СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ 1. Назначение и области применения 2. Устройство 3. Работа машины в режиме генератора 4. Реакция якоря 5. Работа машины в режиме двигателя 6. Работа двигателя в режиме компенсатора
Назначение и области применения Синхронные машины - это машины переменного тока, у которых частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля статора, т. е. n 1 = n 2. Синхронные машины, как и все электрические машины, обратимы, т. е. они могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Основная часть электрической энергии вырабатывается с помощью синхронных трёхфазных турбогенераторов и гидрогенераторов, приводимых во вращение соответственно паровыми и гидротурбинами. Гидрогенераторы обычно имеют явнополюсное исполнение ротора (частота вращения n 2 ≤ 1500 об/мин, соответственно число пар полюсов p ≥ 2 при f 1 = 50 Гц) , а турбогенераторы - неявнополюсное (n 2 = 3000 об/мин. при p = 1 и f 1 = 50 Гц)). 2
Мощность гидрогенераторов, устанавливаемых на гидростанциях, достигла 640 МВт, а турбогенераторов, устанавливаемых на тепловых электростанциях - 800… 1200 МВт; диапазон напряжений от 230 В до 36, 75 к. В. Синхронные генераторы мощностью до десятков и сотен киловатт используют как автономные источники питания с приводом от двигателей внутреннего сгорания. Синхронные двигатели широко применяют, как правило, в электроприводах механизмов большой мощности (большие компрессоры, насосы, воздуходувки, угольные мельницы и т. д. ) с нерегулируемой частотой вращения. Синхронные двигатели выпускаются в диапазоне мощностей от 132 до 30000 к. Вт с частотой вращения от 250 до 3000 об/мин на напряжение 6 и 10 к. В, 50 Гц. Строгое постоянство частоты вращения обусловливает широкое применение синхронных микродвигателей в регистрирующих приборах, в системах звуко- и видеозаписи. Синхронные машины, не несущие механической нагрузки на валу, предназначенные для генерирования реактивной мощности и улучшения коэффициента мощности cosω сети, называются синхронными компенсаторами. Как правило, это крупные машины (мощностью 16… 160 МВ·А). 3
Устройство синхронных машин С явнополюсным ротором и неявнополюсным ротором 4
Принципиальная схема устройства СМ 5
Статор синхронной машины принципиально устроен так же, как и статор асинхронной машины. В пазах статора размещается трёхфазная обмотка 1 (рис. 10. 2). Фазы обмотки, как правило, соединяют в звезду. МДС фазных обмоток статора создают вращающееся магнитное поле Фв машины. Явнополюсный ротор (рис. 10. 1, а) представляет собой электромагнит 2, обмотка 3 которого питается постоянным током через два контактных кольца 4 и щетки 5 от постороннего источника напряжения ИН и называется обмоткой возбуждения (ОВ) (рис. 10. 2). Ток Iв создаёт магнитный поток возбуждения Фв. В качестве источника постоянного напряжения ИН (возбудителя) используют генератор постоянного тока, располагаемый на одном валу с ротором синхронной машины, или вентильный выпрямитель с щёточной или безщёточной системой возбуждения Неявнополюсный ротор (рис. 10. 1, б) состоит из сердечника 1, изготавливаемого из углеродистой или легированной стали, и обмотки возбуждения 2, распределённой по нескольким пазам ротора таким образом, чтобы получить синусоидальную по форме магнитную индукцию В в зазоре машины. 6
Принцип действия генератора При работе синхронной машины в качестве генератора возбужденный ротор приводится во вращение с частотой n 2 внешним механическим моментом (например, моментом гидравлической или паровой турбины). Магнитодвижущая сила ОВ создаёт магнитный поток Фв, неподвижный относительно полюсов N - S и замыкающийся через сердечник статора (см. рис. 10. 1, а). Вращающимся магнитным потоком Фв в фазах статорной обмотки индуктируются ЭДС Ея с частотой f 1 = pn 2/60, смещённые во времени на электрический угол 120°. 7
Реакция якоря Если к обмотке статора подключить симметричную нагрузку Zн, то под действием ЭДС в ней и во внешней цепи будут протекать токи IA, IB и IC, которые создают МДС якоря Фя и магнитное поле Фя, вращающееся с частотой n 1, т. е. синхронно с ротором. Следовательно, магнитные потоки якоря Фя и возбуждения Фв будут взаимно неподвижны и результирующий магнитный поток Фр при нагрузке создаётся суммарным действием взаимно неподвижных МДС Fв и Fя. В установившемся режиме ЭДС в обмотке ротора не создаётся; МДС этой обмотки определяется только током возбуждения и не зависит от режима работы машины. Однако результирующий магнитный поток машины существенно зависит от характера нагрузки (активная, реактивная или активно-реактивная): система токов и МДС якоря размагничивают или намагничивают машину и, при наличии активной нагрузки, оказывают тормозящее действие на ротор. Воздействие МДС якоря на магнитное поле ротора называют реакцией якоря. Так как реакция якоря изменяет результирующий магнитный поток в машине, то напряжение генератора, работающего в автономном режиме, будет зависеть от величины и характера нагрузки Zн. 8
Принцип работы синхронного двигателя 9
При включении обмоток 1 якоря (рис. 10. 12, a) в трехфазную сеть токи статорной обмотки, смещенные по фазе на угол, создают вращающееся с частотой n 1 = 60 f 1/p магнитное поле Фя. Однако ротор будет неподвижным, так как быстровращающееся магнитное поле Фя действует на ротор со знакопеременной силой, не создающей среднего момента, т. е. пусковой момент синхронного двигателя Мп = 0. Но если предварительно разогнать ротор до частоты вращения n 2, близкой к синхронной n 1, то возникающий электромагнитный момент, как результат взаимодействия (притяжения) разноименных полюсов магнитных полей якоря и ротора, (см. рис. 10. 12, б) заставит следовать ротор за магнитным полем статора, как говорят, втянуться в синхронизм. Для разгона современных синхронных двигателей (СД) в их ротор встраивают пусковую короткозамкнутую обмотку 3 (см. рис. 10. 12, а), подобную беличьей клетке асинхронных двигателей. Стержни этой обмотки укладывают в специальные пазы полюсов и соединяют по торцам ротора. 10
Пуск в ход синхронных двигателей 11
Для мощных СД предпринимают ряд мер по ограничению пусковых токов обмоток якоря и ЭДС в обмотке возбуждения. а) при разомкнутой цепи якоря обмотка возбуждения ОВ отключается от источника постоянного напряжения и замыкается посредством переключателя Q 2 на резистор R, сопротивление которого в 10… 15 раз превышает сопротивление ОВ. Если обмотка возбуждения разомкнута, то в начале пуска в ней будет наводиться большая ЭДС, опасная для изоляции ротора и обслуживающего персонала; б) после подключения обмотки якоря к трехфазной сети под действием асинхронного электромагнитного момента ротор разгоняется до подсинхронной частоты вращения n 2 ≈ 0. 95 n 1; в) обмотка возбуждения отключается от резистора R, подключается (переключателем Q 2) к источнику постоянного напряжения ИН и двигатель втягивается в синхронизм (частота ротора n 2 = n 1 = n 0). 12
Электромагнитный момент двигателя В установившемся режиме момент сопротивления Мc на валу машины будет уравновешен вращающим электромагнитным моментом, развиваемым двигателем, т. е. Мэм = Мc. Мэм = Мmax sinΘ, где Мmax = 3 Uф. E 0/ω0 Xс схема замещения одной фазы обмотки якоря 13
Угловая характеристика двигателя Зависимость электромагнитного момента Мэм от угла рассогласования Θ (угла сдвига фаз между вектором ЭДС фазы якоря E 0 и вектором напряжения сети Uф), т. е. Мэм(Θ), называют угловой характеристикой синхронного двигателя (рис. 10. 15). 14
Угловая характеристика позволяет анализировать процессы, происходящие в синхронном двигателе, при изменении нагрузки (изменении момента сопротивления Мc на валу) при постоянном токе возбуждения (Iв = const). Устойчивая работа двигателя соответствует участку угловой характеристики от угла Θ = 0 до угла Θ = π/2. Точка A соответствует номинальному режиму работы. При номинальном режиме угол Θн » 20… 35°, что соответствует двукратному или несколько большему запасу по мощности или моменту λ = Мmax/Мн = 1/ sinΘ » 2… 2, 5. Напомним, что отношение максимального момента к номинальному моменту называют перегрузочной способностью двигателя. 15
Механическая характеристика двигателя При угле Θ < π/2 механическая характеристика синхронного двигателя n 0 = f(М) абсолютно жесткая. Она представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс. Такая зависимость определяется характерной особенностью синхронных двигателей: их ротор может вращаться только с синхронной частотой n 0 = 60 f 1/p. 16
Работа двигателя в режиме компенсатора При достаточном увеличении тока Iв ЭДС E 0 становится больше Ua, и вектор тока I якоря опережает по фазе вектор фазного напряжения сети Uф. Синхронный двигатель для сети становится активно-ёмкостной нагрузкой. Эту способность перевозбужденного СД без нагрузки на валу с опережающим током I используют в промышленности для улучшения коэффициента мощности cosφ цехов и заводов (синхронный двигатель работает в режиме компенсации реактивной индуктивной мощности). Мощность синхронных компенсаторов достигает 100… 160 МВАр. 17
Скачать презентацию СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ 1 Назначение и области применения 2
синхронные машины.ppt