Синхронные машины Синхронной машиной называют такую машину переменного

Синхронные машины Синхронной машиной называют такую машину переменного тока, частота вращения которой в установившемся режиме равна синхронной и не зависит от нагрузки. Применение: синхронные генераторы – в качестве источников электрической энергии переменного тока на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях Синхронные двигатели – в установках не требующих регулирования скорости, при мощности 100 к. Вт и выше (насосы, вентиляторы, компрессоры и т. д. ), а также в схемах автоматики и электробытовых приборах (СД с постоянными магнитами, индукторные, гистерезисные, шаговые и т. д. ). B C Статор синхронной машины выполнен A также как асинхронной: в пазах сердечника статора расположена трехфазная обмотка Обмотка ротора питается от постороннего источника постоянного тока через контакт+ ные кольца и щетки и называется обмоткой N возбуждения. Она создает в синхронной машине основной - магнитный поток Ф 0 S Существуют две конструкции ротора: явнополюсная и неявнополюсная

Синхронные машины n 1 поток Ф 0 индуцирует в обмотках статора переменные ЭДС с частотой f 1=p n 1/60. При вращении ротора с частотой При подключении к обмотке статора нагрузки, в ней возникает ток, который создает вращающееся магнитное поле с частотой n 1 =60 f 1/p. Т. о. ротор вращается с такой же частотой, что и магнитное поле статора. Поэтому машину называют синхронной. В синхронных машинах обмотку статора, в которой наводится ЭДС и проходит ток нагрузки, называют обмоткой якоря. Часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения, называется индуктором. В синхронных машинах индуктор – ротор. Взаимодействие вращающегося магнитного поля статора с основным магнитным потоком Ф 0 создает электромагнитный момент М, который при работе синхронной машины генератором, является тормозящим моментом, а при работе двигателем вращающим.

Работа синхронного генератора при холостом ходе C 1 C 2 C 3 При х. х. ток статора I = 0 и магнитный поток V Ф 0 создается только обмоткой возбуждения Е 0 и направлен по оси полюсов ротора. N n 1 ПД + А S Iв При вращении ротора поток Ф 0 наводит в Е 0 обмотке статора ЭДС Характеристика холостого хода при I = 0 и n 1=const. 0 Iв

Реакция якоря синхронной машины В машине, работающей под нагрузкой, т. е при токах статора I ≠ 0, магнитное поле создается не только МДС ротора, но и МДС токов статора Воздействие МДС якоря на магнитное поле ротора называют реакцией якоря. N В + S + n 1 + В ненасыщенной машине в результате действия реакции якоря одна половина полюса размагничивается а другая – подмагничивается; кривая распределения магнитной индукции В сдвигается навстречу направления вращения на угол , но результирующий магнитный поток Ф остается неизменным. В насыщенной машине размагничивающее действие реакции якоря под одной половиной полюса сказывается сильнее, чем подмагничивающее - под другой половиной полюса. В результате снижается поток Ф, а, следовательно, и ЭДС, и электромагнитный момент. При индуктивном характере тока нагрузки размагничивающее действие реакции якоря усиливается, а при достаточной емкостной нагрузке – реакция якоря оказывает подмагничивающее воздействие.

Внешняя характеристика синхронного генератора Внешняя характеристика C 1 C 2 U 1 А 2 cos 1= const и n 1=const. U 1 А 1 I 1 + при Iв = const, C 3 V cos 1<1 U 1 о (RC) U 1 н cos 1=1 cos 1<1 (RL) Iв 0 I 1 н I 1 Относительное изменение напряжения генератора при номинальном токе называют номинальным изменением напряжения.

Регулировочная характеристика синхронного генератора Регулировочная характеристика показывает, как следует изменять (регулировать) ток возбуждения генератора при изменениях нагрузки, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось неизменно равным номинальным. Регулировочная характеристика: при U 1 = U 1 н = const, Iв cos 1<1 (RL) cos 1=1 cos 1<1 (RC) 0 cos 1= const и n 1=const. I 1

Электромагнитный момент синхронной машины Электромагнитный момент Мэм синхронной машины создается в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с основным магнитным потоком ротора Ф 0 где - угловая синхронная скорость вращения Электромагнитная мощность неявнополюсной синхронной машины где xc – синхронное индуктивное сопротивление обмотки статора Для явнополюсного синхронного генератора где xd и xq – синхронные индуктивные сопротивления по продольной и поперечной оси

Электромагнитный момент синхронной машины Электромагнитный момент неявнополюсной синхронной машины Для явнополюсной синхронной машины При увеличении нагрузки синхронного генератора растет ток I 1 и увеличивается угол , что ведет к изменению электромагнитной мощности Pэм и электромагнитного момента Mэм. Зависимости Pэм=f ( ) и Mэм=f ( ) называются угловыми характеристиками синхронной машины.

Угловая характеристика синхронной машины Mэм Mmax неявнополюсной синхронной машины Генератор Mн - - кр явнополюсной синхронной машины кр н /2 Максимальное значение Mэм соответствует Двигатель критическому значению угла кр -Mmax При изменении нагрузки СМ, соответствующем углу 0 < < кр, машина работает устойчиво. При этом любой нагрузке соответствует равенство вращающего момента первичного двигателя M 1 сумме противодействующих моментов, т. е. M 1 =Mэм +M 0 В результате частота вращения остается неизменной, равной синхронной частоте n 1.

Угловая характеристика синхронной машины При нагрузке СМ, соответствующем углу > кр, электромагнитный момент уменьшается, что ведет к нарушению равенства вращающего и противодействующего момента; частота вращения при этом увеличивается, машина выходит из синхронизма. Отношение максимального электромагнитного момента Mmax к номинальному Mн называется перегрузочной способностью синхронной машины Работа синхронной машины в режиме двигателя В режиме двигателя СМ потребляет энергию из сети и преобразует ее в механическую энергию. Электромагнитный момент Mэм при этом является движущим, а не тормозящим, как в режиме генератора. Угол между осью ротора и продольной осью магнитного поля машины становится отрицательным отстают от вращающего поля. < 0, т. е. полюсы ротора Однако частота вращения остается постоянной, равной синхронной частоте n 1.

Работа синхронной машины в режиме двигателя Если момент нагрузки на валу будет больше Mmax, то поддерживание синхронной частоты вращения n 1 будет невозможно, и двигатель выпадет из синхронизма: – скорость начнет падать, возникнут недопустимые колебания тока и вращающего момента, при этом двигатель необходимо отключить от сети. Обычно при номинальной нагрузке угол момент Mн 0, 5 Mmax n н= (20 -30)0, номинальный Механическая характеристика синхронного двигателя является абсолютно жесткой n 1 Частота вращения синхронного двигателя не зависит от момента нагрузки и равна синхронной частоте n 1. 0 Mн Mmax M

Пуск в ход синхронного двигателя Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента При неподвижном роторе за период изменения тока в статоре (0, 02 с при f 1=50 Гц) электромагнитный момент Mэм будет дважды менять свое направление, т. е. Mэм=0. Ротор, обладающий определенной инерцией, не может разогнаться в течении полупериода (0, 01 с) до синхронной частоты вращения n 1. Следовательно, для пуска СД необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до скорости близкой к синхронной. Для этой цели применяют метод асинхронного пуска: СД запускают как асинхронный, для чего снабжают ротор специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой, выполненной из латуни по типу беличьей клетки. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной n 2 = n 1(1 -S), подают ток в обмотку возбуждения и ротор втягивается в синхронизм.

Пуск в ход синхронного двигателя В А С S 1 S 2 + Перед включением обмотки статора в сеть обмотка ротора замыкается на сопротивление, а постоянный ток в нее не подается. После включения обмотки статора в сеть возникает вращающееся магнитное поле, которое индуктирует токи в пусковой обмотке. В результате возникает асинхронный вращающий момент, разгоняющий ротор до частоты вращения n 2 = n 1(1 -S), близкой к синхронной. Затем ОВ ротора отключается от сопротивления и подключается к источнику постоянного тока. При этом возникает обычный для синхронной машины момент взаимодействия вращающегося поля статора и полюсов ротора и СД втягивается в синхронизм. При вращении ротора с частотой n 1 токи в пусковой обмотке не наводятся и она не участвует в работе машины. Пускать СД с разомкнутой ОВ нельзя, т. к. при S=1 и значительном числе витков в ОВ в ней наводится ЭДС, которая может достигать больших значений, что может вызвать пробой изоляции.

Потери энергии и КПД синхронных машин Потери энергии основные и добавочные. Основные потери: электрические, магнитные, механические. 1) Электрические потери возникают при протекании электрического тока по обмоткам статора и ротора и приводят к их нагреву 2) Магнитные потери: - потери на гистерезис и вихревые токи имеют место только в сердечнике статора при его перемагничивании. Ротор вращается синхронно с магнитным полем и не перемагничивается. 3) Механические потери - потери на преодоление сил трения в подшипниках, в скользящем контакте и сил трения вращающихся частей о воздух, т. е. вентиляционные потери. Добавочные потери - включают в себя все виды трудноучитываемых потерь, вызванных пульсациями магнитного поля, действием высших гармоник, вихревыми токами в ряде частей машины и другими причинами. Коэффициент полезного действия для синхронного генератора где - активная мощность на нагрузке.

Потери энергии и КПД синхронных машин Коэффициент полезного действия для синхронного двигателя где - активная мощность потребляемая синхронным двигателем из сети. Коэффициент полезного действия синхронной машины зависит как от величины нагрузки (коэффициента нагрузки ), так и от ее характера (cos 1) cos 1=1 max cos 1<1 У синхронных машин с Pном<100 к. Вт max= (80÷ 90)%. У синхронных машин с Pном>100 к. Вт max= (90÷ 99)%. 0, 6÷ 0, 8

Параллельная работа синхронных машин Включение синхронных генераторов на параллельную работу - На каждой электростанции установлено несколько генераторов, которые включаются параллельно на одну сеть. - В современных энергосистемах на общую сеть работают целый ряд электростанций. Благодаря такой параллельной работе нескольких СГ достигается - большая надежность энергоснабжения, - снижение мощности аварийного резерва и т. д. Все параллельно работающие синхронные генераторы должны отдавать в сеть ток одинаковой частоты f. Следовательно их частоты вращения должны быть обратно пропорциональны числу пар полюсов: и т. д. если p 1 = p 2 = p 3, то и n 1 = n 2 = n 3 Условие синхронизации: Чтобы избежать при включении СГ на параллельную работу с сетью чрезмерно большого броска тока и возникновения ударных электромагнитных моментов необходимо отрегулировать режим работы СГ на холостом ходу перед его включением.

Параллельная работа синхронных машин Совокупность этих подготовительных операций называют синхронизацией генератора. Идеальные условия включения: 1) напряжение включаемого генератора Uг должно быть равно напряжению сети Uс; 2) частота генератора fг должна равняться частоте сети fс; 3) чередование фаз генератора и сети должно быть одинаково; 4) напряжения генератора Uг и сети Uс должны совпадать по фазе. При этом векторы напряжений генератора и сети совпадают и вращаются с одинаковой скоростью: с = г Неправильная синхронизация может привести к серьезной аварии: Если напряжения генератора Uг и сети Uс в момент включения находятся в противофазе, то эквивалентно КЗ при удвоенном напряжении и при включении ток достигает 2 Iкз, возникают ударные электромагнитные силы и моменты.

Параллельная работа синхронных машин Синхронные режимы параллельной работы синхронных машин Предположим, что сеть имеет бесконечную мощность, Uс = const и fс = const. Тогда напряжение параллельно работающего генератора Uг = Uс и если СГ – неявнополюсная машина, то пренебрегая rя получим 1) Изменение реактивной мощности. Режим синхронного компенсатора а) Если условия синхронизации выполнены и СГ включен на параллельную работу с сетью, то никакой нагрузки. E и , следовательно, I = 0 и машина не принимает б) Если после синхронизации увеличить ток возбуждения у U СГ (перевозбудить машину), то возникает ток, отстающий от Uс 900 I и от и, следовательно, и на 90 0. Машина будет отдавать в сеть индуктивный ток и реактивную мощность

Параллельная работа синхронных машин U E 900 I Uс б) Если после синхронизации уменьшить ток возбуждения у СГ (машина недовозбуждена), то тельно, возникает ток, отстающий от и и, следова, но опережающий на 900. Машина будет отдавать в сеть емкостный ток и потреблять из сети реактивную мощность. Т. о. перевозбужденная синхронная машина по отношению к сети эквивалентна емкости, а недовозбужденная машина – эквивалентна индуктивности. Синхронная машина, не несущая активной нагрузки и загруженная лишь реактивным током, называется синхронным компенсатором. Синхронные компенсаторы применяются для компенсации коэффициента мощности и поддержания нормального уровня напряжения в сети. В районе большой промышленной нагрузки перевозбужденный синхронный компенсатор будет снабжать асинхронные двигатели реактивной мощностью, а генераторы электростанции будут разгружены от этой мощности.

Параллельная работа синхронных машин 2) Изменение активной мощности. Режим генератора и двигателя. Чтобы включенный на параллельную работу СГ принял на себя активную нагрузку и работал в режиме генератора необходимо увеличить движущий механический момент (например, увеличив поступление пара в турбину). Вектора ЭДС генератора «забегут» вперед на угол и возникнет ток, отстающий от на 90, но при этом -900 < < 900. При этом , т. е. машина отдает активную мощность в сеть. Если притормозить ротор СГ, создав на валу механическую нагрузку, то ЭДС генератора будут отставать от на угол и возникнет ток отстающий от этом 900 < Uс на 90, но при < 2700. При этом , т. е. машина работает в режиме двигателя, потребляя активную мощность из сети.