Электрические двигатели и генераторы

Электротехника
Электрические машины и трансформаторы
Определение фазных и линейных токов приемников
Электрическая машина
Принцип действия асинхронного двигателя
Трансформаторы

Векторная диаграмма трансформатора

Переходные процессы в трансформаторах
Трансформаторные устройства специального назначения
Холостой ход трансформатора
Опыт короткого замыкания
Трехобмоточный трансформатор
Измерительные трансформаторы.
Электрические двигатели и генераторы
Асинхронный генератор
Параметры асинхронной машины 
Регулирование скорости вращения

Однофазные асинхронные двигатели.

Асинхронный преобразователь частоты 
Генераторы переменного тока
Трехфазный синхронный генератор
Несимметричная нагрузка трехфазного генератора
Однофазный синхронный генератор
Синхронный двигатель 
Синхронные машины заводов Советского Союза
Машины постоянного тока – генераторы и двигатели
Генератор с параллельным возбуждением
Электромашинные усилители
Электромашинные преобразователи тока
 

Пуск в ход синхронного двигателя.

Синхронные двигатели долгое время находили себе применение лишь в редких случаях вследствие тех затруднений, которые создавались при пуске их в ход.

Электромагнитный вращающий момент Мэм будет все время направлен в одну сторону только при синхронной частоте вращения ротора. Если же двигатель подключить к сети переменного тока, когда его ротор неподвижен, а в обмотке возбуждения имеется постоянный ток, то электромагнитный момент, получающийся от взаимодействия неподвижного поля полюсов и перемещающихся с синхронной частотой по окружности статора токов, будет в течение периода дважды изменять свое направление (над северным, например, полюсом ротора будут иметь место токи то одного направления, то, спустя полпериода, другого направления). Двигатель не придет во вращение, так как электромагнитный момент не сможет в течение полпериода разогнать ротор до синхронной частоты из-за его инерции.

Следовательно, для того чтобы электромагнитный вращающий момент в синхронном двигателе был направлен все время в одну сторону, необходимо до подключения синхронного двигателя к сети раскрутить его каким-нибудь посторонним двигателем до синхронной частоты вращения. После этого включение рубильника или масляного выключателя должно быть произведено в определенный момент времени, который устанавливается при помощи синхроноскопа. Способы включения здесь те же, что и для генератора.

Пуск синхронного двигателя при помощи постороннего двигателя, называемого разгонным или пусковым, обладает рядом крупных недостатков, которые и препятствовали широкому распространению синхронных двигателей.

При помощи разгонного двигателя, мощность которого обычно составляла 5  15% от номинальной мощности синхронного двигателя, последний можно было пускать только при малой нагрузке на валу. Установка к тому же получалась громоздкой и неэкономичной.

В качестве разгонного двигателя обычно использовался асинхронный двигатель с числом полюсов на два меньшим, чем число полюсов синхронного двигателя.

В настоящее время пуск в ход при помощи разгонного двигателя на практике почти не применяется; он иногда находит себе применение главным образом для мощных синхронных компенсаторов (см. § 4-8,ж).

В последние годы почти во всех случаях практики применяется так называемый асинхронный пуск в ход. Синхронный двигатель при этом пускается как асинхронный. Его ротор должен быть снабжен специальной пусковой обмоткой, выполняемой так же, как продольно-поперечная успокоительная обмотка (рис. 4-46). Она мало отличается от короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя. Стержни пусковой обмотки закладываются в пазы полюсных наконечников и соединяются на торцах пластинами, образующими короткозамыкающие кольца (рис. 4-81). Вместо пусковой клетки иногда используются массивные полюсные наконечники, которые на торцах также должны быть соединены пластинами.

Рис. 4-81. Ротор синхронного двигателя с пусковой (успокоительной) обмоткой

Принципиальная схема асинхронного пуска в ход синхронного двигателя приведена на рис. 4-82.

Рис. 4-82. Схема синхронного двигателя (при асинхронном пуске в ходе).

После включения двигателя в нем образуется вращающееся поле. Взаимодействие его с токами, наведенными в пусковой клетке, создает вращающий момент, так же как в короткозамкнутом асинхронном двигателе.

Обмотка возбуждения при этом должна быть замкнута, так как в противном случае в ней наводилась бы вращающимся полем большая э.д.с., опасная не только для изоляции обмотки, но и для обслуживающего персонала. Ее замыкают для увеличения пускового момента на сопротивление, приблизительно в 8  12 раз большее сопротивления самой обмотки возбуждения (переключатель на рис. 4-82 должен быть включен вверх). (При отсутствии пусковой клетки и при замкнутой накоротко обмотке возбуждения наблюдается "явление одноосного включения" (см. § 3-21,д).)

Синхронный двигатель, вращаясь как асинхронный, доходит почти до синхронной частоты. Получающееся при этом скольжение зависит от нагрузки на валу и от параметров электрических цепей ротора. Вхождение в синхронизм достигается после включения постоянного тока в обмотку возбуждения под действием возникающего при этом синхронизирующего момента (переключатель на рис. 4-82 должен быть включен вниз).

При асинхронном пуске в ход синхронных двигателей они обычно непосредственно подключаются к сети, если мощность сети достаточно велика и для нее допустимы большие пусковые токи, которые достигают в начале пуска 56-кратных значений по сравнению с номинальными. Если же необходимо уменьшить пусковые токи, то пуск производится при пониженном напряжении, так же как мощных асинхронных короткозамкнутых двигателей.

Здесь также применяется пуск при переключении обмотки статора со звезды на треугольник, что дает уменьшение фазного напряжения при пуске в  раз, а линейного тока – примерно в 3 раза. Чаше для понижения напряжения при пуске используется автотрансформатор или реактор (реактивная катушка). Соответствующие принципиальные схемы пуска представлены на рис 4-83.

Рис. 4-83. Схема пуска синхронного двигателя при пониженном напряжении.
а – автотрансформаторный пуск; б – реакторный пуск.

Автотрансформаторный пуск производится по схеме рис. 4-83,а, причем порядок пусковых операций следующий: замыкается выключатель В3, соединяющий обмотки автотрансформатора AT в звезду; затем замыкается выключатель В1; по достижении двигателем некоторой определенной частоты вращения выключатель В3 размыкается и автотрансформатор превращается в реактивную катушку; наконец, замыкается выключатель В2, и двигатель получает полное напряжение, после чего включается постоянный ток в обмотку возбуждения и двигатель входит в синхронизм.

Реакторный пуск производится по схеме рис. 4-83,б. Порядок пусковых операций в этом случае следующий: на первой стадии пуска замыкается выключатель В1; затем по достижении определенной частоты вращения замыкается выключатель В2 и к двигателю подается полное напряжение; после этого включается постоянный ток в обмотку возбуждения и двигатель входит в синхронизм.

Автотрансформаторный пуск является трехступенчатым пуском. На первой ступени к двигателю подводится напряжение U2, равное 40  60% номинального напряжения Uн; на второй ступени, когда автотрансформатор используется как реактор, к двигателю подводится напряжение, составляющее 70  80% номинального. Пусковые токи, получаемые из сети в начале пуска, здесь уменьшаются, как показано ниже, пропорционально квадрату напряжения.

Начальный пусковой ток в обмотке статора уменьшается пропорционально напряжению. Если при полном напряжении Uн на обмотке статора начальный пусковой ток равен Iнач, то при напряжении U2 он равен . Ток из сети Iс – ток первичной обмотки автотрансформатора, имеющего коэффициент трансформации ; следовательно, , т. е. ток сети пропорционален квадрату напряжения, так же как начальный вращающий момент, развиваемый двигателем.

При реакторном пуске ток сети Iс, поступающий в двигатель в начале пуска, пропорционален напряжению, тогда как начальный вращающий момент пропорционален квадрату напряжения. В этом – недостаток реакторного пуска по сравнению с автотрансформаторным. Однако к его преимуществам нужно отнести большую простоту схемы, меньшее количество необходимой аппаратуры. Поэтому при питании двигателей от достаточно мощных подстанций, когда допустимы большие пусковые токи, следует предпочесть более простой и дешевый реакторный пуск. 

Рабочие характеристики синхронного двигателя.

 На рис. 4-84 представлены рабочие характеристики синхронного двигателя, полученные при постоянных напряжении и частоте сети и при постоянном возбуждении. По оси абсцисс здесь отложена полезная мощность Р2 (мощность на валу).

Рис. 4-84. Рабочие характеристики синхронного двигателя.

Если при холостом ходе установлен соs φ = 1, то при увеличении нагрузки он будет уменьшаться, что должно быть ясно из рассмотрения V-образных кривых двигателя (рис. 4-80) и их построения (рис. 4-79).

Подведенная мощность P1, больше мощности на валу Р2 на величину потерь в двигателе ∑P. Коэффициент полезного действия  в зависимости от Р2 изображается кривой, обычной для электрических машин.

На рис. 4-85 изображены кривые, показывающие, как изменяется cos φ с нагрузкой при различных значениях возбуждения. Кривая 1 аналогична кривой cos φ на рис. 4-84. Кривая 2относится к случаю, когда cos φ установлен равным единице при номинальной нагрузке. Эта кривая показывает, что cos φ при уменьшении нагрузки также уменьшается, но он будет соответствовать опережающему току, потребляемому двигателем из сети. Кривая 3 соответствует току возбуждения, который дает cos φ = l при Р2 = 0,5Р2н.

Рис. 4-85. Зависимость cos φ от нагрузки при различных возбуждениях.

Двигатели обычно рассчитываются для работы при номинальной нагрузке с cos φ = 0.9, соответствующим опережающему току. В этом случае машина будет служить не только в качестве двигателя, но и для улучшения cos φ всей электрической установки.

Применение нормальных синхронных двигателей только для улучшения cos φ (для работы в режиме компенсатора) в обычных случаях нецелесообразно, так как при такой работе и при допустимом (номинальном) токе возбуждения ток статора получается меньше номинального и, следовательно, машина не полностью используется.

Синхронные двигатели обычно выполняются с возбудителем, посаженным на один с ними вал. Поэтому при малых мощностях они менее выгодны, чем асинхронные двигатели. Но, начиная со 100 кВт, а при низких частотах вращения и с меньшей мощности, синхронные двигатели в ряде случаев следует предпочесть асинхронным двигателям. Применение в системах возбуждения полупроводниковых выпрямителей вместо машинных возбудителей позволяет получить достаточно экономичные синхронные двигатели и при сравнительно небольших мощностях.

Основное преимущества синхронного двигателя, как уже отмечалось, его высокий cosφ. Это преимущество приводит не только к повышению использования всей электрической установки, но и к уменьшению размеров синхронного двигателя по сравнению с асинхронным (при прочих равных условиях). Последнее объясняется тем, что размеры электрической машины определяются ее кажущейся мощностью, a не активной. Кажущаяся мощность синхронного двигателя при созφ = 1 меньше, чем асинхронного, в отношении 1 : cos φ. Это особенно заметно при сравнении тихоходных двигателей, так как cos φа тихоходного асинхронного двигателя имеет относительно небольшое значение.

Из других важных преимуществ синхронного двигателя отметим здесь возможность получить большой максимальный момент Мэм.м за счет увеличения воздушного зазора, так как при этом уменьшается синхронное сопротивление xd. Увеличение максимального вращающего момента асинхронного двигателя за счет увеличения воздушного зазора привело бы к значительному ухудшению его cos φ. К тому же максимальный вращающий момент синхронного двигателя зависит от напряжения в первой степени, тогда как тот же момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения.

Синхронный компенсатор.

 Как указывалось, синхронный компенсатор представляет собой синхронный двигатель, работающий без нагрузки на валу и предназначенный для компенсации сдвига фаз тока и напряжения или для регулирования напряжения в конце и в промежуточных точках линии электропередачи. Последнее достигается путем регулирования тока возбуждения синхронного компенсатора, что приводит к изменению реактивной составляющей тока линии электропередачи. Обычно синхронный компенсатор работает с перевозбуждением, потребляя из сети опережающий ток, как конденсатор. Поэтому его иногда называют синхронным конденсатором.

Пуск в ход синхронного компенсатора осуществляется при помощи разгонного двигателя, причем включение его в сеть на подстанциях Советского Союза довольно часто производится по методу самосинхронизации. В последние годы широко применяется также асинхронный пуск в ход при пониженном напряжении.

Заводами Советского Союза изготавливаются синхронные компенсаторы мощностью от 1000 до 75000 кВА.

Их номинальная мощность соответствует режиму работы с опережающим напряжение током (практически на 90°). Ток возбуждения при этом режиме работы является номинальным током возбуждения. Для его уменьшения синхронные компенсаторы обычно выполняются с меньшим воздушным зазором, чем синхронные двигатели. Вследствие этого их синхронное сопротивление по продольной оси xd* [д. е.] нередко достигает значений 2  2,2.

Распределение активной и реактивной мощностей между параллельно работающими машинами  

На основании изложенного в предыдущих параграфах можно сделать следующие выводы, касающиеся распределения активных и реактивных мощностей при параллельной работе синхронных машин в генераторном и двигательном режимах.

Общая нагрузка параллельно работающих синхронных генераторов вполне определяется двумя векторами: вектором напряжения  и вектором тока . Если даны эти два вектора, то мы можем найти активную и реактивную мощности, составляющие нагрузку.

Распределение активной мощности между параллельно работающими синхронными генераторами производится путем воздействия на регуляторы частоты вращения их первичных двигателей. Воздействие на регуляторы скорости вызывает изменение количества пара, воды или горючего, поступающего в первичный двигатель. При этом будет изменяться вращающий момент, развиваемый первичным двигателем, а следовательно, и угол θ между векторами  и , что, как известно, вызывает изменение активной мощности синхронной машины.

На электрических станциях применяются автоматические регуляторы частоты вращения первичных двигателей. Для того чтобы распределение нагрузки между параллельно работающими генераторами соответствовало их номинальным мощностям, нужно правильно подобрать характеристики [п = f(P)] автоматических регуляторов.

Распределение реактивной мощности между параллельно работающими синхронными машинами производится путем воздействия на возбуждение этих машин.

Синхронный генератор при перевозбуждении отдает в сеть отстающий реактивный ток, а при недовозбуждении отдает опережающий реактивный ток. В генераторе фаза тока определяется относительно напряжения, действующего на зажимах обмотки статора.

Синхронный двигатель при перевозбуждении потребляет опережающий реактивный ток, а при недовозбуждении потребляет отстающий реактивный ток. Здесь фаза тока определяется относительно напряжения сети, которое принимается направленным прямо противоположно напряжению на зажимах машины в режиме генератора. Так как потребление отстающего реактивного тока эквивалентно отдаче в сеть опережающего тока и наоборот, то можно считать, что перевозбужденная синхронная машина независимо от того, работает ли она генератором или двигателем, отдает в сеть отстающую реактивную мощность, а недовозбужденная синхронная машина – генератор или двигатель – потребляет из сети отстающую реактивную мощность. Перевозбужденная синхронная машина может поэтому рассматриваться как емкость, а недовозбужденная синхронная машина – как индуктивность, включенная в сеть.

Понятия «перевозбуждение» и «недовозбуждение» синхронных машин вполне определяют их работу в отношении фазы реактивного тока.

На современных электрических станциях синхронные машины снабжаются автоматическими быстродействующими регуляторами напряжения, которые в то же время обусловливают автоматическое распределение реактивной мощности между машинами.

Электротехника