Электрические машины

МОиН РФ

Омский государственный технический университет

Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»

Электрические машины

ЛЕКЦИЯ: “ Синхронные двигатели: особенности работы; способы пуска; угловые и U-образные характеристики синхронных двигателей; рабочие характеристики синхронных двигателей; синхронные компенсаторы.”

Омск 2005

1. Основные термины и определения.

1.  Рабочие характеристики вращающегося электродвигателя (рабочие характеристики) - зависимости подводимой мощности, то­ка в обмотке якоря, частоты вращения, коэффициента полезного действия вращаю­щегося электродвигателя от полезной мощ­ности на валу при неизменных напряжении питающей сети и внешних сопротивлениях в цепях обмоток.

Примечания: Коэффициент мощности определяет­ся только для вращающихся электро­двигателей переменного тока. Рабочие характеристики вращающих­ся электродвигателей переменного тока определяются при неизменной частоте
тока питающей сети

2.  Входной момент в синхро­низм - максимальный вращающий момент на­грузки, при котором синхронный двигатель, подключенный к питающей сети с номи­нальными напряжением и частотой может войти в синхронизм при подаче возбужде­ния

3.  Добавочные потери вра­щающейся электрической ма­шины (добавочные потери) - потери вращающейся электрической ма­шины, возникающие в результате наличия высших гармонических в кривых на­магничивающей силы обмоток, потока рас­сеяния обмоток, пульсации магнитного по­тока в воздушном зазоре, вытеснения тока в проводниках и других неосновных электромагнитных процессов

4.  Постоянные потери вра­щающейся электрической машины (постоянные потери) - потери вращающейся электрической ма­шины, практически не зависящие от нагруз­ки, если напряжение и частота вращения при этом остаются неизменны

5.  Основные электрические потери вращающейся электричес­кой машины (основные электрические по­тери) - потери в обмотках вращающейся элект­рической машины, определяемые как произведение сопротивления постоянному току на квадрат тока в обмотке, и элект­рические потери в скользящих контактах

6.  Основные магнитные по­тери вращающейся электрической машины (основные магнитные потери) - потери от гистерезиса и вихревых пото­ков, возникающие в ферромагнитных участ­ках магнитной цепи во вращающейся электрической машине при их перемагничивании основным магнитным потоком

7.  Механические потери вра­щающейся электрической маши­ны (механические потери) - потери вращающейся электрической ма­шины, возникающие в результате трения в подшипниках, трения щеток о коллектор или контактные кольца, трения вращаю­щихся частей о воздух, вентиляционные и другие потери на трение

8.  Асинхронный пуск вра­щающегося электродвигателя пере­менного тока (асинхронный пуск) - пуск вращающегося двигателя перемен­ного тока непосредственным или косвен­ным подключением его к питающей сети при замкнутой накоротко или на сопротив­ление вторичной обмотке

9.  Частотный пуск вращаю­щегося электродвигателя - пуск вращающегося электродвигателя переменного тока с подачей питания от ис­точника со значительно пониженной часто­той, постепенно повышаемой по мере раз­ворачивания двигателя

10. Электромашинный компенса­тор (компенсатор) - синхронная машина, предназначенная для генерирования или потребления реак­тивной мощности

2. Особенности двигательного режима синхронной машины

Ротор синхронного двигателя вращается с той же скоростью, что и магнитное поле машины. Синхронное вращение можно объяснить взаимодействием полюсов ротора и полюсов результирующего вращающегося поля. Вращающееся магнитное поле вследствие взаимодействия полей статора и ротора увлекает за собой ротор. При нагрузке двигателя под воздействием тормозного момента его ротор, продолжая вращаться синхронно, смещается относительно результирующего поля машины на угол θ. Чем больше нагрузка на валу, тем больше угол θ. Под углом θ, как и раньше, понимается угол между осью полюсов ротора и осью результирующего поля. Но в отличие от генератора, где ротор опережает поле, в двигателе он отстает от поля, т. е. является ведомым, поэтому для двигателей этот угол принимают отрицательным.

На рис. 2 даны две векторные диаграммы, одна из которых (рис. 2, а) соответствует режиму работы генератора параллельно с сетью, а другая (рис. 2,6) — двигательному режиму. На рис. 2, а ротор опережает результирующее поле (Е0 опережает U(г)), а на рис. 2,6 отстает от него (Е0 отстает от U(Д)). Под U(г) и U(Д) пони­маются напряжения на выводах машины, уравновешивающие напряжения сети U(г)=—UC и U(Д)=—UC.

Рис. 1. Распределение магнитного поля в воздушном зазоре синхронного двигателя при нагрузке

Рис. 2. Упрощенные векторные диаграммы синхронной машины для генераторного (а) и двигательного (б) режимов

На рис. 2,6 в соответствии с изменением фазы изменяется фаза тока I. Мощность, отдаваемая машиной в сеть, будет теперь отрицательной: , а мощность, поглощаемая из сети, положительной: . Эти неравенства подтверждают, что машина в данном случае (когда θ<0) будет работать двигателем. При построении векторных диаграмм синхронных двигателей принято фазу тока определять по отношению к вектору напряжения сети UC. Построение векторных диаграмм синхронного двигателя при известных U(Д), I и угле между ними выполняется так же, как и для генератора (левая часть рис. 3), исходя из уравнения

(1)

Если при построении диаграммы исходить из известного напряжения сети UС =U, то уравнение (1) будет иметь вид

(2)

Диаграмма по уравнению (2) построена в правой части рис. 3, причем для опережающего тока якоря. На рис. 3 показаны векторы МДС обмотки возбуждения и составляющих реакции якоря.

Рис. 3. Векторная диаграмма явнополюсного синхронного двигателя

Первый вектор отложен в сто­рону опережения ЭДС EQ на 90°, а два других - в фазе с токами Id и Iq. Из рис. 3 видно, что продольная реакция якоря в синхронном двигателе при опережающем токе действует размагничивающим образом (Fad направлен против FB) . Аналогично можно показать, что при отстающем токе продольная реакция якоря будет оказывать намагничивающее действие.

Эти выводы расходятся с выводами о влиянии реакции якоря на поле возбуждения, которые были получены для генератора. Однако это расхождение не вызвано различием в физических явлениях, а связано с различным отсчетом фазы тока в двигателе и генераторе. В двигателе фаза тока определяется по отношению к напряжению сети , а в генераторе — по отношению к собственному напряжению, находящемуся в противофазе с напряжением UC. Поэтому опережающему току в двигательном режиме соответствует отстающий ток в генераторном режиме.

3. Угловые и U-образные характеристики синхронного двигателя

Синхронный двигатель потребляет электрическую мощность Р1 из сети. Часть этой мощности расходуется на электрические потери в обмотке якоря Pэа и магнитные потери РM в статоре, а остальная ее часть передается вращающимся магнитным полем от статора к ротору. Эта мощность называется электромагнитной. Электромагнитная мощность РЭМ преобразуется в механическую, развиваемую ротором. Частично мощность РЭМ расходуется на покрытие механических РMX и добавочных РД по­терь. Оставшаяся ее часть Р2 является полезной механической мощностью на валу двигателя. Указанное преобразование мощности в синхронном двигателе показано на рис. 4.

Рис. 4. Энергетическая диаграмма синхронного двигателя

Уравнения для электромагнитной мощности синхронного двигателя можно получить из векторных диаграмм. Например, для явнополюсного двигателя электромагнитная мощность равна:

(3)

В неявнополюсном двигателе xq=хd, и поэтому вторая составляющая Р" будет отсутствовать. Электромагнитный момент получим, если (3) разделим на угловую скорость поля и ротора :

(4)

В двигателе электромагнитный вращающий момент на­правлен в сторону вращения, тогда как в генераторе — против вращения. В явнополюсном двигателе за счет второй составляющей М" (реактивного момента) вращающий мо­мент может создаваться и при отсутствии возбуждения IB=0 (E0=0). Напомним, что в (3) и (4) угол θ следует принимать отрицательным.

Рис. 5. Угловая характеристика электромагнитного мо­мента явнополюсного синхронного двигателя

На рис. 5 показана угло­вая характеристика M=f(θ) для двигательного режима (нижняя часть). Для сопостав­ления там же приведена аналогичная характеристика для генератора. Утолщенная часть кривой соответствует устойчивой части характеристики. Величина МMAX характеризует перегрузочную способность машины. Отношение МMAX/МHOM называется кратностью максимального момента. Согласно ГОСТ 183-74 эта кратность должна быть не менее 1,65. Из (4) видно, что МMAX в синхронных двигателях прямо пропорционален подводимому напряжению U и ЭДС E0. Это относится как к неявнополюсному двигателю, так и с некоторым приближением к возбужденному явнополюсному двигателю, так как у последнего МMAX определяется главным образом первой составляющей. Зависимость M=f(θ), представляющая собой угловую характеристику синхрон­ного двигателя, является его механической характеристи­кой. При номинальной нагрузке θHOM=20÷300.

U-образные характеристики двигателя могут быть построены по векторным диаграммам. Более точные результаты получаются из векторных диаграмм с учетом насыщения. U-образные характеристики для различных значений Р (или М) представлены на рис. 7. Как следует из сопоставления рис. 6 и 7, при работе с опережающим током двигатель перевозбужден, а при работе с отстающим током недовозбужден.

Рис. 6. Векторные диаграммы ненасыщенного неявнополюсного двигателя при Р=const

Рис. 7. Зависимости I=f(IB) и cosφ=f(IB) для синхронного двигателя при различных значениях Р(М): 1 - при P1(M1); 2 - при Р2>Р1 (М2>М1); 3 - при Р3>Р2 (М3>М2)

При перевозбуждении двигатель генерирует реактивную мощность непосредственно у потребителя, что способствует повышению cosφ сети. Это позволяет снизить реактивную мощность, вырабатываемую синхронными генераторами на электрических станциях, и уменьшить потери в линиях электропередачи. Возможность генерировать реактивную мощность выгодно отличает синхронные двигатели от асинхронных, которые потребляют реактивную мощность для возбуждения. Поэтому синхронные двигатели проектируются для работы при номинальной мощности с перевозбуждением (с опережающим током) и cosφHOM=0,9. Работа с перевозбуждени­ем предпочтительна также и для повышения максимального момента двигателя.

В соответствии с приведенными U-образными характеристиками на рис. 7 построены зависимости cosφ=f(IB) при различных значениях М. Отсюда следует, что при любых нагрузках на валу синхронные двигатели могут работать с различными значениями cosφ, в том числе и с cosφ=1. Достигается это изменением тока в обмотке возбуждения.

4. Рабочие характеристики синхронного двигателя

Рабочие характеристики синхронного двигателя могут быть получены или при IB=const, или при cosφ=const. На рис..8 показаны рабочие характеристики М, IB, Р1, I, η=f(P2) при условии U=const и cosφ=cosφHOM=const.

Рис. 8. Рабочие характерис­тики синхронного двигателя при cosφ=const

Зависимость момента на валу М2≈М от полезной мощности имеет линейный характер, так как скорость ω1=const . Как следует из рис. 7, для поддержания cosφ=const с увеличением на­грузки ток возбуждения IB сле­дует увеличивать.

При холостом ходе (Р2=0) двигатель потребляет из сети активную мощность, необходимую для покрытия потерь (механических и магнитных) внутри машины. Поэтому при холостом ходе ток статора не будет равен нулю. С возрастанием Р2 будет увеличиваться Р1, а следовательно, и ток ( где включает в себя как потери холостого хода — постоянные потери, так и электрические по­тери в обмотке якоря).

Зависимость КПД от Р2 не отличается от таковой для других машин. Обычно синхронные двигатели работают с постоянной скоростью. При необходимости регулировать скорость применяют частотный способ, при котором изме­няют скорость поля, а следовательно, и скорость ротора.

5. Пуск синхронного двигателя

Синхронный двигатель непосредственным включением обмотки статора (якоря) в сеть переменного тока не может быть запущен в ход.

Объясняется это следующим образом. При включении многофазной обмотки якоря в сеть практически мгновенно образуется вращающееся магнитное поле, частота вращения которого nп зависит oт частоты f протекающего по обмоткам тока (nп=60f/р). «Полюсы» этого поля, перемещаясь в пространстве, будут взаимодействовать то с одноименными, то с разноименными полюсами неподвижного, возбужденного ротора. В соответствии с этим будет меняться направление вращающего момента, действующего на ротор. В течение половины периода изменения тока в обмотках момент будет направлен в одну сторону, а в течение другой половины — в противоположную.

Пуск мог бы произойти, если бы ротор разогнался до установившейся скорости в течение полупериода, когда вра­щающий момент не меняет свой знак. При частоте 50 Гц полупериод равен 0,01 с. Из-за механической инерции за такое время роторы практически всех синхронных двигателей развернуться не смогут.

Существует несколько способов пуска двигателя. Эти способы заключаются в том, что в процессе пуска ротор двигателя разгоняется до скорости вращающегося поля, после чего двигатель входит в синхронизм и начинает работать как синхронный. Применение получили пуск с помощью разгонного двигателя, частотный пуск и асинхронный пуск. Наибольшее распространение имеет асинхронный пуск.

Пуск с помощью разгонного двигателя состоит в том, что посторонним (разгонным) двигателем ротор синхронной машины разворачивается до номинальной скорости. Обмотка возбуждения включена в сеть постоянного тока, а обмотка статора разомкнута. Затем производят включение ее на параллельную работу с сетью. После подключения машины к сети разгонный двигатель механически отсоединяют от вала синхронной машины, и последняя переходит в двигательный режим. Мощность разгонного двигателя невелика и составляет 10—20 % номинальной мощности синхронного двигателя. Эта мощность покрывает мощность механических и магнитных потерь в синхронном двигателе.

Частотный пуск применяется в том случае, если синхронный двигатель подключен к автономному источнику, часто­ту напряжения которого можно изменять от нуля до номинальной. Если плавно повышать частоту питающего напря­жения, то соответственно будет увеличиваться скорость магнитного поля. Ротор, следуя за полем, постепенно будет повышать свою скорость от нуля до номинальной. В процессе пуска машина все время работает в синхронном режиме.

Асинхронный пуск аналогичен пуску асинхронного двигателя. Для этого на роторе в полюсных наконечниках размещают пусковую обмотку. Эта обмотка выполняется по типу короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя и имеет то же устройство, что и демпферная обмотка генератора. При пуске трехфазная обмотка статора включается в сеть. Ток, который будет протекать по этой обмотке, создаст вращающееся магнитное поле. Оно наведет в пусковой обмотке ротора ЭДС и ток. В результате взаимодействия тока пусковой обмотки ротора с вращающимся магнитным полем образуется момент, под действием которого ротор придет во вращение и развернется до ско­рости, близкой к скорости поля ω1. Вращение его будет происходить со скольжением, которое зависит от нагрузки на валу (ω<ω1).

Вхождение в синхронизм достигается после включения постоянного тока в обмотку возбуждения за счет возникаю­щего при этом синхронизирующего момента. С этого време­ни машина начинает работать как синхронный двигатель. На рис. 9 показана схема асинхронного пуска. При пуске обмотка возбуждения не должна быть разомкнутой, так как в противоположном случае вследствие большого числа витков в ней вращающимся полем индуцировалась бы боль­шая ЭДС, опасная не только для изоляции, но и для обслуживающего персонала. Обмотку возбуждения нельзя также замыкать накоротко, так как в этом случае она образует несимметричный (однофазный) контур. Он явится причиной образования дополнительного момента, под действием которого произойдет провал в кривой механической характеристики вблизи полусинхронной скорости. Из-за этого ротор при пуске может застрять на промежуточной скорости (в точке А на рис. 10). В начале пуска обмотка возбуждения LM должна быть замкнута на резистор с сопротивлением, приблизительно в 10—15 раз большим, чем сопротивление самой обмотки (положение 1 переключателя S). По окончании пуска переключатель S переводится в положение 2, и обмотка возбуждения включается в сеть постоянного тока.

Рис. 9. Схема асинхронного пуск синхронного двигателя

Рис. 10. Механическая характеристика двигателя при асинхронном пуске с провалом вблизи полусинхронной скорости

Рис. 11. Механическая характеристика двигателя при асинхронном пуске

Асинхронный пуск синхронного двигателя характеризу­ется значениями пускового тока IП и вращающих моментов— начального пускового МП и входного МB (рис. 11). Входным называется асинхронный момент при скорости ротора, равной 0,95ω1. Этот момент равен наибольшему на­грузочному моменту, при котором возможно вхождение двигателя в синхронизм при включении постоянного тока в обмотку возбуждения.

Если сеть, в которую включается синхронный двигатель, недостаточно мощна, то во избежание большого падения напряжения при асинхронном пуске применяют меры для снижения начального пускового тока: включение через автотрансформатор, реактор и т. д.

6. Синхронные компенсаторы

Синхронный компенсатор является источником реактивной мощности и служит для регулирования cosφ сети. По режиму работы он является синхронным двигателем, работающим в режиме холостого хода, т. е. без механической нагрузки на валу. Синхронный компенсатор потребляет активную мощность, равную потерям внутри машины. Для повышения экономичности его работы потери стараются уменьшить, применяя для охлажде­ния водород, при этом из-за меньшей плотности водорода по сравнению с воздухом снижаются механические потери.

Рис. 12. U-образная характеристика синхронного компенсатора

Наиболее важной характе­ристикой синхронного компенсатора является U-образная характеристика (рис. 12). Она мало отличается от аналогичной характеристики синхронного двигателя при Р2=0.

Реактивная мощность, развиваемая синхронным компенсатором, зависит от тока возбуждения. Перевозбужденный синхронный компенсатор работает с током, опережающим напряжение сети, и отдает реактивную мощность в сеть. При недовозбуждении он работает с током, отстающим от напряжения сети, и потребляет реактивную мощность из сети.

Синхронный компенсатор включается в конце линии передачи непосредственно у потребителя. Компенсируя частично или полностью реактивную составляющую тока линии, он уменьшает общий ток и потери в ней.

Синхронные компенсаторы чаще всего применяются в сетях с большой индуктивной нагрузкой для компенсации отстающего тока. Такую нагрузку обычно создают включенные в сеть асинхронные двигатели. Компенсатор в этом случае работает с перевозбуждением. На рис. 13, 14 показаны схема включения компенсатора GC и векторная диаграмма. На векторной диаграмме ток I представляет собой ток в сети при отсутствии синхронного компенсатора, а ток I' — при его включении. Реактивная составляющая IР тока I частично скомпенсирована током синхронного компенсатора IC, K. В результате этого уменьшается угол между напряжением U и током I', a cosφ' повышается.

В некоторых случаях синхронный компенсатор работает с недовозбуждением. Необходимость в этом возникает, если ток в линии содержит значительную опережающую составляющую, обусловленную ее емкостным сопротивлением. Это наблюдается в часы малой нагрузки линии передачи, когда отстающий ток нагрузки не компенсирует емкостную составляющую тока линии.

Синхронные компенсаторы устанавливаются также и для регулирования напряжения в конце линии электропередачи путем регулирования реактивного тока и изменения падения напряжения и его фазы. При опережающем токе синхронного компенсатора его ток возбуждения больше, чем при отстающем, поэтому условия нагрева компенсатора получаются более тяжелыми при опережающем токе.

Рис. 13. Схема включения синхронного компенсатора

→

Рис. 14. Векторная диаграмма для тока в сети при включенном синхронном компенсаторе

Вследствие этого номинальной мощностью синхронного компен­сатора считается мощность при опережающем токе.

Синхронные компенсаторы имеют некоторые конструктивные отличия от двигателей. Они не имеют выходного конца вала, кроме того, поскольку вал не передает вращающего момента, он может быть выполнен тоньше. Так как от синхронного компенсатора не требуется обеспечения больших перегрузок по моменту, то МMAX у них может быть снижен за счет уменьшения воздушного зазора (увеличения хd). Уменьшение воздушного зазора способствует сокращению размеров обмотки возбуждения. Все это приводит к уменьшению габаритов синхронного компенсатора.

Компенсаторы выпускаются на мощности от 2,8 до 320 MB∙А обычно в горизонтальном исполнении. Их номинальные напряжения составляют 6,6-20 кВ, а частота вращения 1000 или 750 об/мин.

7. Контрольные вопросы и домашнее задание.

№	Содержание	Литература
1	При каких условиях синхронная машина работает в двигательном режиме?	3, §37-1
2	Сравните векторные диаграммы синхронной машины (рис. №2) для двигательного и генераторного режимов работы?	3 §37-1
3	Дайте определения существующим в синхронном двигателе потерям?	1, §37-2; 3, §35-2
4	Запишите уравнения электромагнитной мощности и электромагнитного момента синхронного двигателя, укажите физический смысл величин уравнений?	2, §4-15 1, §37-2
5	Сравните угловые характеристики синхронного генератора и синхронного двигателя (рис. №5)?	1, §37-2; 2, §4-15
6	Как изменится коэффициент мощности соsφ при изменении тока возбуждения синхронного двигателя?	3, §35-3; 1, §37-2
7	Какие характеристики синхронного двигателя называются рабочими?	2, §4-15; 1, §37-3
8	Способы пуска синхронного двигателя, дайте определения и сравните частотный и асинхронный пуски?	3, §37-1; 1, §37-2 2, §4-15
9	Для чего во время асинхронного пуска синхронного двигателя (рис. №9) его обмотка возбуждения замыкается на резистор R?	1, §37-4
10	В каких случаях синхронный двигатель работает как синхронный компенсатор, его назначение, область применения?	3, §37-2; 2, §4-16

8. Литература

1. Токарев машины.– М.: Энергоатомиздат, 1990, 624 с.

2. Копылов машины – М.: Логос, 2000, 607с.

3. Вольдек машины. – Л.: Энергия, 1978. – 832с.