели в большинстве случаев дороже асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

     Пуск  и регулирование скорости вращения синхронных двигателей также сложнее.

     Тем не менее, преимущество синхронных двигателей настолько велико, что при Рн > 200 — 300 кет их целесообразно применять всюду, где не требуется частых пусков и остановок и регулирования скорости вращения (двигатель-генераторы, мощные насосы, вентиляторы, компрессоры, мельницы, дробилки и пр.).

Способы пуска синхронных двигателей.

 

     В подавляющем большинстве случаев  применяется асинхронный пуск синхронных двигателей

     Обычно  синхронные двигатели имеют на своем  валу возбудитель в виде генератора постоянного тока параллельного возбуждения (рис. 1).

Рис 1

     При пуске по схеме рис. 1, а контакты 7 разомкнуты, а контакт 8 замкнут. При этом обмотка возбуждения двигателя 2 замкнута через сопротивление 6 и асинхронный пуск происходит в наиболее благоприятных условиях. В конце асинхронного пуска, при s = 0,05, срабатывает частотное реле, обмотка которого  подключена к сопротивлению 6, и включает контактор цепи возбуждения. Контакты 7 контактора при этом замыкаются, а контакт 8 размыкается. В результате в обмотку 2 подается ток возбуждения и двигатель втягивается в синхронизм. Втягивание синхронного двигателя в синхронизм всегда обеспечено, если при асинхронном пуске скольжение в установившемся асинхронном режиме без возбуждения не превышает величины

            

     где k_m — кратность максимального момента в синхронном режиме при номинальном токе возбуждения i_fн; Р_н — номинальная мощность, кет ;i_fс — ток возбуждения при синхронизации; GD² — маховой момент двигателя и соединенного с ним механизма, n_н — номинальная скорость вращения двигателя, об/мин.

       Пуск  по схеме рис. 1 а отличается определенной сложностью. Поэтому в последнее время все чаще применяется схема рис.1 б с наглухо присоединенным возбудителем. При этом по цепи якоря 3 при пуске протекает переменный ток, который, однако, не причиняет вреда. При п = (0,6 — 0,7) n_н возбудитель возбуждается и возбуждает синхронный двигатель, благодаря чему при приближении к синхронной скорости двигатель втягивается в синхронизм.

       Пуск  по схеме рис.1 б происходит в менее благоприятных условиях. Во-первых, двигатель возбуждается слишком рано и при этом возникает дополнительный тормозящий момент на валу М_k . Во-вторых, в данном случае по сравнению со схемой рис. 1, а кривая асинхронного момента имеет менее благоприятный вид. Тем не менее, схема рис. 1, б обеспечивает надежное втягивание двигателя в синхронизм, если момент нагрузки на валу не превышает   (0,4 — 0,5) M_н.

    Путем совершенствования  пусковой обмотки  двигателя можно  достичь надежного  втягивания в синхронизм. Пуск по схеме рис. 1, б по своей простоте приближается к пуску короткозамкнутого асинхронного двигателя и поэтому находит в последние годы все более широкое применение.

     Обычно  производится прямой асинхронный пуск синхронных двигателей путем включения  на полное напряжение сети. При тяжелых условиях пуска (большие падения напряжения в сети и опасность перегрева пусковой обмотки или массивного ротора) производится реакторный или автотрансформаторный пуск при пониженном напряжении, как и у короткозамкнутых асинхронных двигателей

     На  рис. 2 показаны кривые изменения токов  обмоток якоря I и возбуждения i_f, а также напряжения U и скорости вращения п при прямом асинхронном пуске мощного двигателя (Р_н = 1500 кет, U_н= 6,0 кв, n_н = 1000 об/мин) с наглухо приключенным возбудителем на холостом ходу. При п = 500 об/мин в кривой i_f, заметен небольшой провал, обусловленный одноосным эффектом. Двигатель втянулся в синхронизм через 11 сек под воздействием реактивного момента.

     Кроме асинхронного пуска, в отдельных  случаях возможны также некоторые  другие способы пуска. Например, иногда можно привести синхронный двигатель  во вращение на холостом ходу с помощью  соединенной с ним машины (например, в агрегатах «синхронный двигатель  — генератор постоянного тока»). При этом можно применить те же способы синхронизации с сетью, как и для синхронных генераторов. В некоторых случаях возможен частотный пуск, когда двигатель питается от отдельного синхронного генератора и частота последнего плавно поднимается от нуля. При этом синхронный двигатель приходит в синхронное вращение уже при весьма малой скорости. Обмотки возбуждения генератора и двигателя в этом случае

     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 = U_н и п = n_н

  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 = U_n f = f_n и i_f = i_fn, = 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.