Асинхронный режим работы синхронного двигателя

Лекция 21

Асинхронный режим. Причины возникновения  и признаки
асинхронного режима.

Асинхронные режимы – режимы работы
электрической системы при большом отклонении скорости вращения роторов
генераторов или двигателей от синхронной: работа синхронной машины при потере
возбуждения, процессы ресинхронизации после нарушения устойчивости,
самосинхронизация генераторов, автоматическое повторное включение с
самосинхронизацией или  без контроля синхронизма, асинхронный пуск двигателей,
компенсаторов, самозапуск двигателей.

Причины выпадения из синхронизма
генераторов:

1.  Потеря возбуждения генератора.

2.  Нарушение динамической устойчивости.

3.  Нарушение статической устойчивости.

Следует различать  большие качания и
асинхронный ход. При больших  качаниях угол d достигает 
определенного величины начинает уменьшаться.

При асинхронном ходе вектор Е 
хотя бы одной из станций изменяться на угол больше 360°.

При больших качаниях характерен провал в кривой мощности,
появляющийся при переходе угла за 90°, а для
асинхронного хода характерно периодическое изменение знака мощности

 

Рис.2

 

Рис.3 – Режим больших качаний

 

• Рис.3 – Режим асинхронного хода

• Процесс выпадения из синхронизма.

• рис.4

Вследствие, например,  отключения линии
происходит переход с характеристики РI на
характеристику РII  (точки 1-2). В точке 2 на ротор генератора
действует избыточный ускоряющий момент под действием которого увеличивается
скорость вращения генератора и появляется скольжение.

В точке 3 снова включается линия и
происходит переход  с характеристики РII на
РI (точки 3-4).

В точке 4 на ротор генератора начинает
действовать избыточный тормозящий момент и w начинает
уменьшаться.

Поскольку площадка ускорения больше площадки возможного
торможения, то к моменту достижения dкр (точка5) скорость не успевает уменьшиться до
синхронной и следовательно скольжение не достигает нулевого значения, после
точки 5 на ротор генератора снова действует  избыточный ускоряющий момент и
следовательно увеличивается w и s. При
скорости вращения больше синхронной, генератор, работая как асинхронный, выдает
также активную асинхронную мощность, т.е. с появлением скольжения появляется
асинхронная мощность.

C увеличением w вступает в
действие регулятор скорости вращения турбины, который перекрывает клапаны
пускопаротурбины и следовательно уменьшает мощность турбины.  В точке 6
мощность турбины равна асинхронной  мощности, после чего наступает
установившейся асинхронный ход, т.е. увеличение угла d происходит с одной и той же средней скоростью.

Переходной процесс
асинхронного режима описывается следующим уравнением:

1. 
                 
2. Исходя из схемы замещения
   асинхронной машины:

3.  

Рис. 6

• Из-за наличия синхронной мощности S
  не будет величиной постоянной, оно будет пульсировать около Scр.

• Рис.7
• Асинхронная мощность также пульсирует
  около некоторого среднего значения из-за наличия нессиметрии (явнополюсность,
  одноосная обмотка возбуждения).

• Рис.8

Для большинства синхронных машин
асинхронный ход не представляет опасности, турбогенераторы могут развивать
мощность, соизмеримую с номинальной.

Недопустимость асинхронного режима связана
с опасностью нарушения устойчивости остальной части системы, в которой
генераторы работают синхронно.

В этом режим асинхронно работающий генератор
обычно поглощает из  системы значительную реактивную мощность, что может
приводить к снижению напряжения всей системы, создавая опасность нарушения
устойчивости остальных генераторов и двигателей.

Во время асинхронного хода изменяется не
только мощность, но ток статора и ротора, а также результирующее
потокосцепление обмотки возбуждения.

 

Возможность
асинхронного хода и его длительность зависят от условий работы системы и
опасности повреждения самого генератора (механические усилия, нагрев ротора и
статора).

Турбогенератору при потере возбуждения разрешается работать от 15 до
30 мин, без потери возбуждения несколько меньше.

Если за это время синхронную
работу восстановить не удастся, то генератор должен быть отключен от сети.

Наличие асинхронного хода может
оказать воздействие  на поведение системы, т.е. необходимо проверить режим
остальной системы, выяснить его влияние на работу нагрузки, проанализировать
поведение РЗ  и устройств автоматики (могут работать неправильно).

Синхронные машины — двигатели, генераторы и компенсаторы

Синхронные машины – это электрические машины переменного тока, в которых ротор и магнитное поле токов статора вращаются синхронно. Трехфазные синхронные генераторы – самые мощные электрические машины. Единичная мощность — синхронных генераторов на ГЭС — 640 МВт, а на ТЭС – 8 — 1200 МВт. У синхронной машины одна из обмоток присоединена к электрической сети переменного тока, а вторая — возбуждается постоянным током. Обмотку переменного тока называют якорной. Обмотка якоря преобразует всю электромагнитную мощность синхронной машины в электрическую и наоборот. Поэтому ее обычно располагают на статоре, который называют якорем. Обмотка возбуждения потребляет 0,3 — 2% от преобразуемой мощности, поэтому ее располагают обычно на вращающемся роторе, который называют индуктором и малую мощность возбуждения подводят через контактные кольца или устройства бесконтактного возбуждения. Магнитное поле якоря вращается с синхронной скоростью n1 = 60f1/p, об/мин, где p =1,2,3 … 64 и т.д. — число пар полюсов. При частоте промышленной сети f1 = 50 гц, ряд синхронных скоростей при различных числах полюсов: 3000, 1500, 1000 и т.д.). Так как магнитное поле индуктора неподвижно относительно ротора, то для непрерывного взаимодействия полей индуктора и якоря ротор должен вращаться с той же синхронной скоростью. Конструкция синхронных машин Статор синхронной машины с трехфазной обмоткой не отличается от конструкции статора асинхронной машины, а ротор с обмоткой возбуждения бывает двух видов — явнополюсный и неявнополюсный. При больших скоростях и малом числе полюсов применяют неявнополюсные роторы, как имеющие более прочную конструкцию, а при малых скоростях и большом числе полюсов применяют явнополюсные роторы сборной конструкции. Прочность таких роторов меньше, но они проще в изготовлении и в ремонте. Применяются в синхронных машинах с большим числом полюсов и соответственно относительно низкой n. ГЭС (гидрогенераторы). частота n от 60 до нескольких сотен об/мин. Самые мощные гидрогенераторы имеют диаметр ротора — 12 м при длине – 2,5 м, p – 42 и n= 143 об/мин. Обмотка — в пазах ротора диаметр d = 1,2 – 1,3 м, активная длина ротора не более 6,5 м. ТЭС, АЭС (турбогенераторы). S=500 000 кВА в одной машине n=3000 или 1500 об/мин (1 или 2 пары полюсов). Кроме обмотки возбуждения на роторе располагают демпферную или успокоительную обмотку, которую в синхронных двигателях используют для запуска. Эту обмотку выполняют аналогично короткозамкнутой обмотке типа «беличья клетка», только значительно меньшего сечения, так как основной объем ротора занимает обмотка возбуждения. В неявнополюсных роторах роль демпферной обмотки выполняют поверхности сплошных зубцов ротора и токопроводящие клинья в пазах. Постоянный ток в обмотку возбуждения синхронной машины может подаваться от специального генератора постоянного тока, установленного на валу машины и называемого возбудителем, или от сети через полупроводниковый выпрямитель. Смотрите также по этой теме:Назначение и устройство синхронных машин Как устроены синхронные турбо- и гидрогенераторы Синхронная машина может работать генератором или двигателем. Синхронная машина может работать в качестве двигателя, если подвести к обмотке ее статора трехфазный ток из сети. В этом случае в результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора поле статора увлекает за собой ротор. При этом ротор вращается в ту же сторону и с такой же скоростью, как и поле статора. Наибольшее распространение получил генераторный режим работы синхронных машин, и почти вся электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами. Синхронные двигатели применяются при мощности более 600 кВт и до 1 кВт как микродвигатели. Синхронные генераторы на напряжение до 1000 В применяются в агрегатах для автономных систем электроснабжения. Агрегаты с этими генераторами могут быть стационарными и передвижными. Большинство агрегатов применяются с дизельными двигателями, но приводом их могут быть газовые турбины, электродвигатели и бензиновые двигатели. Синхронный двигатель отличается от синхронного генератора лишь пусковой успокоительной обмоткой, которая должна обеспечивать хорошие пусковые свойства двигателя. Схема шестиполюсного синхронного генератора. Показаны сечения обмоток одной фазы (три обмотки, соединенные последовательно). В показанные на рисунке свободные пазы укладываются обмотки двух других фаз. Фазы соединяются в звезду или треугольник. Режим генератора: двигатель (турбина) вращает ротор, на обмотку которого подается постоянное напряжение ? возникает ток, который создает постоянное магнитное поле. Магнитное поле вращается вместе с ротором, пересекает статорные обмотки и наводит в них одинаковые по модулю и частоте ЭДС, но сдвинутые на 1200 (симметричная трехфазная система). Режим двигателя: обмотку статора подключают к трёхфазной сети, а обмотку ротора к источнику постоянного тока. В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля машины с постоянным током обмотки возбуждения, возникает вращающий момент Мвр, который приводит ротор во вращение со скоростью магнитного поля. Механическая характеристика синхронного двигателя – зависимость n(M)– представляет собой горизонтальный отрезок прямой. Учебный диафильм — «Синхронные двигатели», созданный фабрикой учебно-наглядных пособий в 1966-году. Посмотреть его можно здесь: Диафильм «Синхронный двигатель» Применение синхронных двигателей Массовое использование асинхронных двигателей с существенными недогрузками осложняет работу энергетических систем и станций: снижается коэффициент мощности в системе, что приводит к дополнительным потерям во всех аппаратах и линиях, а также и к их недоиспользованию по активной мощности. Поэтому возникла необходимость в применении синхронных двигателей, особенно для механизмов с приводами большой мощности. Синхронные двигатели имеют по сравнению с асинхронными большое преимущество, заключающееся в том, что благодаря возбуждению постоянным током они могут работать с cosфи = 1 и не потребляют при этом реактивной мощности из сети, а при работе, с перевозбуждением даже отдают реактивную мощность в сеть. В результате улучшается коэффициент мощности сети и уменьшаются падение напряжения и потери в ней, а также повышается коэффициент мощности генераторов, работающих на электростанциях. Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален U, а у асинхронного двигателя U2. Поэтому при понижении напряжения синхронный двигатель сохраняет большую нагрузочную способность. Кроме того, использование возможности увеличения тока возбуждения синхронных двигателей позволяет увеличивать их надежность работы при аварийных понижениях напряжения в сети и улучшать в этих случаях условия работы энергосистемы в целом. Вследствие большей величины воздушного зазора добавочные потери в стали и в клетке ротора синхронных двигателей меньше, чем у асинхронных, благодаря чему к. п. д. синхронных двигателей обычно выше. С другой стороны, конструкция синхронных двигателей сложнее, чем короткозамкнутых асинхронных двигателей, и, кроме того, синхронные двигатели должны иметь возбудитель или иное устройство для питания обмотки возбуждения постоянным током. Вследствие этого синхронные двигатели в большинстве случаев дороже асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. При эксплуатации синхронных двигателей возникли существенные трудности с их пуском. В настоящее время эти трудности преодолены. Пуск и регулирование скорости вращения синхронных двигателей также сложнее. Тем не менее, преимущество синхронных двигателей настолько велико, что при больших мощностях их целесообразно применять всюду, где не требуется частых пусков и остановок и регулирования скорости вращения (двигатель-генераторы, мощные насосы, вентиляторы, компрессоры, мельницы, дробилки и пр.).

Принцип действия синхронного двигателя

Прежде чем рассматривать принцип действия синхронного двигателя, необходимо помнить, что это электрическая машина, работающая на переменном токе, у которой ротор вращается с частотой, которая равна частоте вращения магнитного поля в воздушной прослойке.

Устройство синхронного двигателя

Синхронный двигатель состоит из основных частей – якоря и индуктора. Обычно, его исполнение сделано таким образом, что якорь расположен на статоре, а индуктор – на роторе, отделенном воздушной прослойкой. Данные агрегаты обладают высоким коэффициентом мощности. Существенным плюсом является возможность их использования в сетях с любым напряжением.

Конструкция синхронного двигателя состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор является неподвижной частью агрегата, а ротор – подвижной. В состав якоря входят одна или несколько обмоток переменного тока.

При работе двигателя токи, поступающие в якорь, приводят к вращению магнитного поля, пересекающегося с полем индуктора и преобразующего энергию. Поле якоря носит другое название – поле реакции якоря. В генераторе такое поле создается с помощью индуктора. В состав индуктора входят электромагниты постоянного тока, называемые полюсами. Во всех синхронных электродвигателях индукторы бывают двух конструкций – явнополюсная и не явнополюсная, отличающиеся расположением полюсов. Конструкция статора включает в себя корпус и сердечник, в состав которого входят двух- и трехфазные обмотки. Сами обмотки могут быть распределенными и сосредоточенными.

Чтобы уменьшить магнитное сопротивление и улучшить прохождение магнитного потока, используются ферромагнитные сердечники, расположенные в роторе и статоре, для изготовления которых используется электротехническая сталь. Она обладает интересными свойствами, например, повышенным содержанием кремния, с целью повышения ее электрического сопротивления и уменьшения вихревых токов.

Каждый синхронный электродвигатель обладает важным параметром – электромагнитным моментом. Он возникает в том случае, когда магнитный поток ротора начинает взаимодействовать с вращающимся магнитным полем. Данное поле образуется под влиянием трехфазного тока, протекающего по обмотке якоря.

Вечный двигатель на постоянных магнитах

В режиме холостого хода происходит совпадение осей магнитных полей ротора и статора.

Поэтому электромагнитные силы, возникающие между их полюсами, принимают радиальное направление и значение электромагнитного момента агрегата становится равным нулю.

При переходе устройства в двигательный режим, на ротор начинает воздействовать внешние нагрузочный момент, приложенный к валу. В результате, происходит смещение ротора на величину определенного угла против направления вращения.

Подобное электромагнитное взаимодействие между ротором и статором приводит к созданию электромагнитных сил, направленных в сторону вращения. Таким образом, действие вращающегося электромагнитного момента стремится к преодолению действия внешнего момента. Максимальное значение электромагнитного момента образует угол 90 градусов, при расположении полюсов ротора между осями полюсов статора.

Если значение нагрузочного момента, приложенного к валу двигателя, превысит максимальный электромагнитный момент, в этом случае двигатель остановится под влиянием внешнего момента. Из-за этого в неподвижном двигателе по обмотке якоря будет проходить очень высокий ток. Данный режим является аварийным, он представляет собой выпадение из синхронизма и на практике не должен допускаться.

Как работает синхронный двигатель

Принцип действия синхронного двигателя основывается на взаимном влиянии магнитных полей якоря и полюсов индуктора.

При обращенной конструкции агрегата расположение якоря и индуктора выполнено наоборот, то есть, первый расположен на роторе, а другой – на статоре.

Такой вариант используют криогенные синхронные машины, у которых в состав обмоток возбуждения входят материалы со свойствами сверхпроводимости.

При запуске двигателя его разгоняют до частоты близкой к той, с которой в зазоре вращается магнитное поле. Только после этого он переходит в синхронный режим. В данной ситуации происходит пересечение магнитных полей якоря и индуктора. Этот момент получил название входа в синхронизацию.

При разгоне используется состояние асинхронного режима, когда происходит замыкание обмоток индуктора с помощью реостата или короткозамкнутым путем, подобно асинхронным машинам.

Для того, чтобы осуществлять запуск в таком режиме, ротор оснащается короткозамкнутой обмоткой, которая одновременно является успокоительной обмоткой, способной устранить раскачивание ротора во время синхронизации.

После того, как скорость становится близко к номинальной, в индуктор подается постоянный ток.

Схема реверса трехфазного двигателя

Таким образом, синхронный двигатель это не только двигатель, но и своеобразный генератор, поскольку у них одинаковое конструктивное исполнение. Схема работы двигателя будет следующей.

Обмотка якоря подключается к трехфазному переменному току, а к обмотке возбуждения от постороннего источника подается постоянный ток. Вращающееся магнитное поле, созданное трехфазной обмоткой и поле, созданное обмоткой возбуждения, взаимодействуют между собой.

Это вызывает появление электромагнитного момента, приводящего ротор во вращающееся состояние.

Для двигателей, где установлены постоянные магниты, применяются специальные внешние разгонные двигатели. В отличие от асинхронных устройств, разгон ротора в синхронном двигателе должен достигнуть частоты вращения магнитного поля.

Это связано с подачей в обмотку ротора тока из постороннего источника, а не индуцируется в нем под действием магнитного поля статора, следовательно, на него не влияет частота вращения вала. В результате, синхронный двигатель переменного тока приобретает постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки.

Специфический принцип работы этих устройств оказал влияние на их пуск и регулировку частоты вращения.

Схема запуска двигателя и его регулировка

У синхронных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. При подключении якорной обмотки к источнику переменного тока, электромагнитный момент дважды изменить свое направление за один период изменения тока. Это происходит, когда ротор находится в неподвижном состоянии, а в обмотке возбуждения протекает постоянный ток.

Таким образом, величина среднего момента в течение одного периода будет иметь нулевое значение. Чтобы увидеть, как работает синхронный двигатель при пуске, нужно выполнить разгон его ротора под действием внешнего момента до вращения с частотой, приближенной к синхронной.

Сам запуск агрегата может производиться разными способами:

• В первом случае используется схема асинхронного включения, основой которой служит глухо подключенный возбудитель. Данный способ применяется при статическом моменте нагрузки ниже 0,4, когда отсутствует падение напряжения. Сопротивление разряда замыкается в обмотке возбуждения, за счет чего исключаются перебои с возбуждением обмотки во время впуска, поскольку незначительная скорость вращения ротора приводит к перенапряжению. Когда скорость становится близкой к синхронной, контактор реагирует на это изменение, в результате происходит переключение обмотки возбуждения из разрядного сопротивления непосредственно на якорь возбудителя.
• Во втором варианте пуска используется тиристорный возбудитель. Этот способ считается более надежным из-за высокого КПД. Управление возбуждением значительно облегчается. Подача возбуждение осуществляется автоматически с помощью электромагнитного реле.

Различия синхронных и асинхронных двигателей

Все электродвигатели переменного тока по принципу действия могут быть асинхронными и синхронными. В первом случае вращение ротора будет медленнее, по сравнению с магнитным полем, а во втором – вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью.

В асинхронном двигателе вращающееся переменное магнитное поле создается обмотками, закрепленными на статоре. Концы этих обмоток выведены в общую клеммную коробку. Во избежание перегрева на валу двигателя устанавливается вентилятор. Ротор выполнен из металлических стержней, замкнутых с двух сторон между собой. Он представляет единое целое с валом и получил название короткозамкнутого ротора.

Вращение магнитного поля происходит под действием постоянной смены полюсов. Соответственно, в обмотках изменяется направление тока. На скорость вращения вала оказывает влияние количество полюсов магнитного поля.

Синхронный электродвигатель конструктивно отличается от асинхронных агрегатов. Здесь вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью.

Напряжение на ротор для зарядки обмоток подается с помощью щеток, а не индуцируется действием переменного магнитного поля.

Направление тока в обмотках изменяется одновременно с направлением магнитного поля, поэтому вал синхронного двигателя всегда вращается в одну сторону.

Асинхронные режимы синхронных машин

Асинхронный режим – возникает при параллельной работе синхронных генераторов, когда скорости вращения роторов генераторов отличаются от синхронной.

Основные причины выпадения генераторов из синхронизма — сильное понижение напряжения в сети Uс из-за кз, а также потеря возбуждения генератора, что приводит к значительному уменьшению э.д.с. Ег, а в итоге к резкому уменьшению мощности генератора Рг и выходу его из синхронизма.

Рис. 6. Угловая характеристика при понижении напряжения в сети.

Кз.ст (запас устойчивости)

Рэм генератора при потере возбуждения, Ег≈0

Рэм генератора при внешнем кз

Сильное понижение напряжения может происходить при внешних КЗ в сети(рис.

6), при этом значительно уменьшается напряжение в сети Uс, что приводит к значительному снижению выдаваемой в сеть мощности генератора Рг,при этом мощность Рг может оказаться меньше мощности турбины Рт и тогда генератор выйдет их синхронизма.

При потере возбуждения э.д.с. генератора значительно уменьшается  Ег≈0, и генератор сбрасывает активную нагрузку Рг почти до нуля, что значительно меньше мощности турбины Рт.

В обоих случаях значительное уменьшение мощности генератора Рг, выдаваемой в сеть, приводит к тому, что мощность генератора Рг становится значительно меньше мощности турбины Рт, при этом турбина разгоняет ротор генератора, и он выходит из синхронизма.

При асинхронном режиме (рис.6), генераторы,  выпавшие из синхронизма,  попеременно переходят из генераторного режима в двигательный, и наоборот, то выдают мощность в сеть, то потребляют её. Этот режим плох тем, что периодически снижается напряжение в сети и по ЛЭП между электростанциями возникают перетоки мощности, периодически меняющие своё направление (рис.7).

двигательный– потребление электроэнергии

Рис.7. Асинхронный режим синхронного генератора.

Генераторный – выдача электроэнергии

Генераторный – выдача электроэнергии

2.3. Понятие о статической устойчивости.

Статической устойчивостью синхронного генератора называется такой режим работы, когда при наличии небольших отклонений напряжения и прекращения их действия, восстановится прежний режим работы.

Асинхронный режим невозбужденной синхронной машины

В
практике эксплуатации синх­ронных
машин бывают случаи, когда отдельные
машины выпадают из синхронизма и их
роторы начинают вращаться относительно
поля якоря (статора) асинхронно, с
некоторым скольжением s.

Это случается вследствие перегрузки
машин, значительного паде­ния напряжения
в сети и потери возбуждения в результате
каких-либо неисправностей в системе
возбуждения или ошибочного срабатывания
автомата гашения поля.

Хотя невозбужденная
явно-полюсная машина может развивать
в синхронном режиме опреде­ленную
мощность за счет реактивного момента,
обычно эта мощ­ность является
недостаточной для покрытия нагрузки,
и поэтому явнополюсные машины при потере
возбуждения чаще всего также выпадают
из синхронизма.

• При выпадении из синхронизма синхронная
  машина ведет себя подобно асинхронной,
  но ввиду различия конструкции ротора
  и наличия в общем случае тока возбуждения
  асинхронный режим синхронной машины
  имеет ряд особенностей.
• Так как выпадение
  синхронных машин из синхронизма при
  ава­риях в энергосистемах происходит
  нередко, то выявление особен­ностей
  асинхронного режима и выяснение
  рациональных способов восстановления
  нормальных режимов работы имеют
  существенное практическое значение.
• Широко применяется
  асинхронный пуск синхронных двигателей
  и компенсаторов, когда невозбужденная
  машина приключается к сети и ее скорость
  достигает почти синхронной скорости
  подобно асинхронному двигателю.

Асинхронные режимы
работы невозбужденной и возбужденной
синхронной машины существенным образом
отличаются друг от друга. Асинхронный
режим возбужденной синхронной машины
является более сложным, и его можно
рассматривать как наложение асинхронного
режима невозбужденной асинхронной
машины и ре­жима установившегося
короткого замыкания синхронного
гене­ратора.

Рассмотрим в первую
очередь установившийся асинхронный
режим работы невозбужденной синхронной
машины.

Схемы замещения и их параметры

Если бы ротор
синхронной машины обладал магнитной и
электрической симметрией, то работа
этой машины в асинхронном режиме без
возбуждения ничем не отли­чалась бы
от работы нормальной асинхронной машины.
Однако в общем случае такой симметрии
нет, и поэтому требуется самостоя­тельное
рассмотрение вопроса.

Пусть
обмотка статора (якоря) трехфазной
синхронной машины включена в сеть. Токи
якоря при этом создают вращающееся
поле, перемещающееся относительно
несимметричного ротора со скоростью
скольжения.

Для анализа явлений при
несимметричном роторе разложим
вращающееся относительно него поле на
два пульсирую­щих поля, одно из которых
действует по продольной (d),
а
другое — по поперечной (q}
оси ротора. Эти поля пульсируют со
сдвигом по фазе на 90°.

Кроме того, как и
у асинхронной машины, рабочий процесс
синхрон­ной машины в асинхронном
режиме можно привести к эквивалент­ному
процессу при неподвижном роторе.

Далее
можно представить себе, что у такой
машины с неподвижным ротором на статоре
вместо трехфазной обмотки имеется
эквивалентная двухфазная обмотка,
причем одна фаза этой обмотки создает
магнитный поток, пульсирующий по
продольной оси, а другая фаза — поток,
пульсирующий по поперечной оси ротора

Рис.1

причем
напряжения этих фаз U
и jU
сдвинуты по фазе на 90°.

В подобной
двухфазной системе взаимная индукция
между фазами отсутствует и явления по
осям d
и
q
можно рассматривать незави­симо друг
от друга.

В результате вместо одной
схемы замещения для симметричной
асинхронной машины для синхронной
машины получаем две схемы замещения —
одну для продольной и другую для
поперечной оси.

При наличии
успокоительной или пусковой обмотки
(рис. 2, а и б) в схеме для продольной оси
имеются две вторичные цепи, как и у
двухклеточного асинхронного двигателя,
а в схеме для попереч­ной оси –

Рис 2, а

Рис 2, б

одна
вторичная цепь. При отсутствии указанных
обмоток (рис. 2, в и г) количество вторичных
цепей уменьшается на еди­ницу. На
схемах рис. 2 принято rа
=
0 и не учи­тываются потери в стали
статора. При наличии в цепи возбуждения
доба­вочного сопротивления (на­пример,
сопротивления га­шения поля) его
величина должна включаться в rf

В основе рассмотрения явлений согласно
рис. 1 и 2 лежит представле­ние о
двухфазной маши­не. Поэтому сопротивле­ния
схем рис. 2 также следовало бы считать
экви­валентными сопротивлени­ями
двухфазной машины. Однако, чтобы избежать
введения в рассмотрение

Рис 2,в

Рис 2,г

новых
параметров, будем предполагать, что
сопротивления, фигу­рирующие в схемах
рис. 2, представляют собой параметры
m-фазной
машины.

Асинхронные режимы различных видов
синхронных машин.

При потере
возбуждения синхронные генераторы
переходят в асинхрон­ный режим и их
скорость вращения будет увеличиваться
до тех пор, пока не наступит равенство
между движущим моментом на валу и
электромагнитным моментом машины. При
этом машина будет потреблять из сети
намагничивающий ток

и отдавать в сеть
активную мощность.

При
малых скольжениях поверхностный эффект
в теле ротора турбогенератора проявляется
слабо и поэтому глубина проникнове­ния
токов велика. В результате активное
сопротивление тела ротора мало и момент
достигает весьма большой величины уже
при малых скольжениях.

Поэтому
турбогенераторы способны развивать в
асинхронном режиме большую мощность,
причем потери в роторе малы и не
представляют опасности в отношении
нагрева ротора.

Допустимую мощность
турбогенератора в асин­хронном режиме
ограничивает ток статора, величина
которого из-за большого намагничивающего
тока до­стигает номинального значения.

В
большинстве случаев при I
= Iн в турбогенераторах Р
= (0,5 — 0,7) Pн,.

Ввиду
относительно благоприят­ных
характеристик Ma
= f
(s)
на электростанциях разрешается
кратковременная работа (до 30 мин)
турбогенераторов
в асинхронном ре­жиме при условии,
что потери в рото­ре и статоре не
превышают потерь при номинальном режиме
и потребле­ние реактивной мощности
с точки зрения режима работы энергосистемы
допустимо. В течение указанного вре­мени
можно устранить неисправности в системе
возбуждения, перевести турбогенератор
на резервное возбуж­дение или перевести
нагрузку на другие турбогенераторы или
стан­ции. Использование возможности
ра­боты турбогенераторов в асинхронном
режиме позволяет увеличить надежность
энергоснабжения потребителей.

Асинхронные
характеристики гидрогенераторов
значительно менее благоприятны.
Гидрогенераторы имеют шихто­ванные
полюсы, и успокоительные обмотки во
многих случаях у них отсутствуют. При
отсутствии успокоительной обмотки
мощ­ность в асинхронном режиме
развивается только за счет токов,
индуктируемых в обмотке возбуждения.

Активное сопротивление успокоительной
обмотки велико, и в этом случае момент
Ma
при малых s также мал.

Поэтому гидрогенераторы
не могут развивать значительной мощности
в асинхронном режиме, успокоительная
обмотка быстро нагревается, и если
восстановление возбуждения в течение
10—15 сек
невозможно, то их нужно отключать от
сети.

Все
синхронные двигатели имеют пусковые
обмотки и обычно пускаются в ход как
асинхронные двигатели, причем обмотка
воз­буждения замкнута через разрядное,
или гасительное, сопротивле­ние rг
= (5 — 10) rf
или замкнута накоротко.

Пуск с разомкнутой
обмоткой возбуждения недопустим, так
как при этом может прои­зойти повреждение
ее изоляции.

Скольжение невозбужденного
двигателя изменяется при пуске от s
= 1 до s
= 0,05, когда включается ток возбуждения
и двигатель втягивается в синхронизм.

Кривые
М, = f
(s) синхронных двигателей представлены
на рис.. Момент, развиваемый обмоткой
возбуждения, достигает максимального
значения при малых скольжениях, в
особенности, когда rг
= 0, так как rf
мало, а

zF8Q/htmlconvd-wbeO1s_html_53019fbbea73fe41.gif» width=»28″> относительно велико. Наоборот, момент,
развиваемый пусковой обмоткой, достигает
максимума при s
=
0,3 — 0,4, так как активное сопротивление
этой обмотки значи­тельно больше и
рассеяние меньше.

При расчете кривых
было принято, что сопротивление обмотки
якоря ra
= 0. Поэтому на этих кривых не отражено
возникновение провала момента при s
= 0,5 вследствие одноосного эффекта.

Следует, однако, отметить, что при наличии
пусковой обмотки на роторе этот эффект
прояв­ляется слабо.

Начальный
пусковой момент (s = 1) синхронных двигателей
при U
= Uн
должен быть достаточно велик. С другой
стороны, при малых s

момент
Ма
также должен быть доста­точно велик,
так как в противном случае при пуске
под нагрузкой двигатель в асинхронном
режиме не сможет достичь скорости
вра­щения, достаточно близкой к
синхронной, и двигатель после вклю­чения
тока возбуждения не втянется в синхронизм.

Крутизну
харак­теристики Ма
= f
(s) при малых s
принято определять значением Мапри
s
= 0,05, и эту величину момента условно
называют вход­ным моментом Мвх.
Очевидно, что чем больше Мвх,
тем лучше условия втягивания в синхронизм.

Обычно требуется, чтобы Мвх
= Мп
Однако для увеличения Ма
необходимо увеличить активное
сопротивление пусковой обмотки, а для
увеличения — умень­шить его.

Поэтому
вопрос о выборе величин Мвх
и Мп
надо решать компромиссным образом и
использовать явление вытеснения тока
в

пусковой
обмотке для увеличения Мп.
Стержни пуско­вой обмотки с целью
увеличения их сечения и теплоемкости
изго­товляются из латуни.

Как
видно из рис., при пуске без разрядного
сопротивления Мвх
получается меньше и, кроме того, при
малых s может образоваться провал
момента, так как максимум момента от
действия обмотки возбуждения наступает
при весьма малом s. Поэтому при rг
= 0 втягивание в синхронизм происходит
в менее благоприятных условиях.

Если
синхронная машина лишена успокоительной
или пусковой обмотки и имеет немассивные
полюсы или ротор, то в результате сильного
проявления одноосного эффекта асинхронный
пуск ее возможен только на холостом
ходу или при малой нагрузке на валу,
причем обмотка возбуждения должна быть
замкнута через зна­чительное активное
сопротивление.

Синхронные
двигатели с массивными роторами или
полюсами имеют благоприятную характеристику
Ма
= f
(s), если отношение При малом

zF8Q/htmlconvd-wbeO1s_html_3547917584b75dee.

gif» width=»23″>
большое
влияние на величину тока в полюс­ных
наконечниках начинает оказывать
сопротивление торцевых зон полюсного
наконечника, и асинхронный момент
поэтому Мa
умень­шается.