В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже

Преобразование энергии в синхронной машине связано с потерями энергии. Все виды потерь в синхронной машине разделяются на основные и добавочные.

Основные потери в синхронной машине слагаются их электрических потерь в обмотке статора, потерь на возбуждение магнитных потерь и механических потерь.

Электрические потери в обмотке статора (Вт)

В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже

  • где r1 – активное сопротивление одной фазы обмотки статора при расчетной рабочей температуре, Ом.
  • Потери на возбуждение (Вт):
  • а) при возбуждении от отдельного возбудительного устройства

В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже

где r1 – активное сопротивление обмотки возбуждения при расчетной рабочей температуре, Ом; ∆Uщ=2В – падение напряжения в щеточном контакте щеток;

б) при возбуждении от генератора постоянного тока (возбудителя), сочлененного с валом синхронной машины,

В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже

где ηв – 0,80 ÷0,85 – КПД возбудителя.

Магнитные потери синхронной машины происходят в сердечнике статора, который подвержен перемагничиванию вращающимся магнитным поле. Эти потери состоят из потерь от гистерезиса Pг и потерь от вихревых токов Pв.т.:

Pм= Pг+ Pв.т. (6.16)

Механические потери (Вт), равные сумме потерь на трение в подшипниках и потерь на вентиляцию (при самовентиляции машины),

В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже

где

В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже

  1. окружная скорость на поверхности полюсного наконечника ротора, м/с; l1 – конструктивная длина сердечника статора, мм.
  2. Добавочные потери в синхронных машинах разделяются на два вида: пульсационные потери в полюсных наконечниках ротора и потери при нагрузке.
  3. Добавочные пульсационные потери Pп в полюсных наконечниках ротора обусловлены пульсацией магнитной индукции в зазоре из-за зубчатости внутренней поверхности статора. Значение этих потерь (Вт)

В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже

где kп – коэффициент, учитывающий толщину листов полюсов ротора (при толщине листов 1 мм kп =4,6; при толщине листов 2 мм kп =8,6; при массивных полюсных наконечниках kп =23,3); bp – ширина полюсного наконечника, мм; z1 – число пазов на статоре; Bδ – магнитная индукция в зазоре статора; t1 – зубцовое деление статора, мм.

Добавочные потери при нагрузке Pдоб в синхронных машинах определяют в процентах от подводимой мощности двигателей или от полезной мощности генераторов. Для синхронных машин мощностью до 1000 кВт добавочные потери при нагрузке принимают равными 0,5%, а для машин мощностью более 1000 кВт – 0,25 – 0,4%, суммарные потери в синхронной машине (кВт)

В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже

Коэффициент полезного действия:

для синхронного генератора

В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже

для синхронного двигателя

В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже

Здесь U1ном и I1ном – фазные значения напряжения и тока статора. КПД синхронной машины зависит от величины нагрузки (β=P2/Pном) и от ее характера (cosφ1).

КПД синхронных машин мощностью до 100 кВт составляет 80-90%, у более мощных машин КПД достигает 92-99%. Более высокие значения КПД относятся к турбо- и гидрогенераторам мощностью в десятки и даже сотни тысяч киловатт.

При изменении тока возбуждения Iв ток статора I1. (рис. 6.10).

Рис. 6.10 Зависимость cosφ и I1 от тока возбуждения Iв

При изменении Iв I1 меняется по амплитуде и фазе.

При недовозбуждении синхронный двигатель потребляет ток из сети, при перевозбуждении отдает его в сеть (см. рис. 6.10).

Это свойство используют для компенсации мощности в электроэнергетике. СД, работая без нагрузки на валу в режиме перевозбуждения, повышает cos φ сети, вырабатывая реактивную мощность для потребителей. Такой СД называют синхронным компенсатором.

Трансформаторы

Трансформатором называется статическое (т. е. без движущихся частей) электромагнитное устройство, предназначенное чаще всего для преобразования одного переменного напряжения в другое (или другие) напряжение той же частоты. Трансформатор имеет не менее двух обмоток с общим магнитным потоком, которые электрически изолированы друг от друга (за исключением автотрансформаторов).

Для усиления индуктивной связи и снижения влияния вихревых токов, в большинстве трансформаторов обмотки размещаются на магнитопроводе, собранном из листовой электротехнической стали (рис. 7.1).

Магнитопровод отсутствует лишь в воздушных трансформаторах, которые применяются при частотах примерно свыше 20 кГц.

При таких частотах магнитопровод все равно практически не намагничивается из-за значительного увеличения вихревых токов.

Обмотка трансформатора, присоединенная к источнику питания (сеть электроснабжения, генератор), называется первичной.

Соответственно первичными именуются все величины, относящиеся к этой обмотке, — число витков, напряжение, ток и т. д. Буквенные обозначения их снабжаются индексом 1, например w1, u1, i1 (рис. 7.1).

Обмотка, к которой подключается приемник (потребитель электроэнергии), и относящиеся к ней величины называются вторичными (индекс 2).

Различают однофазные (для цепей однофазного тока) и трехфазные (для трехфазных цепей) трансформаторы. У трехфазного трансформатора первичной или вторичной обмоткой принято называть соответственно совокупности трех фазных обмоток одного напряжения. На рис. 7.2 показаны основные условные графические обозначения однофазного (1, 2, 3) и трехфазного (4, 5, 6) трансформаторов.

На щитке трансформатора указываются его номинальные напряжения — высшее и низшее, в соответствии с чем следует различать обмотку высшего напряжения (ВН) и обмотку низшего напряжения (НН) трансформатора.

Кроме того, на щитке должны быть указаны его номинальная полная мощность (В А или кВ А), токи (А) при номинальной полной мощности, частота, число фаз, схема соединений, режим работы (длительный или кратковременный) и способ охлаждения.

В зависимости от способа охлаждения трансформаторы делят на сухие и масляные. В последнем случае выемная часть трансформатора погружается в стальной бак, заполненный маслом.

На рис. 7.3 показан трансформатор трехфазный масляный с трубчатым баком (в частичном разрезе).

Где I — магнитопровод; 2 — обмотка НН в разрезе; ниже нее и на среднем стержне магнитопровода неразрезанные катушки обмотки ВН – 3; 4 — выводы обмотки ВН; 5 — выводы обмотки НН; 6 — трубчатый бак для масляного охлаж­дения; 7 — кран для заполнения маслом; 8 — выхлопная труба для газов; 9 — газовое реле; 10 — расширитель для масла; 11 — кран для спуска масла.

Рис. 7.1

Рис. 7.2

Рис. 7.3

Если первичное напряжение U1 трансформатора меньше вторичного U2, то он работает в режиме повышающего трансформатора, в противном случае (U1 > U2) — в режиме понижающего трансформатора.

Впервые с техническими целями трансформатор был применен П. Н. Яблочковым в 1876 г. для питания электрических свечей. Но особенно широко трансформаторы стали применяться после того, как М. О. Доливо-Добровольским была предложена трехфазная система передачи электроэнергии и разработана конструкция первого трехфазного трансформатора (1891 г.).

Рабочий процесс однофазного трансформатора практически такой же, как и одной фазы трехфазного трансформатора. Поэтому, чтобы облегчить изложение, сначала рассмотрим работу однофазного двухобмоточного трансформатора, а затем уже отметим особенности трехфазных трансформаторов.

Потери мощности в синхронном двигателе. КПД двигателя

Преобразование энергии в синхронной машине связано с потерями энергии. Все виды потерь в см разделяются на основные и добавочные.

  • Основные потери в см слагаются из электрических потерь в обмотке статора, потерь на возбуждение, магнитных и механических потерь.
  • Электрические потери в обмотке статора: В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже , где r1 – активное сопротивление одной фазы обмотки статора при расчетной рабочей температуре.
  • Потери на возбуждение:
  • 1) При возбуждении от отдельного возбудительного устройства

В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже

где– активное сопротивление обмотки возбуждения, В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже — падение напряжения в контакте щеток.

2) При возбуждении от генератора постоянного тока, сочлененного с валом см.

В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже

Магнитные потери синхронной машины происходят в сердечнике статора, который подвержен перемагничиванию вращающимся магнитным полем. Эти потери состоят из потерь от гистерезиса Рг и вихревых токов Рв.т.

Механические потери, равные сумме потерь на трение в подшипниках и потерь на вентиляцию. В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже , где v2 – окружная скорость на поверхности полюсного наконечника ротора, l1 – конструктивная длинна сердечника статора.

Добавочные потери в синхронных машинах разделяются на два типа: пульсационные потери в полюсных наконечника ротора и потери при нагрузке.

Добавочные потери при нагрузке Рдоб в синхронных машинах определяют в % от подводимой мощности двигателей или от полезной мощности генераторов. Для синхронных машин мощностью до 1000 кВт добавочные потери 0,5%, а для см мощностью > 1000 кВт – от 0,25 до 0,4%.

Добавочные пульсационные потери Рп в полюсных наконечниках ротора обусловлены пульсацией магнитной индукции в зазоре из-за зубчатости внутренней поверхности статора.

В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже

Коэффициент полезного действия:

В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже

Дата добавления: 2016-07-18; просмотров: 4948; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Узнать еще:

Синхронный двигатель

Принцип действия синхронного двигателя.

Так как синхронная машина обладает свойством обратимости, конструкция двигателя практически не отличается от конструкции синхронного генератора. Однако взаимодействие элементов теперь отвечает принципу действия двигателя.

Электрическая активная мощность Р потребляется из сети, в результате чего по обмоткам статора протекает ток. Ток, как и в генераторе, создаёт МДС Fст, а она – потоки Фd и Фр,я, наводящие в обмотке статора ЭДС и .

По обмотке ротора протекает ток возбуждения Iв, её МДС Fв создаёт магнитный поток ротора Ф0. Вращаясь вместе с ротором, поток Ф0 в соответствии с законом электромагнитной индукции (ЭМИ) индуцирует в обмотке статора ЭДС , которая направлена против напряжения сети .

Читайте также:  Горячий двигатель что будет открыть антифриз

Сумма ЭДС В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже с учётом падения напряжения на активном сопротивлении обмотки статора уравновешивает напряжение сети . Магнитные потоки Ф0, Фd и Фр,я образуют результирующий магнитный поток двигателя Фрез.

Вал двигателя сцеплён с валом рабочей машины РМ (например, со шпинделем металлорежущего станка), потребляющей механическую энергию и создающей момент сопротивления Мс. В результате действия тормозящего момента Мс полюсы ротора отстают от полюсов результирующего поля статора (см. рис. 4.6).

В двигательном режиме результирующий магнитный поток двигателя Фрез является ведущим; вращаясь, он увлекает за собой ротор, создавая вращающий момент М двигателя, преодолевающий тормозной момент Мс механической нагрузки.

Уравнение второго закона Кирхгофа для обмотки статора.

В двигательном режиме синхронная машина потребляет из сети ток, который  направлен навстречу ЭДС (рис.4.14,а).

  • Уравнение, записанное по второму закону Кирхгофа для фазы обмотки статора
  • В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже,   (4.4)
  • показывает,  что противо-ЭДС и индуктивное падение напряжения jXсин уравновешивают напряжение сети (предполагается, что
    =0).

    В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже

  • Векторная диаграмма  синхронного  двигателя.

Векторная диаграмма построена по уравнению (4.4) на рис. 4.14, б. В результате действия механической нагрузки Мс ось магнитного потока ротора Ф0 отстает на угол от оси результирующего магнитного потока Фрез.

Поэтому в двигательном режиме вектор ЭДС отстает по фазе на угол от вектора напряжения сети . Сопоставление векторных диаграмм синхронного двигателя (рис. 4.14,б) и синхронного генератора (см. рис. 4.13) показывает, что угол меняет свой знак.

При построении векторной диаграммы двигателя вектор принимается за исходный.

Вектор тока отстает по фазе на 90° от вектора  jXсин.

Мощность и вращающий момент синхронного двигателя.

Активная мощность, потребляемая трехфазным синхронным двигателем из сети, равна утроенной фазной мощностиВ каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже.

Если пренебречь потерями, которые относительно малы, то активная потребляемая мощность равна электромагнитной мощности, т. е. мощности, передаваемой магнитным полем из статора в роторВ каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже, где — угол сдвига фаз между током и ЭДС.

Из треугольников Оса и асb векторной диаграммы на рис. 14.14, б следует, что отрезок  В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже , где —масштабный коэффициент. Подставляя значение  IcosΨ в выражение для Рэм, получаем для механической мощности на валу двигателя
В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже.

Механический момент на валу двигателя
В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже,

(4.5)

где — угловая скорость ротора; Мтах = — максимальный момент, развиваемый двигателем. При постоянном напряжении сети Uc максимальный момент двигателя зависит только от ЭДС Е0, т.е. от тока возбуждения ротора Iв.

Угловая и механическая характеристики.

Зависимость момента синхронной машины от угла нагрузки при Uc = const называется угловой характеристикой машины. Угловая характеристика (рис. 4.15) в соответствии с (4.5) имеет вид синусоиды.

В двигательном режиме угол положительный, поэтому на графике двигательному режиму соответствует положительная полуволна синусоиды.

В генераторном режиме угол отрицательный, ему соответствует отрицательная полуволна синусоиды. В диапазоне угла нагрузки -90°0 P2> P1.

Минимум тока на характеристиках соответствует активному току, потребляемому двигателем , левые ветви – перевозбуждённому двигателю и ёмкостному току.

При уменьшении тока возбуждения Iв уменьшается ЭДС Е0 и угол увеличивается (рис.4.17).

Штриховая кривая АВ на рис. 4.18 представляет собой границу устойчивости, на которой =90°.

Наиболее экономичным для самого синхронного двигателя является режим работы с , так как двигатель развивает заданную механическую мощность при наименьшем, чисто активном токе статора.

Рис. 4.17 и 4.18

Обычно в эксплуатации синхронный двигатель перевозбуждают с целью улучшения cosφ сети. Режим перевозбуждения выгоден и тем, что уменьшается угол и возрастает перегрузочная способность двигателя.

Вместе с этим следует учитывать, что обмотки статора двигателя рассчитаны на определённый ток с точки зрения нагрева.

Поэтому, чем больше загрузка двигателя активным током Ia (определяющим механическую мощность и момент на валу), тем меньше возможности использования двигателя в качестве генератора реактивной (ёмкостной) мощности за счёт реактивной составляющей тока Ip.

Синхронные компенсаторы.

Синхронные компенсаторы – это синхронные машины, специально предназначенные для улучшения коэффициента мощности (cosφ) электрической сети.

Они работают без механической нагрузки на валу (ток Ia мал) в перевозбуждённом режиме (правая ветвь U – образной характеристики Р=0 на рис. 4.20).

Поскольку синхронные компенсаторы работают вхолостую и загружены только реактивным током Ip, они имеют облегчённую механическую конструкцию и, следовательно, меньшие размеры и массу.

Пуск синхронного двигателя.

Пуск синхронного двигателя сопряжён с трудностями. Если статорную обмотку включить в трёхфазную сеть, а обмотку возбуждения питать от источника постоянного напряжения Uв (рис. 4.19), то ротор не сдвинется с места – из-за инерционности ротора вращающееся поле статора не успевает сцепиться с неподвижным полем ротора.

Распространение получил так называемый асинхронный пуск синхронного двигателя. Для осуществления асинхронного пуска ротор синхронного двигателя снабжается специальной пусковой короткозамкнутой обмоткой из медных или алюминиевых стержней типа беличьей клетки асинхронного короткозамкнутого двигателя. Пуск двигателя осуществляют следующим образом (рис. 4.19).

Вначале обмотка возбуждения синхронного двигателя замыкается на пусковой реостат Rп, сопротивление которого в 8 – 10 раз больше, чем сопротивление обмотки возбуждения (если оставить обмотку возбуждения разомкнутой, то в ней при пуске вращающимся полем статора будет наводиться значительная ЭДС, опасная для изоляции).

При включении обмотки статора на трёхфазное напряжение двигатель за счёт короткозамкнутой обмотки начинает работать как асинхронный. Когда частота вращения ротора двигателя достигает примерно 95% синхронной частоты вращения поля статора n0, пусковой реостат Rп отключают, а обмотку возбуждения ротора включают на постоянное напряжение Uв.

Так как теперь частота вращения поля статора отличается незначительно от частоты поля вращающегося ротора, полюсы полей статора и ротора вступают во взаимодействие, двигатель втягивается в синхронизм и начинает работать как синхронный.

В рабочем, т.е. в синхронном, режиме токи в пусковой короткозамкнутой обмотке не возникают и она в работе машины не участвует. Однако при кратковременных толчках механической нагрузки на валу в пусковой обмотке токи наводятся и создают момент, демпфирующий колебания ротора.

Преимущества, недостатки и применение синхронных двигателей.

Преимущество синхронных двигателей перед асинхронными состоит в том, что благодаря возбуждению от независимого источника постоянного тока они работают при высоком коэффициенте мощности (до ) и даже с опережающим током.

Это обстоятельство позволяет увеличивать cosφ всей сети. Кроме того, работа двигателя с высоким cosφ обеспечивает уменьшение потребляемого тока и потерь в синхронном двигателе по сравнению с асинхронным той же мощности и, следовательно, более высокий КПД.

Наконец, вращающий момент синхронного двигателя пропорционален напряжению сети Uc . Поэтому при понижении напряжения в сети синхронный двигатель сохраняет большую перегрузочную способность, чем асинхронный, и, следовательно, обладает большей надёжностью.

Вместе с тем синхронный двигатель сложнее по конструкции, чем асинхронный той же мощности, и поэтому дороже. Синхронные двигатели должны иметь источник постоянного тока (специальный возбудитель или выпрямитель), пуск у них протекает сложнее, чем у асинхронных. Частотное регулирование является единственным способом регулирования угловой частоты вращения ротора синхронного двигателя.

Тем не менее, преимущества синхронных двигателей настолько велики, что при мощностях свыше 100 кВт их целесообразно применять всюду, где не требуется часто останавливать и пускать механизмы или регулировать их скорость. В настоящее время они применяются для привода преобразовательных агрегатов, компрессоров, насосов, вентиляторов, мельниц, дробилок, нерегулируемых прокатных станов и т.п.

Отечественная промышленность выпускает трёхфазные синхронные двигатели мощностью от 20 кВт до нескольких десятков тысяч киловатт при частотах вращения от 100 до 1000 об/мин в явнополюсном исполнении и при 1500, 3000 об/мин – в неявнополюсном, с различным исполнением по способу защиты от внешних воздействий (открытое, защищённое, закрытое и т.д.), с различным рабочим положением вала (горизонтальные, вертикальные) и с различными системами возбуждения: от генератора постоянного тока, расположенного на одном валу с двигателем, от тиристорных выпрямителей и т.д.

Потери и коэффициент полезного действия синхронных генераторов

Синхронные машины используется чаще всего как генераторы для производства электрической энергии переменного тока на электрических станциях, но в то же время они имеют широкое применение и как двигатели, а также как синхронные компенсаторы, представляющий собой по существу синхронные двигатели, работающие в режиме холостого хода.
Синхронные генераторы чаще всего приводятся во вращение паровыми и гидравлическими турбинами. В первом случае синхронный генератор называется турбогенератором, а во втором — гидрогенератором.
Паровые турбины принадлежат к числу быстроходных машин, соответственно чему турбогенераторы имеют неявнополюсное исполнение. Наоборот, гидрогенераторы имеют явнополюсное исполнение, так как гидравлические турбины принадлежат к числу тихоходных машин.

  • В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже
  • Синхронный генератор
  • Все потери, возникающие в синхронной машине, можно разделить на две группы:
  • К основным относятся потери, которые возникают в результате проявления основных электромагнитных и механических процессов работы машины.
  • Такими потерями являются: основные потери в меди статорной обмотки и в меди обмотки возбуждения, потери в активной стали статора, потери на трение в подшипниках и щетках контактных колец и вентиляционные потери.

К добавочным относятся потери, которые возникают в результате проявления вторичных процессов электромагнитного характера. Некоторые из них имеют место при холостом ходе машины, другие возникают при нагрузке. Соответственно этому различают:

  • добавочные потери холостого хода,
  • добавочные потери короткого замыкания.

Причинами возникновения добавочных потерь являются:

  • потоки рассеяния статора,
  • высшие гармонические составляющие напряжения статора и ротора,
  • потери, обусловливаемые зубчатостью статора и ротора.
  1. В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже
  2. Генератор на электростанции
  3. Основной причиной возникновения добавочных потерь являются потоки рассеяния статора. Они создают добавочные потери:
  • в пазовой и лобовой частях обмотки статора,
  • во всех металлических частях, куда проникает поток рассеяния,— щитах, нажимных плитах, бандажах и т. д.

Высшие гармонические составляющие напряжения создают добавочные потери на поверхности статора и ротора, перемещаясь относительно них с разными скоростями. Так как эти потери не проникают сколько-нибудь глубоко в металлические части из-за экранирующего действия вихревых токов, то их называют поверхностными.
Зубцовые гармонические магнитного поля вызывают частью поверхностные потери на поверхности статора и ротора вследствие поперечных колебаний потока, а частью — пульсационные потери вследствие продольных колебаний потока в зубце. Пульсационные потери по сравнению с поверхностными обычно невелики.
Средствами, с помощью которых удается уменьшить добавочные потери, являются:

  • деление проводников обмотки статора по высоте паза па ряд элементарных проводников и транспозиция их в активной и иногда в лобовой части обмотки;
  • выполнение обмотки с соответственным укорочением шага и конусным расположением лобовых частей;
  • выполнение нажимных плит, бандажей и т. д. из немагнитной стали;
  • рифление ротора в турбогенераторах.

Коэффициент полезного действия (К. п. д.) синхронного генератора вычисляется по формуле:
В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже
где P — полезная мощность, а сумма (p) — сумма всех потерь.
Коэффициент полезного действия (К. п. д.) турбогенераторов с воздушным охлаждением, работающих при полной нагрузке и коэффициенте мощности — 0,8, составляет 92—95% в турбогенераторах мощностью 0,5—3 МВт и 95—98,8% в турбогенераторах мощностью 3,5—300 МВт.

  • При водородном охлаждении коэффициент полезного действия турбогенератора повышается при полной нагрузке примерно на 0,8%.
  • Гидрогенераторы имеют практически такой же коэффициент полезного действия, как и турбогенераторы.
  • Другие статьи по теме:
  • Как устроены генераторы постоянного и переменного тока
  • Как устроены синхронные турбо- и гидрогенераторы
  • Синхронные машины — двигатели, генераторы и компенсаторы
  • Режимы работы синхронных генераторов, рабочие характеристики генераторов
  • Релейная защита синхронных машин

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Ранее на эту тему: Справочник электрика / Трансформаторы и электрические машины

Что читают другие?

  • Классификация электромеханических преобразователей энергии
  • Синхронные машины — двигатели, генераторы и компенсаторы
  • Электрические станции в картинках из диафильма
  • Назначение и устройство синхронных машин
  • Электромеханические свойства синхронных двигателей
  • Как устроены синхронные турбо- и гидрогенераторы
  • Классификация электрических машин
  • Синхронные компенсаторы в электрических сетях
  • Синхронные двигатели малой мощности
  • Какой генератор лучше — синхронный или асинхронный
  • Вопрос 59. Потери и КПД синхронных машин. Магнитные потери. КПД синхронного генератора. Энергетическая диаграмма

    Преобразование механической энергии в электрическую в генераторе и электрической энергии в механическую в двигателе сопровождается некоторыми потерями энергии, которые выделяются в виде тепла, нагревая электрическую машину.

    Электрические потери ΔРэл появляются в результате того, что каждая обмотка обладает определенным сопротивлением, препятствующим прохождению по ней электрического тока. Они пропорциональны сопротивлению данной обмотки и квадрату протекающего по ней тока, т. е.

    сильно возрастают с увеличением нагрузки машины. Электрические потери вызывают нагрев проводов обмоток.

    К электрическим потерям относятся также потери, возникающие при протекании тока через щетки и через переходное сопротивление между щетками и коллектором; они вызывают нагрев коллектора и щеток.

    Магнитные потери ΔРМ (потери в стали) возникают в сердечниках якоря и полюсов в результате перемагничивания стали этих сердечников и образования в них вихревых токов.

    Перемагничивание стали сердечника якоря происходит потому, что при вращении якоря каждая его точка попеременно проходит то под северным, то под южным полюсам.

    Перемагничивание стали полюсных наконечников вызывается в результате изменения магнитной индукции в воздушном зазоре машины в пределах ±ΔВ при вращении зубчатого якоря.

    В машинах, имеющих зубцы на статоре и роторе (машины постоянного тока с компенсационной обмоткой, асинхронные и синхронные), при вращении ротора создаются заметные пульсации индукции в зубцах, что также приводит к образованию вихревых токов и соответствующим потерям мощности. Магнитные потери вызывают нагрев сердечника якоря и полюсов, они почти не зависят от нагрузки машины, но резко возрастают с увеличением частоты перемагничивания, т. е. частоты вращения якоря.

    Механические потери ΔPМХ возникают в результате трения: в подшипниках, щеток по коллектору, деталей машины о воздух в процессе вентиляции. Эти потери вызывают нагрев подшипников, коллектора и щеток, с увеличением нагрузки они возрастают незначительно. При повышении частоты вращения якоря электрической машины механические потери резко возрастают.

    • Добавочные потери ΔPдоб обусловливаются различными вторичными явлениями, имеющими место при работе электрических машин под нагрузкой: возникновением вихревых токов в проводниках обмотки якоря, неравномерным распределением тока по сечению проводников и индукции в воздушном зазоре машины, воздействием коммутационных токов (в машинах постоянного тока) и переменных потоков рассеяния (в машинах переменного тока), которые индуцируют вихревые токи в крепежных деталях, и др.
    • КПД синхронной машины зависит от величины нагрузки (β = Р2/ Рном) и от ее характера (соs φ1).
    • h = Р2 / Р2 + ΔP

    Вопрос 60. Параллельная работа синхронных генераторов. Необходимость и условия включения на параллельную работу синхронных генераторов. Способы включения синхронных генераторов на параллельную работу.

    Применение нескольких параллельно включенных синхронных генераторов вместо одного генератора суммарной мощности необходимо для обеспечения бесперебойного энергоснабжения в случае аварии в каком-либо генераторе или отключения его для ремонта.

    Для включения синхронного генератора на параллельную работу необходимо выполнить следующие условия: 1. Напряжение подключаемой машины должно быть равно напряжению сети или работающей машины. 2.

    Частота подключаемого генератора должна быть равна частоте сети. 3.

    Напряжения всех фаз подключаемой машины должны быть противоположны по фазе напряжениям соответствующих фаз сети или работающей машины.

    4. Для подключения на параллельную работу трехфазного синхронного генератора необходимо также обеспечить одинаковое чередование фаз подключаемой машины и сети.

    Приведение генератора в состояние, удовлетво­ряющее всем указанным условиям, называют син­хронизацией. Несоблюдение любого из условий син­хронизации приводит к появлению в обмотке статора больших уравнительных токов, чрезмерное значение которых может явиться причиной аварии.

    Включить генератор в сеть с параллельно рабо­тающими генераторами можно или способом точной синхронизации, или способом самосинхронизации

    Способ точной синхронизации. Сущность это­го способа состоит в том, что, прежде чем включить генератор в сеть, его приводят в состояние, удовле­творяющее всем вышеперечисленным условиям. Момент соблюдения этих условий, т. е. момент син­хронизации, определяют прибором, называемым синхроноскопом.

    Способ самосин­хронизации. Ротор не­возбужденного генера­тора приводят во вра­щение первичным дви­гателем до частоты вращения, отличающейся от синхронной не более чем на 2—5%, затем генератор подключают к сети.

    Для того чтобы избежать перенапряжений в обмотке ротора в момент подключения генератора к сети, ее замыкают на некоторое активное Сопротивление.

    Так как в момент подключения генератора к сети его ЭДС равна нулю (генератор не возбужден), то под действием напряжения сети в обмотке статора наблюдается резкий бросок тока, превышающий номинальное значение тока генератора.

    Вслед за включением обмотки статора в сеть подключают обмотку возбуждения к источнику постоянного тока и синхронный генера­тор под действием электромагнитного момента, действующего на его ротор, втягивается в синхронизм, т. е. частота вращения ротора становится синхронной. При этом ток статора быстро уменьшается.

    Вопрос 61. Синхронные двигатели. Основные сведения и принцип работы. Пуск синхронных двигателей. Рабочие и U-образные характеристики синхронных двигателей. Синхронный компенсатор. Назначение и устройство.

    Синхронная машина состоит из двух основных частей: неподвижной — статора и вращающейся — ротора, и имеет две основные обмотки. Одна обмотка подключается к источнику постоянного тока. Протекающий по этой обмотке ток создает основное магнитное поле машины.

    Эта обмотка располагается на полюсах и называется обмоткой возбуждения. Иногда у машин небольшой мощ­ности обмотка возбуждения отсутствует, а магнитное поле создается постоянными магнитами. Другая обмотка является обмоткой якоря. В ней индуктируется основная ЭДС машины.

    Она укладывается в пазы якоря и состоит из одной, двух или трех обмоток фаз.

    Если через обмотку возбуждения протекает постоянный ток, то он создает постоянное во времени магнитное поле с чередующейся полярностью.

    При вращении полюсов и, следовательно, магнитного поля относительно проводников обмотки якоря в них индуктируются переменные ЭДС, которые, суммируясь, определяют результирующие ЭДС фаз.

    Если на якоре уложены три одинаковые обмотки, магнитные оси которых сдвинуты в пространстве на электрический угол, равный 120°, то в этих обмотках индуктируются ЭДС, образующие трехфазную систему. Частота индук­тируемых в обмотках ЭДС зависит от числа пар полюсов р и частоты вращения ротора п:

    f1 = pn/60.

    Для получения ЭДС необходимой частоты число пар полюсов и частота вращения должны находиться в определенной зависимости между собой. Так, для получения стандартной частоты f1= 50 Гц при р=1 нужно иметь частоту вращения n = 3000 об/мин, а при р = 24 n = 125 об/мин.

    1. Если к трехфазной обмотке якоря синхронного генератора подсоединить нагрузку, то возникший ток создаст вра­щающееся магнитное поле якоря. Частота вращения этого поля относительно статора
    2. n1 = 60 f1/p.
    3. n1 = n.
    4. Равенство частот вращения ротора п и поля якоря n1 является характерной особенностью синхронной машины, обусловившей ее название.

    Пуск синхронного двигателя непосредственным включением в сеть невозможен, так как ротор из-за своей значительной инерции не может быть сразу увлечен вращающимся полем статора, частота вращения которого устанавливается мгновенно.

    В результате устойчивая магнитная связь между статором и ротором не возникает.

    Для пуска синхронного двигателя приходится применять специальные способы, сущность которых состоит в предварительном приведении ротора во вращение до синхронной или близкой к ней частоте, при которой между статором и ротором устанавливается устойчивая магнитная связь.

    Одним из главных недостатков синхронных двигателей является сложность их пуска в ход. Пуск синхронных двигателей может быть осуществлен при помощи вспомогательного пускового двигателя или путем асинхронного пуска.

    Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя.

    Если ротор синхронного двигателя с возбужденными полюсами развернуть другим, вспомогательным двигателем до скорости вращения поля статора, то магнитные полюсы статора, взаимодействуя с полюсами ротора, заставят ротор вращаться далее самостоятельно без посторонней помощи, в такт с полем статора, т. е. синхронно. Для осуществления пуска необходимо, чтобы число пар полюсов асинхронного двигателя было меньше числа пар полюсов синхронного двигателя, ибо при этих условиях вспомогательный асинхронный двигатель может развернуть ротор синхронного двигателя до синхронной скорости. Сложность пуска и необходимость вспомогательного двигателя являются существенными недостатками этого способа пуска синхронных двигателей. Поэтому в настоящее время он применяется редко.

    В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже

    Зависимость тока якоря от тока возбуждения называется Uбразной характеристикой синхронной машины.

    Анализируя эти характеристики, видим, что минимальное значение тока якоря имеет место при некотором определенном значении тока возбуждения, соответствующем работе с cosφ = 1.

    При любом изменении (увеличении или уменьшении) тока возбуждения ток якоря Ia возрастает вследствие увеличения реактивной составляющей.

    Рабочие характеристики синхрон­ного двигателя представляют собой зависимость частоты враще­ния ротора , потребляемой мощности , полезного момента , коэффициента мощности В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже , и тока в обмотке статора от полезной В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже мощности двигателя (рис. 22. ). Частота вращения рото­ра всегда равна синхронной частоте , поэтому гра­фик имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс. Полезный момент на валу синхронного двигателя . Так как рабочие характеристики снимают при условии , то график имеет вид прямой, выходящей из начала координат. Мощность на входе двигателя . С ростом нагрузки на валу двигателя увеличиваются также и потери , поэтому потребляемая мощность растет быстрее полезной мощ­ности и график имеет несколько криволинейный вид. Вид графика зависит от вида настройки тока возбуждения.

    Синхронные компенсаторы применяют для регулирования режимов работы энергетических систем, для поддержания оптимального уровня напряжения, снижения потерь электроэнергии в сетях, увеличения пропускной способности и обеспечения устойчивости энергосистем.

    Синхронные компенсаторы представляют собой синхронные машины, работающие в режиме двигателя без активной нагрузки и генерирующие в сеть реактивный опережающий (емкостный) или отстающий (индуктивный) ток.

    Синхронные машины

    Синхронные машины являются машинами переменного тока. В большинстве случаев они трехфазные. Они могут работать в режиме генератора или двигателя.

    Также есть и третий режим работы – компенсации реактивной мощности.

    Несмотря на то, что электрические синхронные машины могут быть обратимыми, то есть работать как в режиме генератора, так и двигателя, они редко могут так использоваться из-за особенностей конструкции.

    Назначение синхронных машин

    Синхронные машины применяются в качестве генераторов или двигателей. В качестве генераторов они производят энергию трехфазного тока. Большинство генераторов, установленных на электростанциях, являются синхронными.

    Их мощность может существенно варьироваться – от нескольких киловольт-ампер и до сотни тысяч киловольт-ампер. Что касается синхронных моторов, то их применяют в подавляющем большинстве для мощных электроприводов.

    Если необходимо генерирование/потребление реактивной мощности для улучшения/регулирования показателей мощности в сети используют синхронные компенсаторы.

    Устройство синхронных машин

    Устройство трехфазной синхронной машины или электродвигателя имеют практически одинаковую конструкцию. Они все имеют:

    • неподвижную часть – статор;
    • подвижную часть – ротор;
    • обмотку якоря;
    • обмотку возбудителя;
    • вал;
    • подшипники.

    В каком случае удельные потери в синхронных двигателях ниже

    Все это находится в цилиндрическом корпусе. Конструкция синхронной машины может иметь прямое и обратное исполнение. Прямое: обмотка возбуждения находится на роторе, рабочая – на статоре. Обратное: обмотка возбуждения находится на статоре, рабочая – на роторе.

    Потери и КПД синхронных машин

    КПД синхронных машин напрямую зависит от размера нагрузки. Как правило, КПД машин мощностью до 100 кВт – 80-90%. Чем выше мощность машин, тем больше КПД. Что касается потерь, то они неизбежны, ведь в машине происходит преобразование энергии. Все потери условно можно разделить на два вида:

    • основные;
    • дополнительные.

    Первые происходят в обмотке статора, в процессе возбуждения, при магнитных и механических процессах. Что касается дополнительных потерь, то они обоснованы появлением пульсации поля из-за зубчатой поверхности статора и ротора.

    Область применения синхронных машин

    Сфера применения синхронных машин, а именно электродвигателей, связана с их особенностями. Самыми важными характеристиками синхронных машин, которые и есть их особенностями, являются:

    • стабильность частоты вращения;
    • возможность работы с высокими мощностями.

    Благодаря первой характеристике они являются незаменимыми во многих обрабатывающих станках, где синхронные машины применяются в качестве приводных. Они часто используются для привода мощных насосных станций, компрессоров и вентиляционных систем.

    Благодаря второй особенности они часто используются в качестве источника реактивной энергии, за счет чего обеспечивается нужное напряжение и его регулировка в сети.

    Потери и КПД синхронных машин

    • Преобразование энергии в синхронных машинах связано с её потерями. Все виды потерь разделяют на основные и добавочные:
    • 1) Основные потери Pо – это электрические потери в обмотке статора Pэ1, потери на возбуждение Pв, магнитные потери Pм1 и механические потери Pмех:
    • Pо = Pэ1+Pв+Pм+Pмех.
    • Электрические потери обусловлены нагревом обмоток статора,
    • Pэ1 = m1×I²1×r1,

    где m1 – число ваз статора, I1 – ток статора, r1 – активное сопротивление фазы обмотки статора при рабочей температуре 75?С.

    1. Потери на возбуждение в основном обусловлены нагревом в обмотке возбуждения,
    2. Pв = (I²в×rв)+(ΔUщ×Iв),
    3. где Iв – ток возбуждения, rв – активное сопротивление цепи возбуждения, ΔUщ – падение напряжения в щёточном контакте (≈2 В).
    4. Магнитные потери это потери в сердечнике статора на перемагничивание,

    Pм1 = Pг+Pв.т.,

    где Pг – потери на гистерезис, Pв.т. – потери на вихревые токи.

    Механические потери это потери на трение в подшипниках, трение о воздух или другой охлаждающий газ и трение щёток о контактные кольца,

    Pмех ≈ 3,68(v2/40)?×?×l1,

    • где v2 – окружная скорость на поверхности полюсного наконечника ротора, l1 – конструктивная длина сердечника статора.
    • 2) Добавочные потери Pд – это потери в поверхностном слое ротора, вызванные пульсациями поля вследствие зубчатой поверхности статора и ротора Pп и потери, вызванные полями рассеивания Pр,
    • Pд = Pп+Pр.

    Добавочные потери Pд в синхронных машинах при нагрузке определяют в процентах от подводимой мощности двигателей или от полезной мощности генераторов. Для машин мощностью до 1000 кВт Pд = 0,5%, а для машин мощностью более 1000 кВт – (0,25÷0,4)%.

    1. Следовательно, суммарные потери в синхронной машине ∑P (кВт):
    2. ∑P = (Pо+Pд)/1000.
    3. КПД синхронного генератора ηг:
    4. ηг = 1-∑P/(Pн+∑P),
    5. где Pн – активная мощность, отбираемая от генератора в сеть или отбираемая двигателем от сети (кВт), Pн = (m1×U1н×I1н× cos φ1)/1000.
    6. КПД синхронного двигателя ηд:
    7. ηд = 1-∑P/Pн.

    КПД синхронной машины зависит от величины нагрузки, которая определяется коэффициентом нагрузки β, который определяется отношением отдаваемой или отбираемой машиной мощности P к номинальной мощности машины Pн (β = P/Pн) и от её характера (cos φ1). КПД синхронных машин мощностью до100кВт составляет (80÷90)%, у более мощных машин – (92÷99)%. Турбо- и гидрогенераторы мощностью в десятки и сотни тысяч киловатт имеют более высокие значения КПД.

    Тема 3.2. Синхронные генераторы

    Ссылка на основную публикацию
    Adblock
    detector