В каком режиме работы синхронный двигатель вырабатывает реактивную мощность

В каком режиме работы синхронный двигатель вырабатывает реактивную мощность

Синхронный компенсатор –  синхронный двигатель не выполняющий механической работы. Его назначение — компенсация реактивной мощности. Если нагрузить его механической работой, он не сможет компенсировать реактивную составляющую в нужном диапазоне.

У него два режима работы:

  • Перевозбужденный;
  • Недовозбужденный;

Не будем углубляться  в теорию работы синхронных машин, а рассмотрим  отдельно каждый из режимов работы синхронного компенсатора.

В каком режиме работы синхронный двигатель вырабатывает реактивную мощность

Перевозбужденный режим. Так как компенсатор работает на холостом ходу, то согласно теории ток идеального холостого хода должен быть равен нулю, хотя на самом деле это не так. Выполняется равенство .

Если увеличить ток возбуждения (Iв) больше нуля    Iв ≠ 0, то в двигателе образуется ЭДС и соответственно — машина выходит из электрического равновесия и возникает ток , который будет отставать от ∆ ,, на 900. Соответственно в сеть будет отдаваться реактивная составляющая.

На рисунке а) приведена векторная диаграмма для данного случая.

В каком режиме работы синхронный двигатель вырабатывает реактивную мощностьРис. а) векторная диаграмма работы в перевозбужденном режиме

Недовозбужденный режим. Если уменьшить Iв, в двигателе образуется ЭДС, соответственно — следствием , который будет отставать от ∆на 900, но будет опережать ,на 900. Соответственно с сети будет забираться реактивная составляющая. На рисунке б) приведена векторная диаграмма для данного случая.

В каком режиме работы синхронный двигатель вырабатывает реактивную мощностьРис. б) векторная диаграмма работы в недовозбужденном режиме

Можно сделать вывод, что синхронный компенсатор работает в двух режимах: компенсации и потребления реактивной составляющей. Это значит что он может не только отдавать но и потреблять, что позволяет поддерживать баланс мощности в цепи.

Он снабжается автоматической системой управления возбуждением и в автоматическом режиме регулирует cosφ цепи. Также обладает большой инерционностью, что не позволяет ему быстро реагировать на изменение параметров цепи.

При установке его в сеть с резко-переменной нагрузкой нужно максимально оптимизировать настройки регуляторов  САУ, чтоб машина не пошла в разнос, так как это чревато аварийными отключением подстанции из-за бросков тока в сеть. Строятся на мощность до Sн = 100 000 кВА.

Имеют явнополюсную конструкцию с 2р= 6 или 8 — тихоходные. Компенсаторы большой мощности делаются с водородным охлаждением.

Для асинхронного пуска снабжаются пусковыми обмотками в полюсных наконечниках или делают их с массивными полюсами. Пускаться они могут как прямым пуском, так и с помощью реакторов. Иногда используют гонный асинхронный двигатель для разгона машины до подсинхронной скорости. Наиболее часто имеют напряжение питания статора 6 кВ, 10 кВ и садятся на соответствующие линии ГПП.

Для возбуждения синхронного компенсатора чаще всего используют тиристорный преобразователь. Он прост в управлении, обладает малой инерционностью, дешев, по сравнению с другими устройствами, не требует постоянного обслуживания и быстро ремонтируем.

Современные возбудители оборудованы микропроцессорной системой управления, которые могут в автоматическом режиме вычислять реактивную мощность и регулировать возбуждение машины, тем самым поддерживая баланс мощности.

Ниже  приведена функциональная схема системы автоматического регулирования (САУ):

В каком режиме работы синхронный двигатель вырабатывает реактивную мощность

Также ранее применялись, а кое-где и до сих пор используются, электромашинное возбуждение. Как правило, работает с очень малой чувствительностью и очень большой инерционностью по отношению к цепи. Дорог в обслуживании и эксплуатации. При выходе из строя долго находится в ремонте. Ниже показана самая примитивная схема электромашинного возбудителя:

В каком режиме работы синхронный двигатель вырабатывает реактивную мощность

Вывод: синхронный компенсатор является обратимым устройством. Он дорог, занимает много места, а также вызывает шум и иногда вибрации. Эксплуатация его не дешевая, а в случае выхода из строя вращающихся элементов требует длительного ремонта. В сравнении с современными средствами компенсации реактивной мощности является устаревшим.

Синхронные компенсаторы в электрических сетях

В каком режиме работы синхронный двигатель вырабатывает реактивную мощностьСинхронным компенсатором называется синхронный двигатель облегчённой конструкции, предназначенный для работы на холостом ходу.

Основные потребители электрической энергии, кроме активной мощности, потребляют от генераторов системы реактивную мощность. К числу потребителей, требующих большие намагничивающие реактивные токи для создания и поддержания магнитного потока, относятся асинхронные двигатели, трансформаторы, индукционные печи и другие. В связи с этим распределительные сети обычно работают с отстающим током.

Реактивная мощность, вырабатываемая генератором, получается с наименьшими затратами.

Однако передача реактивной мощности от генераторов связана с дополнительными потерями в трансформаторах и линиях передач.

Поэтому для получения реактивной мощности становится экономически выгодным применение синхронных компенсаторов, располагаемых на узловых подстанциях системы или непосредственно у потребителей.

Синхронные двигатели благодаря возбуждению постоянным током они могут работать с cos = 1 и не потребляют при этом реактивной мощности из сети, а при работе, с перевозбуждением 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.

Синхронные компенсаторы предназначаются для компенсации коэффициента мощности сети и поддержания нормального уровня напряжения сети в районах сосредоточения потребительских нагрузок.

Синхронным компенсатор — синхронная машина, работающая в двигательном режиме без нагрузки на валу при изменяющемся токе возбуждения.

В перевозбужденном режиме ток опережает напряжение сети, т. е. является по отношению к этому напряжению емкостным, а в недовозбужденных — отстающим, индуктивным. В таком режиме синхронная машина превращается в компенсатор — в генератор реактивного тока.

Нормальным являемся перевозбужденный режим работы синхронного компенсатора, когда он отдает в сеть реактивную мощность.

Синхронные компенсаторы лишены приводных двигателей и с точки зрения режима своей работы в сущности являются синхронными двигателями, работающими на холостом ходу.

В каком режиме работы синхронный двигатель вырабатывает реактивную мощностьВ связи с этим компенсаторы, как и служащие для этих же целей батареи конденсаторов, устанавливаемые на потребительских подстанциях, называют также генераторами реактивной мощности. Однако в периоды спада потребительских нагрузок (например, ночью) нередко возникает необходимость работы синхронных компенсаторов также в недовозбужденном режиме, когда они потребляют из сети индуктивный ток и реактивную мощность, так как в этих случаях напряжение сети стремится возрасти и для поддержания его на нормальном уровне необходимо загрузить сеть индуктивными токами, вызывающими в ней дополнительные падения напряжения.

Для этого каждый синхронный компенсатор снабжается автоматическим регулятором возбуждения или напряжения, который регулирует величину его тока возбуждения так, что напряжение на зажимах компенсатора остается постоянным.

Для того чтобы улучшить коэффициент мощности и соответственно уменьшить угол сдвига между током и напряжением от значения φсв до φк нужна реактивная мощность:

В каком режиме работы синхронный двигатель вырабатывает реактивную мощность

где Р — средняя активная мощность, квар; φсв — сдвиг фаз, соответствующий средневзвешенному коэффициенту мощности; φк — сдвиг фаз, который должен быть получен после компенсации; а — коэффициент, равный около 0,9, вводимый в расчеты с целью учета возможного повышения коэффициента мощности, без установки компенсирующих устройств.

Помимо компенсации реактивных токов индуктивных промышленных нагрузок, синхронные компенсаторы необходимы на ЛЭП. В длинных ЛЭП при малых нагрузках преобладает емкость линии, и они работают с опережающим током. Для того чтобы компенсировать этот ток, синхронный компенсатор должен работать с отстающим током, т. е. недовозбужденным.

При значительной нагрузке ЛЭП, когда преобладает индуктивность потребителей электроэнергии, ЛЭП работает с отстающим током. В этом случае синхронный компенсатор должен работать с опережающим током, т. е. перевозбужденным.

Изменение нагрузки на ЛЭП вызывает изменение потоков реактивных мощностей по величине и фазе, приводит к значительным колебаниям напряжения в линии. В связи с этим возникает необходимость его регулирования.

Синхронные компенсаторы обычно устанавливают на районных подстанциях.

Для регулирования напряжения в конце или середине транзитных ЛЭП могут быть созданы промежуточные подстанции с синхронными компенсаторами, которые должны регулировать либо поддерживать напряжение неизменным.

Работа таких синхронных компенсаторов автоматизируется, в связи с чем создается возможность плавного автоматического регулирования величины вырабатываемой реактивной мощности и напряжения.

Для осуществления асинхронного пуска все синхронные компенсаторы снабжаются пусковыми обмотками в полюсных наконечниках или их полюсы делаются массивными. При этом используется способ прямого, а в необходимых случаях — способ реакторного пуска.

В некоторых случаях мощные компенсаторы пускаются в ход также с помощью пусковых фазных асинхронных двигателей, укрепляемых с ними на одном валу. Для синхронизации с сетью при этом обычно используется метод самосинхронизации.

Так как синхронные компенсаторы не развивают активной мощности, то вопрос о статической устойчивости работы для них теряет остроту. Поэтому они изготовляются с меньшим воздушным зазором, чем генераторы и двигатели, Уменьшение зазора позволяет облегчить обмотку возбуждения и удешевить машину.

Номинальная полная мощность синхронного компенсатора соответствует его работе с перевозбуждением, т.е. номинальной мощностью синхронного компенсатора считается его реактивная мощность при опережающем токе, которую он может длительно нести в рабочем режиме.

В каком режиме работы синхронный двигатель вырабатывает реактивную мощность

Наибольшие значения тока и мощности в недовозбужденном режиме получаются при работе в реактивном режиме.

В большинстве случаев в недовозбужденном режиме требуются меньшие мощности, чем в перевозбужденном, но в некоторых случаях необходима большая мощность.

Этого можно достигнуть увеличением зазора, однако это приводит к удорожанию машины, и поэтому в последнее время ставится вопрос об использовании режима с отрицательным током возбуждения.

Поскольку синхронный компенсатор по активной мощности загружен только потерями, то, согласно он может работать устойчиво также с небольшим отрицательным возбуждением.

В ряде случаев в маловодные периоды для работы в режиме компенсаторов используются также генераторы гидроэлектростанций.

В конструктивном отношении компенсаторы принципиально не отличаются от синхронных генераторов. Они имеют такую же магнитную систему, систему возбуждения, охлаждения и др. Все синхронные компенсаторы средней мощности имеют воздушное охлаждение и выполняются с возбудителем и подвозбудителем.

В связи с тем, что синхронные компенсаторы не предназначены для выполнения механической работы и не несут активной нагрузки на валу, они имеют механически облегченную конструкцию. Компенсаторы выполняются как сравнительно тихоходные машины (1000 — 600 об/мин) с горизонтальным валом и явнополюсным ротором.

В качестве синхронного компенсатора может быть использован генератор, работающий вхолостую при соответствующем возбуждении. В перевозбужденном генераторе появляется уравнительный ток, являющийся чисто индуктивным относительно напряжения генератора и чисто емкостным относительно сети.

Читайте также:  Автосигнализация аллигатор запуск двигателя

Следует иметь в виду, что перевозбужденная синхронная машина независимо от того, работает ли она генератором или двигателем, может рассматриваться относительно сети как емкость, а недовозбужденная — как индуктивность.

Для того чтобы перевести генератор, включенный в сеть, в режим синхронного компенсатора, достаточно закрыть доступ пара (или воды) в турбину. В таком режиме перевозбужденный турбогенератор начинает потреблять небольшую активную мощность из сети только для покрытия потерь вращения (механических и электрических) и отдает реактивную мощность в сеть.

В режиме синхронного компенсатора генератор может работать длительное время и зависит лишь от условий работы турбины.

При необходимости турбогенератор может быть использован в качестве синхронного компенсатора как при вращающейся турбине (вместе с турбиной), так и при отсоединенной, т. е. при разобранной муфте сочленения.

Вращение паровой турбины со стороны генератора, перешедшего в двигательный режим, может вызвать перегрев хвостовой части турбины.

Регулирование реактивной мощности синхронной машины | Электрические машины

Подробности Категория: Оборудование

Регулирование реактивной мощности синхронной машины, включенной в сеть

Регулирование реактивной мощности в энергосистемах имеет такое же важное значение, как и регулирование активной мощности. Реактивная мощность необходима для создания магнитных полей во многих электротехнических устройствах, работающих в энергосистеме.

Регулирование реактивной мощности позволяет повысить перегрузочную способность этих устройств, поддерживать постоянство напряжения в сети, снизить ее перетоки по линиям и тем самым обеспечить устойчивую и экономичную работу энергосистемы.

Вернемся вновь к режиму холостого хода синхронной машины (рис. 5.34, а). В этом режиме по обмотке возбуждения протекает ток , соответствующий по характеристике холостого хода напряжению сети .

Увеличим ток возбуждения , тогда модуль ЭДС возрастет и возникнет ток В каком режиме работы синхронный двигатель вырабатывает реактивную мощность.

В каком режиме работы синхронный двигатель вырабатывает реактивную мощность

По отношению к напряжению синхронной машины ток будет индуктивным, а по отношению к напряжению сети — емкостным (рис. 5.34, б), поэтому синхронная машина вырабатывает и отдает в сеть реактивную мощность В каком режиме работы синхронный двигатель вырабатывает реактивную мощность. При уменьшении тока возбуждения () модуль ЭДС снижается и фаза тока меняется на противоположную (рис. 5.34, в). В этом случае ток по отношению к напряжению синхронной машины является емкостным, а по отношению к напряжению сети — индуктивным. Следовательно, сеть является источником реактивной мощности, и синхронная машина ее потребляет. Таким образом, изменение тока возбуждения синхронной машины обуславливает изменение в обмотке якоря реактивного тока и, следовательно, происходит регулирование реактивной мощности. Синхронная машина, загруженная только реактивным током и не несущая активной нагрузки, называется синхронным компенсатором.

Регулирование реактивной мощности возможно при работе синхронной машины в режимах генератора и двигателя. Согласно векторным диаграммам (рис. 5.35), в генераторном режиме при увеличении тока возбуждения (рис. 5.35, а) синхронная машина отдает в сеть реактивную мощность, а при уменьшении тока возбуждения (рис. 5.35, б) потребляет из сети реактивную мощность.

Аналогичные явления имеют место и в двигательном режиме (рис. 5.36).В каком режиме работы синхронный двигатель вырабатывает реактивную мощность

При увеличении тока возбуждения (рис. 5.36, а) синхронный двигатель отдает в сеть реактивную мощность, а при уменьшении (рис. 5.36, б) — потребляет реактивную мощность. Активная мощность при этом как в двигательном, так и в генераторном режимах, не меняется.

Возможность плавного регулирования реактивной мощности в широких пределах является важным преимуществом синхронных машин перед асинхронными.

Регулирование реактивного тока и реактивной мощности синхронного двигателя

Существенной особенностью синхронных двигателей является то, что они, работая с механической нагрузкой, позволяют в широких пределах изменять потребляемый из сети реактивный ток и реактивную мощность. Осуществляется это путем изменения тока возбужденияIв с помощью реостата rр (см. рис. 11.8).

Предположим, что двигатель работает при постоянном моменте статического сопротивления (Мс = const) и что некоторому току возбуждения Iв1 соответствуют ЭДС Е01, ток I1, углы φ1 и θ1(рис. 11.12, а).

Прямым следствием изменения тока Iв является изменение магнитного потока Ф0, а значит, и ЭДС E0; последнее приводит к изменению тока якоря I.

Так как М = const, то при различных Iвмомент двигателя М и мощность Рэм будут оставаться также неизменными, поскольку при установившихся режимах работы с различными токами M = Mc = const, а Рэм = Mω.

Если не учитывать потерь мощности I2r, то можно считать неизменной и мощность Рφ.

Из выражения Рэм = Мω и (11.14) следует, что Рэм = 3U E0 sin θ.
xc

Очевидно, мощность Рэм будет постоянной при изменении тока возбуждения, если Е0 sin θ = const. Последнее означает, что геометрическим местом концов векторов ЭДС при изменении токаIв является линия АБ, параллельная вектору напряжения U.

На основании выражения Рφ = 3 UIcos φ можно сделать вывод о том, что мощность Рφ будет постоянной, если Icos φ = const, т. е. если остается постоянной активная составляющая тока. Геометрическим местом концов вектора тока I при изменении тока Iв является, очевидно, линияВГ, перпендикулярная вектору напряжения U.

Чтобы составить представление о влиянии тока Iв на реактивный ток и реактивную мощность двигателя, на рис. 11.12, а совмещено несколько векторных диаграмм для различных токов возбуждения.

В каком режиме работы синхронный двигатель вырабатывает реактивную мощность

Рис. 11.12. Векторные диаграммы синхронного двигателя при различных токах возбуждения (а) и U-образные характеристики при различных мощностях (б)

При некотором токе возбуждения Iв2 > Iв1 двигатель имеет ЭДС Е02 и токI2, совпадающий по фазе с напряжением (φ2 = 0). Реактивные составляющие тока якоря и потребляемой двигателем мощности в этом случае равны нулю.

При недовозбуждении (Iв1 < Iв2 и Е01 < Е02) двигатель имеет индуктивные составляющие тока (φ1 > 0) и потребляемой мощности, а при перевозбуждении (Iв3 > Iв2 и Е03 > Е02) — емкостные составляющие тока (φ3 < 0) и потребляемой мощности.

При недовозбуждении под действием индуктивной составляющей тока двигатель дополнительно подмагничивается, при перевозбуждении под действием емкостной составляющей тока размагничивается.

Степень подмагиичивания или размагничивания двигателя такова, что при всех значениях тока возбуждения в обмотке якоря возникает результирующая ЭДС Е,действующее значение которой остается неизменным, так как Е= U.

Зависимость I (Iв), показывающая, как изменяется ток якоря I при изменении тока возбуждения Iв в случае постоянной мощности, называется U-образной характеристикой синхронного двигателя.

Несколько таких характеристик для различных значений мощностей приведены на рис. 11.12, б. Минимальные значения токов I получаются при cos φ = l.

Область, расположенная слева от пунктирной линии, соответствует работе с токами, отстающими по фазе от напряжения, справа — с токами, опережающими напряжение.

В каком режиме работы синхронный двигатель вырабатывает реактивную мощность

Рис. 11.13 Векторная диаграмма синхронного компенсатора

Свойство перевозбужденного синхронного двигателя потреблять кроме активной составляющей тока и активной мощности емкостную составляющую тока и емкостную мощность, используют для повышения (компенсации) коэффициента мощности других потребителей, создающих активно-индуктивную нагрузку системы.

Используя указанное свойство синхронных двигателей, оказалось возможным создавать синхронные машины, называемые синхронными компенсаторами.

Синхронный компенсатор представляет собой по существу синхронный двигатель, рассчитанный на работу с перевозбуждением без механической нагрузки и предназначенный специально для улучшения коэффициента мощности.

Если не учитывать относительно небольших потерь мощности в синхронном компенсаторе, можно считать, что им потребляются из сети трехфазного тока чисто емкостный ток и емкостная мощность. Векторная диаграмма синхронного компенсатора при таком допущении приведена на рис. 11.13.

Достоинства и недостатки синхронных двигателей

Синхронный электродвигатель имеет сложнее структуру, чем асинхронный, но обладает некоторыми достоинствами.

Главным положительным качеством данных агрегатов является способность поддерживать оптимальный режим реактивной энергии. Из-за автоматического регулирования силы тока двигателя, он работает, не употребляя, не давая реактивную энергию, значение коэффициента мощности равняется 1. Если нужна реактивная энергия, она будет производиться синхронным мотором.

Данным двигателям не страшны перебои в сети, которой равен их максимальный момент. А значение критического момента равно квадрату напряжения.

Агрегат выдерживает большую перегрузку, которую можно еще увеличить автоматически повышением тока при необходимости непродолжительной нагрузки на вал. Он имеет постоянную скорость вращения независимо от нагрузки.

Трехфазный синхронный двигатель дороже обычного асинхронного из-за сложного механизма и особого устройства.

  Характеристика электрических сетей

Еще недостатком оказывается надобность в постоянном источнике энергии, функции которого выполняет выпрямитель или специализированный возбудитель.

Устройство электродвигателя

Синхронный мотор имеет две основные части — статор и ротор. Неподвижная часть называется статором, а подвижный элемент ротором.

Однофазный двигатель с короткозамкнутым ротором, расположенным в статоре или снаружи в двигателях обращенного вида. В основе ротора — постоянные магниты. Материал магнитов имеет высокую коэрцитивную силу. Полюсы ротора могут быть явно и неявно выраженными. Синхронный двигатель с короткозамкнутым ротором бывает с магнитами на поверхности или с уже встроенными.

Статор представлен корпусом и сердечником, состоящим из двухфазных и трехфазных обмоток. Обмотка бывает распределенная и сосредоточенная. У распределенной насчитываются пазы полюса и фазы Q= 2,3.

У сосредоточенной обмотки пазы полюса и фазы Q=1. Пазы размещены на одинаковом расстоянии на окружности неподвижной части двигателя. Катушки статора соединяются последовательно или параллельно. Такие обмотки не могут влиять на форму кривой ЭДС. Электродвижущая сила имеет трапецеидальную и синусоидальную форму.

У явно выраженного полюса форма ротора и наводимая электродвижущая сила проводника является трапециевидной формы (а). При необходимости создания синусоидальной ЭДС, полюсные наконечники приобретают другую форму, где величина кривой распределения индукции близкая синусоидальной.

Осуществление возможно благодаря наличию скосов на наконечнике полюса ротора.

Ротор синхронного двигателя переменного тока: а — явно выраженный полюс, 6 — неявно выраженный полюс.

Неявно выраженные полюса обладают равной индуктивностью продольных и поперечных осей, а явно выраженные полюса имеют одинаковую величину поперечной и продольной индуктивности (б).

Синхронный двигатель — достоинства и недостатки

Наибольшее распространение такая машина как синхронный двигатель получила в промышленности, где есть электроприводы, работающие на постоянных скоростях. Например, компрессоры с мощными двигателями, приводы насосов. Также синхронный двигатель является неотъемлемой частью и многих бытовых приборов, например, он есть в часах.

Читайте также:  Bmw м50 двигатель сколько

Принцип действия этой машины достаточно прост.

Взаимодействие вращающегося магнитного поля якоря, создаваемого переменным током, и магнитных полей на полюсах индуктора, создаваемых постоянным током, и лежит в основе принципа работы такого электрического устройства как синхронный двигатель.

Обычно индуктор расположен на роторе, а якорь – на статоре. Мощные двигатели в качестве полюсов используют электромагниты. Но есть и маломощный тип — синхронный двигатель с постоянными магнитами. Главное отличие синхронных машин от асинхронных — конструкция статора и ротора.

Для разгона двигателя до уровня номинальной скорости часто используют асинхронный режим. В этом режиме обмотка индуктора накоротко замкнута. После того как двигатель выходит на номинальную скорость, выпрямитель питает постоянным током индуктор. Только в номинальной скорости синхронный двигатель может самостоятельно работать.

Такой двигатель имеет массу достоинств. Он на порядок сложнее асинхронной машины, однако это компенсируется рядом преимуществ. Один из главных плюсов — его возможность работать без потребления или отдачи реактивной энергии. При этом коэффициент мощности двигателя будет равен единице.

При таких условиях синхронный двигатель переменного тока будет нагружать сеть исключительно активной составляющей. Побочным эффектом будет уменьшение габаритов двигателя (у асинхронного двигателя обмотка статора рассчитывается и на активный, и на реактивный токи).

Однако синхронный двигатель может вырабатывать и реактивную энергию, работая в режиме перевозбуждения.

Синхронный электродвигатель гораздо менее чувствителен к скачкам и перепадам напряжения в сети. Также такие электрические машины имеют более высокую устойчивость к перегрузкам.

За счет повышения токов возбуждения можно увеличить перегрузочную способность двигателя.

Плюсом работы с синхронной машиной является также и постоянная номинальная скорость вращения при любой нагрузке (кроме перегрузок).

  Обязанности слесаря КИПиА

Несомненно, у такой машины как синхронный двигатель есть и свои слабые места. Они связаны с повышенными затратами и сложной эксплуатацией. Основной проблемой является процесс возбуждения электродвигателя и введения его в синхронизм.

В настоящее время нашли распространение тиристорные возбудители, которые имеют гораздо более высокий коэффициент полезного действия, чем электромашинные возбудители. Однако их стоимость существенно выше.

С помощью тиристорного коммутатора можно решить многие вопросы: оптимальное регулирование токов возбуждения, поддержка постоянного значения косинуса фи, контроль над напряжением на шинах, регулирование токов статора и ротора в аварийных режимах и при перегрузках.

Принцип действия

Принцип действия электрической машины переменного тока: 1 — статор, 2 — ротор.

У однофазного двигателя отсутствует пусковой момент.

При подключении обмотки якоря к сети переменного тока, ротор неподвижен, в обмотку возбуждения поступает постоянный ток, за время одного изменения напряжения, два раза происходит смена направления электромагнитного момента. Значение среднего момента равняется нулю. Ротор разгоняется посредством внешнего момента до вращающейся частоты, которая приближается к синхронности.

Из-за высокого значения коэффициента мощности обеспечивается снижение потребления электричества, уменьшаются потери. В сравнении с асинхронным механизмом с такой же мощностью, синхронный двигатель имеет КПД выше. Так как крутящийся момент аналогичен напряжению сети. Даже снижение напряжения не влияет на нагрузочную способность. Что свидетельствует о надежности механизма.

Тип подключения делится на однофазный и трехфазный. Синхронные агрегаты чаще бывают трехфазными.

При положении проводников трехфазного двигателя в определенной геометрической позиции появляется электромагнитное поле, которое вращается с одновременной скоростью.

При имении магнита во вращающемся поле, они замыкают, крутятся параллельно. Двигатель можно назвать нерегулируемым, так как его скорость постоянная.

Виды и характеристики двигателей синхронного типа

По числу обмоток, используемых для создания вращающегося поля статора, все известные модели синхронных двигателей делятся на:

  • однофазные;
  • трехфазные устройства.

Последние предназначаются для работы в условиях повышенных напряжений и нагрузок, что характерно для условий промышленного производства. Их полезная мощность порой достигает сотен кВт.

В отличие от них однофазные электродвигатели могут подключаться к бытовым электрическим сетям переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 Вольт. Как правило, эти устройства имеют мощность в пределах от 5 Вт до 10 кВт.

По рабочей эффективности они существенно уступают своим трехфазным аналогам. Однофазная схема включения заметно снижает КПД двигателя и величину его пускового момента. Вместе с тем агрегаты этого типа способны выдерживать большие перегрузки на валу.

Пуск электродвигателя

  • Существует два способа пуска синхронной машины.
  • Схема пуска на основе глухо подключенного возбудителя, применима для статистического момента нагрузки менее 0,4, без падений напряжения.
  • Асинхронный пуск с помощью трансформатора

В обмотке возбуждения замыкается сопротивление разряда, избегая тем самым перебои возбуждения обмотки на впуске, потому как на небольшой скорости вращения ротора возникают перенапряжения.

Если скорость приближается к синхронной, реагирует контактор, а обмотка возбуждения переключается из разрядного сопротивления на якорь возбудителя.

  1. Применение тиристорного возбудителя

  Амперметры

Возбуждение, осуществляемое при помощи электромагнитного реле

Пуск с тиристорным возбудителем более надежный, обладает высоким КПД. Легче становится управление возбуждением, напряжение шин, остановка в аварийном режиме. Во многих моделях электродвигателей установлены тиристорные возбудители. Подача возбуждения работает автоматически функцией скорости и тока.

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.

Синхронный компенсатор

Упрощенная конструкция для холостого хода называется компенсатором.

Потребление электричества, помимо активной мощности, нуждается в реактивной мощности. Генератор вырабатывает реактивную мощность с минимальными затратами.

Переход реактивной мощности генератора связан с потерями на линии передач. Поэтому применение компенсаторов является обоснованным экономически.

При возбуждении синхронные двигатели не используют напряжение сети, а при перевозбуждении отдают реактивную мощность.

Синхронный электродвигатель применяется в сети переменного и постоянного тока, обеспечивая высокую надежность работы. Этот двигатель улучшит коэффициент мощности предприятия.

О синхронных двигателях простым языком

Благодаря техническому прогрессу на современных производствах внедряются новые виды электропривода. Например, асинхронные двигатели с КЗ ротором с частотным преобразователем постепенно заменяют АДФР и ДПТ. Но есть машины, которые благодаря своим характеристикам продолжают эксплуатироваться — это синхронные двигатели, о них и пойдёт речь в этой статье.

Что такое синхронные машины и где их используют

В общем смысле синхронная электрическая машина — это машина, ротор которой вращается с такой же частотой, как и магнитное поле статора.

Если говорить о двигателе, то частота вращения его ротора совпадает с частотой вращения поля статора, порождаемого током питающей сети. То есть ротор вращается синхронно с этим полем отсюда и название — синхронный двигатель.

Синхронные машины обратимы — то есть могут работать и в режиме генератора, и в режиме двигателя. Поэтому в ходе статьи иногда могут проскакивать фазы не только о двигателях, но и о генераторах, их устройство почти одинаковое, а главное, отличие — в режиме работы.

Стоит отметить, что на электростанциях всех типов используются в основном синхронные генераторы. Они и вырабатывают практически всю электроэнергию в мире, а мощность таких генераторов может доходить до тысячи мегаватт, а в некоторых случаях и более.

Синхронные двигатели (СД) используются зачастую там, где нужна большая мощность (сотни и тысячи киловатт) для привода в движение различных механизмов и устройств, например, компрессоров, насосов, мельниц и другого оборудования, не требующего регулировки частоты вращения и частых пусков/остановок.

У синхронного двигателя три отличительных особенности:

1. Постоянная скорость на валу при любых нагрузках (в пределах номинальной). При этом скорость вращения ротора СД равна скорости вращения магнитного поля статора.

2. Изменяя ток возбуждения, возможно регулировать коэффициент мощности. Так в режиме перевозбуждения синхронный двигатель работает как компенсатор (генератор) реактивной мощности, улучшая общий cos Ф сети.

Из последнего ясно, почему его применяют для привода в движение устройств большой мощности, ведь использование асинхронных двигателей приведёт к ухудшению cos Ф, следовательно, и к увеличению нагрузки на сеть и счётов за электроэнергию.

Устройство

Как любой другой двигатель, синхронный состоит из статора и ротора.

Статор – это неподвижная часть машины, состоящая из корпуса и шихтованного сердечника. Шихтованный — значит, собран из тонких листов , изолированных друг от друга лаком или окалиной. В сердечнике есть пазы, в которые укладывается трёхфазная обмотка. То есть устройство статора синхронной машины такое же, как и у асинхронной.

В зависимости от габаритов машины статоры бывают разных конструкций — в виде цельного цилиндра, или набранным из сегментов, которые при сборке образуют цилиндр.

Корпуса статоров мощных машин большого диаметра выполняют разъёмными из двух частей (разделяются пополам вдоль оси ротора), что облегчает транспортировку, монтаж и ремонт таких машин.

Читайте также:  Двигатель без гидрокомпенсаторов хорошо или плохо

У небольших машин корпуса выполняют цельными и в них запрессовывают статор.

Устройство статора синхронной машины. Иллюстрация Л.Ф. СкворцоваУстройство статора синхронной машины. Иллюстрация Л.Ф. Скворцова

Ротор – это вращающаяся часть электрической машины. Так как для работы любой синхронной машине нужно возбуждение, то на роторе располагается сердечник с обмоткой возбуждения или магниты. Сердечник и ротор могут быть выполнены в виде одной цельной детали или сборными.

У синхронных машин бывают роторы двух видов: неявнополюсным и явнополюсным.

Конструкция ротора: а) явнополюсный с одной парой полюсов; б) неявнополюсная; 1 — магнитопровод, 2 — полюса, 3 — обмотка возбуждения, 4 — контактные кольца, 5 — электрические;Конструкция ротора: а) явнополюсный с одной парой полюсов; б) неявнополюсная; 1 — магнитопровод, 2 — полюса, 3 — обмотка возбуждения, 4 — контактные кольца, 5 — электрические;

Неявнополюсный ротор выполняется в виде стального цилиндра с продольно профезерованными пазами, в которые укладывается обмотка возбуждения.

Может быть изготовлен в виде одной кованной детали с валом или сборным — в виде отдельной детали, напрессованной на вал.

Чтобы во время работы обмотка не повредилась под действием центробежной силы, концы ротора прикрывают стальными бандажными кольцами из немагнитной стали.

У явнополюсного ротора обмотки расположены на полюсах сердечника, как бы выступающих над поверхностью ротора. В этом случае каждый полюс выполняется в виде отдельного элемента, который состоит из сердечника, катушки и полюсного наконечника. Сами полюсы крепятся, например, с помощью ласточкиного хвоста, на ободе, установленном на валу.

Устройство ротора синхронной машины. Иллюстрация Л.Ф. СкворцоваУстройство ротора синхронной машины. Иллюстрация Л.Ф. Скворцова

В зависимости от мощности машины и частоты вращения, используют один или другой тип ротора. В тихоходных машинах (до 1000 об/мин) используют явнополюсную конструкцию ротора. Поэтому у явнополюсных роторов зачастую много полюсов, подобно тому, что вы видите на рисунке выше.

При работе машин с большим числом оборотов (1500-3000 об/мин) на ротор действуют значительные центробежные силы, поэтому применяют неявнополюсный ротор. При этом неявнополюсный ротор может быть двухполюсным (при n 1=3000 об/мин) или четырёхполюсным (n 1=1500 об/мин)

Концы обмотки возбуждения выводятся на два токосъёмных кольца, а ток на них подаётся через щётки.

Возбуждение синхронных машин

Для работы синхронной машины на роторе должен быть расположен источник магнитодвижущей силы (МДС). Если это генератор, то магнитное поле ротора сцепляется с обмотками статора и наводит в них ЭДС, а у двигателя магнитные поля ротора и статора взаимодействуют друг с другом и ротор увлекается вслед за полем статора.

По способу возбуждения различают синхронные машины с обмоткой возбуждения и с постоянными магнитами.

При этом чаще встречаются машины с обмоткой возбуждением, или как его ещё называют — с электромагнитным возбуждением. Здесь при прохождении постоянного тока через обмотку и возникает МДС возбуждения, которое наводит магнитное поле в магнитной системе машины. А устройство, которое питает обмотку возбуждения, называют возбудителем (В).

Раньше для возбуждения синхронных машин использовались генераторы постоянного тока с самовозбуждением или с независимым возбуждением. Во втором случае для работы возбудителя нужно было подать ток и в его обмотку возбуждения. Для этого использовался ещё один генератор постоянного тока, но параллельного возбуждения — подвозбудитель (ПВ).

То есть ротор синхронной машины, якорь возбудителя и подвозбудитель располагаются на общем валу (или их валы соединяются непосредственно друг с другом) и вращаются одновременно, а подвозбудитель питает обмотку возбуждения возбудителя, чтобы тот мог выдавать ток в обмотку возбуждения синхронной машины. Для регулировки тока возбуждения используют регулировочные реостаты в цепи возбудителя r1 и подвозбудителя r2. Схема изображена на рисунке ниже под буквой а.

Ток с якоря возбудителя снимался через щёточно-коллекторный узел и подавался в обмотку возбуждения синхронной машины через её щётки и кольца. Из-за «слишком большого» количества щёток такая система нуждалась в постоянном обслуживании — контроле состояния щёток, искрения и регулярной замены (в некоторых случаях и раз в несколько дней – неделю).

Чтобы снизить частоту обслуживания, повысить КПД и надёжность от такой системы отказались и перешли на тиристорные преобразователи, в нашей стране распространены преобразователи типа ТЕ320/45, ТЕ320/75 способные выдавать ток возбуждения до 320 ампер с напряжением 45 и 75 вольт соответственно, а также различные ВТЕ.

Они подключаются к питающей сети, выпрямляют и регулируют ток, подаваемый на обмотку возбуждения, при этом возможна автоматическая или ручная регулировка тока. Способ регулировки в большей мере определяется мощностью машины и режимом её работы.

КПД повышается за счёт снижения потерь при работе генераторов, отсутствии регулировочных реостатов.

Системы электромагнитного возбуждения синхронных: а) контактная, б) бесконтактнаяСистемы электромагнитного возбуждения синхронных: а) контактная, б) бесконтактная

Но не всегда ток возбуждения подаётся через щётки, есть синхронные машины с бесконтактной системой электромагнитного возбуждения, при которой на роторе нет контактных колец.

В этом случае в качестве возбудителя используют генератор переменного тока. У этого генератора есть обмотка якоря и обмотка возбуждения.

Обмотка якоря располагается на роторе (цифра 2 на рисунке «б» выше) и в ней наводится ЭДС, а обмотка возбуждения располагается на статоре (1) .

Так как якорь возбудителя располагается на валу синхронной машины и вращается вместе с её обмоткой возбуждения, то возможно соединить их между собой непосредственно друг с другом без щёток.

Но возбудитель – это генератор переменного тока, а для возбуждения синхронных машин нужен постоянный. Для преобразования переменного тока в постоянный на валу располагается полупроводниковый выпрямитель (3), на вход которого подаётся ток обмотки якоря возбудителя, а его выход подключается к обмотке возбуждения синхронной машины.

На обмотку статора возбудителя подаётся постоянный ток от подвозбудителя (генератора) или от электронного преобразователя. В этом случае чтобы регулировать силу тока возбуждения синхронной машины изменяют ток статора возбудителя.

Преимущество такой системы в том, что она надёжна и её почти не нужно обслуживать, ведь при питании возбудителя от электронного преобразователя в системе полностью отсутствуют щётки. Перечисленные системы возбуждения используются как в генераторах, так и в двигателях.

Интересно, что на возбуждение затрачивается мощность в пределах 0,2…5% от полезной мощности машины, при этом у более мощных машин на возбуждение в процентном соотношении затрачивается меньшая мощность. А в машинах с постоянными магнитами мощность на возбуждение не затрачивается.

Кстати, насчёт постоянных магнитов — они используются в машинах малой мощности (до единиц киловатт), конструкция машины в этом случае упрощается и становится дешевле. Но не нашла широкого распространения в синхронных двигателях большой мощности из-за того, что мощные магниты стоят дорога, а материалы для них были в дефиците, и сложны в обработке материалов для постоянных магнитов.

Однако сейчас практически повсеместно используют мощные неодимовые магниты, они нашли применения в различных бесщёточных двигателях (BLDC ), которые используются в качестве привода в электротранспорте. Кстати, эти двигатели в целом похожи на синхронные, а одна из их разновидностей так и называется permanent magnet synchronous motor (PMSM) — синхронный двигатель с постоянными магнитами.

Особенности и принцип действия

Обмотки статора синхронного двигателя подключают к трёхфазной электросети, а на обмотку ротора подают постоянный ток от возбудителя. Но из-за большой инерционности ротор синхронного двигателя не может мгновенно развить своей скорости, он в принципе не может развернуться самостоятельно, так как пусковой момент у него отсутствует.

Поэтому для запуска двигателя используют такие способы его разгона до синхронной скорости:

1. Разгон с помощью вспомогательного двигателя.

2. Асинхронный пуск.

Один из самых распространённых способов – это асинхронный пуск. В этом случае на роторе синхронного двигателя, кроме обмотки возбуждения, должна быть расположена ещё и короткозамкнутая обмотка, как на АДКР.

Асинхронный пуск синхронного двигателя: а) схема подключения; б) короткозамкнутая обмотка на роторе СДАсинхронный пуск синхронного двигателя: а) схема подключения; б) короткозамкнутая обмотка на роторе СД

Если кратко, то в этом случае синхронный двигатель запускается точно так же как асинхронный — поле статора наводит в КЗ-обмотке ротора ЭДС, из-за чего в ней начинает протекать ток.

Поле статора взаимодействует с полем ротора отчего тот начинает разворачиваться.

И когда ротор разгоняется до скорости близкой к синхронной (когда скольжение приближается к нулю), подают ток в обмотку возбуждения, а сопротивления отключают.

Так как ротор вращается со скоростью близкой к полю статора, полюса поля обмотки возбуждения притягиваются к противоположным полюсам поля обмотки статора. В результате чего двигатель выходит на синхронную скорость, об этом ещё говорят «двигатель вошёл (втянулся) в синхронизм».

На время пуска обмотку возбуждения замыкают на резисторы, сопротивление которых в 8-10 раз больше сопротивления обмотки. А после выхода двигателя на синхронную скорость ЭДС в короткозамкнутой обмотке не наводится, так как поле статора больше не пересекает её, ведь они вращаются синхронно.

  • Частота вращения ротора синхронного двигателя равна частоте вращения магнитного поля статора и определяется по формуле:
  • n 2=n 1=60×f /p
  • Двигатель может выйти из синхронизма при:

1. Исчезновении возбуждения.

2. Пониженном напряжении питающей сети.

3. При чрезмерной нагрузке на валу (при перегрузке).

Заключение

Синхронные двигатели хоть и активно используются, но на практике электрики сталкиваются с ними значительно реже, чем с асинхронными двигателями, или вообще никогда с ними не работали.

В этой статье мы постарались простым языком рассказать об особенностях устройства и работы этого типа электрических машин, а в завершении этой статьи предлагаю посмотреть советский обучающий фильм о синхронных двигателях.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector