Основы функционирования систем сервиса Электрические машины синхронные двигатели

Основы функционирования систем сервиса Электрические машины синхронные двигатели и генераторы

Электрические машины служат для преобразования механической энергии в электрическую (генераторы) либо электрической в механическую (двигатели). электрические машины переменного тока асинхронные двигатели универсальные коллекторные двигатели шаговый двигатель машины постоянного тока вентильный двигатель бесколлекторный) мотор-редукторы постоянного тока

Синхронные машины • В синхронных машинах магнитное поле токов якорной обмотки и ротор вращаются с одинаковой скоростью (синхронно). • Синхронные машины обратимы, т. е. они могут работать как генераторы и как двигатели. • Синхронные машины наиболее часто применяются, как генераторы переменного тока, которые устанавливают на всех современных электростанциях

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА • Основной магнитный поток синхронного генератора, создаваемый вращающимся ротором, возбуждается от постороннего источника-возбудителя, представляющего собой обычный генератор постоянного тока. • Возбудитель устанавливается на общем валу с генератором либо соединяется с валом генератора муфтой или ременной передачей. • Постоянный ток от возбудителя проходит через обмотку ротора через два кольца и неподвижные щетки, установленные на валу ротора

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА • явнополюсный ротор тихоходного гидрогенератора, вращающийся со скоростью от 50 до 750 об/мин, имеет число пар полюсов соответственно от 60 до 4.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА • неявнополюсный ротор быстроходной машины— турбогенератора, вращающийся со скоростью 3000 об/мин, имеет одну пару полюсов

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА • Маломощные синхронные генераторы (до 100 к. ВА) • самовозбуждение: обмотка возбуждения питается выпрямленным током того же генератора. • Цепь возбуждения образуют трансформаторы тока ТТ, включаемые в цепь нагрузки генератора, • полупроводниковый выпрямитель ПВ, собираемый, например, по схеме трехфазного моста, • обмотка возбуждения генератора ОВ с регулировочным реостатом R

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА • Полный магнитный поток машин при нагрузке складывается из потоков ротора и статора. • Результат взаимодействия магнитного поля статора и поля полюсов определяется величиной и характером нагрузки. • Воздействие поля статора на поле полюсной системы возбуждения называется реакцией статора или по аналогии с машинами постоянного тока реакцией якоря.

СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ • В случае активной нагрузки при которой ток совпадает по фазе с ЭДС, максимум тока наступит в тот момент, когда оси полюсов будут находиться против обмоток фаз так называемая поперечная реакция якоря: потоки статора Фс и ротора Фр взаимно перпендикулярны. • В результате сложения потоков Фс и Фр общий магнитный поток генератора увеличивается и смещается в пространстве, — следовательно, ЭДС генератора возрастает.

СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ • В случае чисто индуктивной нагрузки ток отстает от ЭДС по фазе на π/2. К рассматриваемому моменту максимального значения тока в обмотке А—X ротор повернут на 90° по часовой стрелке • Магнитные потоки Фс и Фр направлены встречно, общий магнитный поток генератора равен их разности. Реакция якоря размагничивает машину и уменьшает ее ЭДС.

СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ • При емкостной нагрузке генератора ток нагрузки опережает по фазе ЭДС на π/2 — следовательно, ротор генератора еще не дошел на 90° до вертикального положения • ток в обмотке А—X уже имеет максимальное значение • Потоки Фс и Фр имеют одинаковое направление, увеличивают общий магнитный поток Ф, а это приводит к увеличению ЭДС.

СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ • При смешанной активно-индуктивной (рисунок а) или активно-емкостной (рисунок б) нагрузке ток и ЭДС сдвинуты по фазе на некоторый угол. Поток от обмотки статора Фс может быть представлен в виде двух взаимно перпендикулярных составляющих: • Фс1 — поперечной (активной) и Фс2 — продольной (реактивной). В результате реакции якоря результирующий магнитный поток смещается от вертикали и изменяется по значению в зависимости от характера нагрузки

СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ • реакция якоря в синхронном генераторе приводит к изменениям магнитного потока и ЭДС, что является крайне нежелательным, так как изменение значения и характера нагрузки приведут к изменению напряжения на зажимах генератора. • Уменьшения влияния реакции якоря можно добиться, например, увеличением воздушного зазора между статором и ротором при одновременном увеличении тока и числа витков обмотки возбуждения. Это приведет к уменьшению потока якоря за счет увеличения магнитного сопротивления цепи машины при неизменном общем потоке.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА • Характеристика холостого хода генератора представляет собой график зависимости ЭДС генератора на холостом ходу от тока возбуждения.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА • Внешняя характеристика синхронного генератора — это зависимость напряжения U на зажимах генератора от тока нагрузки его I при постоянных значениях коэффициента мощности cos φ, скорости вращения ротора п и тока возбуждения Iв. В зависимости от характера нагрузки внешние характеристики имеют спад (кривая 2), либо некоторый подъем (кривая 3) в соответствии с действием реакции якоря. Номинальный режим нагрузки (Iн) выбирают таким, чтобы при cos φ = 0, 8 изменения напряжения не превышали 35— 45% от номинального (кривая 1)

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА • Регулировочная характеристика синхронного генератора представляет собой график зависимости тока возбуждения Iв от тока нагрузки I при п =const и cos φ = const. Такая характеристика показывает, как выбрать ток возбуждения, при котором напряжение на зажимах генератора оставалось бы постоянным при изменениях нагрузки. Из приведенных характеристик для разных значений cos φ видно, в частности, что при нагрузках, когда φ > 0 (кривая 2), ток возбуждения следует увеличивать, а при φ < 0 (кривая 3) — уменьшать. Кривая 1 соответствует оптимальному режиму.

УПРОЩЕННАЯ ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА • Зависимость изменения напряжения от нагрузки генератора удобно выяснять с помощью векторных диаграмм синхронного генератора при различных нагрузках. Рассмотрим случай, наиболее часто встречающийся на практике, — случай активно-индуктивной нагрузки.

УПРОЩЕННАЯ ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА • Векторные диаграммы для различных по характеру нагрузок показывают, что изменения напряжения на зажимах генератора U и результирующего магнитного потока Ф зависят не только от внутреннего индуктивного падения напряжения IXL и магнитного потока статора Фс, но и от характера нагрузки. Так, при активной и активноиндуктивной нагрузке машина размагничивается, а при активно-емкостной — подмагничивается, что приводит к соответствующим изменениям ЭДС и напряжения на зажимах генератора.

РАБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ПАРАЛЛЕЛЬНО С СЕТЬЮ • • Для включения генераторов на параллельную работу необходимы следующие условия: Равенство действующих значений напряжения сети UС и напряжения на зажимах генератора UГ, включаемого в сеть. Это достигается регулированием тока возбуждения. Равенство частот генератора f. Г и сети f. С, которое достигается регулированием скорости вращения генератора. Одинаковая последовательность чередования фаз, которая проверяется, например, с помощью специального прибора — фазоуказателя. Напряжения сети UС и генератора UГ в момент включения должны совпадать по фазе.

Принцип включения генератора на параллельную работу с сетью Простейший способ, называемый включением «на темное» • Три лампы накаливания, образующие простейший синхроноскоп, включаются на разность напряжений сети и генератора. • Равенство фазных напряжений и частот сети и генератора контролируется вольтметром и частотометром. • При совпадении частот и фаз напряжений сети и генератора лампы не должны светиться

Принцип включения генератора на параллельную работу с сетью Метод «самосинхронизации» или «грубой синхронизации» : • • • невозбужденный генератор при закороченной на резистор R обмотке возбуждения первичным двигателем доводят до скорости, близкой к синхронной, затем генератор включают в сеть и возбуждают его. В результате действия механического толчка генератор втягивается в синхронизм. Разрядный резистор R, сопротивление которого в 5— 10 раз больше сопротивления обмотки возбуждения, служит для предотвращения появления перенапряжений на обмотке в момент пуска генератора. На современных электростанциях пуск генераторов полностью автоматизирован.

ОБРАТИМОСТЬ СИНХРОННЫХ МАШИН • • • В случае идеальной синхронизации подключенная к сети синхронная машина не отдает энергию в сеть и не потребляет ее из сети. Покрытие же потерь в машине осуществляется за счет энергии первичного двигателя. Для того чтобы заставить машину (генератор) отдавать энергию в сеть, надо увеличить вращающий момент со стороны первичного двигателя. Если величину вращающего момента со стороны первичного двигателя уменьшать, ротор вместе со своим магнитным полем несколько отстанет от вращающегося поля статора. Вращающееся поле статора поведет за собой ротор, являющийся электромагнитом. Синхронная машина превращается в синхронный двигатель, в котором и поле статора и поле ротора (ротор) будут вращаться с одинаковой скоростью (синхронно). Увеличение нагрузки на валу такого двигателя приведет к увеличению тока в цепи двигателя и, стало быть, к увеличению потребляемой из сети электрической мощности. В отличие от асинхронного двигателя, в котором увеличение нагрузки на валу приводит к уменьшению скорости вращения ротора, в синхронном двигателе увеличение механической нагрузки приводит к увеличению угла между полюсами вращающихся полей статора и ротора при сохранении скорости вращения ротора.

ПРИНЦИП РАБОТЫ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ • Ротор синхронного двигателя будет продолжать синхронное вращение до тех пор, пока он будет за полпериода переменного тока успевать поворачиваться своими полюсами к следующим проводникам обмотки статора с таким же направлением тока, как и в тех проводниках, против которых он находится в данный момент. Иначе говоря, ротор двигателя должен вращаться с такой же скоростью, как и поле статора, проходя полюс за полпериода переменного тока (разность скоростей поля и ротора может составлять не более 2— 5%), при этом на него будет действовать вращающий момент одного и того же направления. • При чрезмерно большой механической нагрузке ротор двигателя выпадает из синхронизма и останавливается

ПУСК СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ • Синхронный двигатель не может быть пущен в работу простым включением его в сеть. • Это можно объяснить следующим образом. Пусть в момент включения двигателя направление питающего тока в обмотках статора соответствует рисунку а. В этот момент на неподвижный ротор будет действовать Рисунок а пара сил F, стремящихся повернуть его по часовой стрелке. Через полпериода направление токов в обмотках статора изменится на противоположное (рисунок б). • Предварительный разгон ротора является характерной особенностью синхронного двигателя. • Механический разгон применяется при пуске двигателей очень малой мощности (вручную) и двигателей очень большой мощности (от специального постороннего двигателя). В этом случае сначала ротор разгоняется до скорости, близкой к синхронной, и включается обмотка возбуждения, а затем включаются Рисунок б обмотки статора в сеть.

ОСТАНОВКА СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ • Для остановки синхронного двигателя сначала уменьшают ток возбуждения до значения, соответствующего минимальному току обмоток статора, • затем отключают статор • и лишь после этого размыкают цепь возбуждения. • Несоблюдение такого порядка (например, отключение обмотки возбуждения раньше отключения обмоток статора) приведет к чрезмерному увеличению тока в обмотке статора и к возможным опасным для целости изоляции перенапряжениям в разомкнутой обмотке возбуждения.

ВЛИЯНИЕ ТОКА ВОЗБУЖДЕНИЯ НА РАБОТУ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ изменение тока возбуждения синхронного двигателя порождает появление: • в режиме недовозбуждения индуктивной составляющей тока якоря, подмагничивающей двигатель, • в режиме перевозбуждения емкостной составляющей тока якоря, размагничивающей двигатель, • при любом токе возбуждения результирующая ЭДС уравновешивает напряжение сети.

ПРИМЕНЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТОКА ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ • Синхронные двигатели работают, как правило, в перевозбужденном режиме с потреблением из сети активной и емкостной составляющих тока. Это дает возможность улучшать cosφ в системах, где работают асинхронные двигатели. • Широкое применение получили синхронные двигатели облегченной конструкции, работающие без механической нагрузки в перевозбужденном режиме. Такие двигатели потребляют практически чисто емкостный ток и используются специально для улучшения cosφ (вместо дорогостоящих статических конденсаторов). Их называют синхронными компенсаторами

РЕАКТИВНЫЕ СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ • Синхронный двигатель с явнополюсным ротором и без обмотки возбуждения называют реактивным. Принцип действия его состоит в том, что ротор под действием магнитного поля статора намагничивается, а так как поле статора вращающееся, то и намагниченный ротор приходит в синхронное с этим полем вращение. • В результате возникновения вихревых токов в теле ротора и его способности легко перемагничиваться реактивный синхронный двигатель разгоняется и входит в синхронизм автоматически после включения статорных обмоток в сеть

ДВИГАТЕЛЬ УОРРЕНА Широкое применение получил однофазный маломощный синхронный двигатель такого типа, объединенный вместе с редуктором для понижения скорости вращения вала (60 или 2 об/мин), • Ротор 1, изготовленный из стали с заметной остаточной индукцией, помещают в систему полюсных наконечников 2 с расщепленными полюсами и короткозамкнутымн витками 5. Катушка с сетевой обмоткой 4 создает в сердечнике-статоре 3 переменный магнитный поток, который, в свою очередь, системой расщепленных полюсов создает вращающееся магнитное поле. В момент пуска в материале ротора возникают индукционные токи, разгоняющие ротор (как в простейшем асинхронном двигателе). При достижении ротором скорости, близкой к синхронной, благодаря остаточному намагничиванию ротор втягивается в синхронизм и начинает устойчивое синхронное вращение. • Эти двигатели используют в самопишущих измерительных приборах

КОНДЕНСАТОРНЫЕ ОДНОФАЗНЫЕ РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ • Широкое применение получили так называемые конденсаторные однофазные реактивные двигатели, имеющие нормальную трехфазную обмотку. В зависимости от напряжения сети обмотка такого двигателя соединяется звездой либо треугольником • Конденсатор С выбирают так, чтобы напряжение на его обкладках было равно линейному напряжению, а ток в его цепи — линейному току. Получается симметричная звезда токов, создающая вращающееся магнитное поле. • Конденсаторные двигатели не нуждаются в предварительном разгоне ротора.

СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Схемы включения трехфазных двигателей в однофазную сеть • а - звездой • б, в, г - треугольником

ПРИМЕНЕНИЕ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ • Синхронные двигатели получили очень широкое применение как двигатели большой мощности (свыше 100 к. Вт) при небольшой скорости вращения для нерегулируемого привода • Непрерывные прокатные станы, компрессоры, поршневые насосные станции, холодильные машины, камнедробилки и т. д. • Применение синхронных двигателей желательно еще и потому, что, работая с cos φ < 1 на опережающем токе, они одновременно улучшают коэффициент мощности системы.