Дрючин В.Г., Ткачев Р.Ю. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи
Подождите немного. Документ загружается.
302
Поэтому при любых изменениях Iв конец вектора I будет перемещаться по
прямой, перпендикулярной к неподвижному вектору U и расположенной на расстоянии
Оа от его начала О. Одновременно
φ будет изменяться и по значению, и по знаку.
Из условия Р = соnst вытекает условие неизменности и электромагнитной
мощности (Pэм
≈
P) : Рэм=(3Е0*U*sinθ)/X=const,. Так как U и Х постоянны, то
Е0*sinθ=m*Ob=const. Поэтому при изменении I и Р=const конец вектора э. д. с. E0
будет перемещаться по прямой, параллельной вектору U.
Этот анализ вскрывает чрезвычайно важное практическое свойство синхронного
генератора, включенного в мощную сеть: изменение его тока возбуждения I вызывает
изменение в широких пределах (по значению и знаку) угла сдвига фаз φ между
напряжением U и изменяющимся током в нагрузке I, а следовательно, соsφ
и реактивной
мощности Q=3U*I*sinφ генератора. При недовозбуждении (Iв<Iв0) ток I
опережает
напряжение U (отрицательный, или емкостный, сдвиг фаз φ<0),
а при перевозбуждении
(Iв>Iв0)--- отстает от него (положительный, или индуктивный, сдвиг фаз φ>0).
Поэтому регулирование реактивной энергии, вырабатываемой генератором в мощной
сети, осуществляется изменением его тока возбуждения.
На рис. 12.14,б показаны для нескольких значений активной мощности Р так
называемые U-образные кривые параллельно работающего в сети синхронного
генератора, характеризующие зависимость тока статора I от тока возбуждения Iв
при Р=const,U=const и f=const [9]. При некотором значении тока возбуждения в
зависимости от активной мощности ток статора I имеет наименьшее значение.
Этому режиму соответствует φ=0 и соsφ=1, т. е. генератор выдает в сеть только
активную энергию. С увеличением нагрузки Р незначительный сдвиг вправо нижних
точек кривых, соответствующих соsφ = 1, обусловлен небольшим увеличением тока
возбуждения Iв для компенсации активного падения напряжения в обмотке статора.
При перевозбуждении (Iв>Iв0) ток I отстает по фазе от напряжения U и генератор
вырабатывает активную и реактивно-индуктивную энергию (правые ветви,φ>0),
а при
недовозбуждении (Iв<Iво) ток опережает напряжение---генератор работает в
активно-емкостном режиме (левые ветви, φ<0).
Граница устойчивости семейства U-образных кривых при малых токах
возбуждения соответствует равенству максимальной мощности Pmах (см. угловые
характеристики на рис. 12.9,б) значению мощности, когда генератор может выйти
из
синхронизма, а относительное насыщение зависимости тока 1 в правых ветвях при
перевозбуждении---насыщению магнитопровода машины.
Практически в современных энергосистемах синхронные генераторы всегда
работают в режиме с перевозбуждение (соsφ = 0,8-- 0,9, φном>0), обеспечивая
приемники (асинхронные двигатели, трансформаторы, индукционные печи и др.)
необходимой реактивной энергией индуктивного характера. Изменение тока
возбуждения, а следовательно, и выдаваемой в сеть реактивной энергии у какого-либо
из генераторов должно сопровождаться соответствующим обрат-
303
ным изменением этих величин у другого (или других), так как суммарная,
вырабатываемая всеми генераторами системы, реактивная энергия остается прежней
и равной суммарному спросу на не
е всех подключенных приемников. Невыполнение этого
условия приводит к повышению или понижению напряжения в отдельных линиях
системы, поскольку носителем реактивной энергии является
реактивная составляющая
тока в нагрузке. Поэтому регулирование реактивной мощности в энергосистемах
неразрывно связано с проблемой регулирования напряжения в ее сетях.
12.14. Типы выпускаемых в СССР
синхронных генераторов
Все современные электростанции оборудуются трехфазными синхронными
генераторами. Генераторы мощностью до 250—500 кВт изготовляются на линейное
напряжение 400 В, большей мощности ---от б до 30 кВ.
На ТЭС работают горизонтальные быстроходные турбогенераторы с
неявнополюсным ротором и частотой вращения 3000 и 1500 об/мин. Турбогенераторы
мощностью до 25—
50 тыс, кВт обычно имеют воздушное охлаждение, более мощные
(до 1,2 млн, кВт)--- водородное, водородноводяное и водяное.
Наша промышленность изготовляет двухполюсные турбогенераторы с
машинным возбудителем на общем валу серий: ТБ---мощностью от 2,5 до б тыс, кВт
(бесподвальные) для блочнотранспортабельных электростанций; Т---
от 2,5 до 12 тыс,
кВт; Т2---от 0,5 до 1000 тыс, кВт; ТВ, ТВ2---от 30 до 150 тыс. кВт; ТВС---
мощностью
30 тыс, кВт; ТВФ--- от 60 до 120 тыс, кВт; ТВМ---мощностью 300 и 500 тыс, кВт;
ТВВ---от 150 до 1200 тыс, кВт; ТГВ---от 200 до 800 тыс, кВт. Тип серий
расшифровывается так: Т---символ серии---турбогенератор; последующие буквы
об
означают способ охлаждения обмоток статора и ротора (после Т первая буква В или
Г— с водородным или водяным охлаждением, вторая Ф---с форсированным
охлаждением, В---с внутренним водяным охлаждением обмотки статора, М---с
охлаждением обмоток статора изоляционным маслом).
Гидроэлектростанции комплектуются тихоходными, обычно вертикальными
подвесного или зонтичного типов гидрогенераторами с явнополюсным ротором,
частота вращения которых определяется высотой напора воды и колеблется от 50 до
500 об/мин. Внешне они отличаются от турбогенераторов на ту же мощность
относительно большими (в несколько раз) размерами.
Гидрогенераторы изготовляются следующих основных серий:
ВГС---мощностью от 200 до 2630 кВ А (вертикальные); СВ---от 23,5 до 28
2 тыс. кВ А
(вертикальные, с поверхностным воздушным охлаждением); СВФ---
от 160 До 640 тыс.
кВт (вертикальные, с непосредственным охлаждением обмотки статора водой и
форсированного охлаждения обмотки ротора воздухом); СГК и СГКВ---
горизонтальные, капсульного типа мощностью до 45 кВт (устанавливаются на
низконапорных станциях, например работают на Киевской и Саратовской ГЭС).
304
Генераторы общего применения с первичным двигателем внутреннего сгорания и
другими двигателями применяются на стационарных установках (особенно в
отдаленных от центров сельских районах), на стройплощадках и подвижных
установках (судах, железных дорогах и др.) мощностью до 400 кВт с напряжением
400/230 В и большей мощности (до 4000 кВт) с напряжением 6,3 кВ.
Для общепромышленного применения изготовляются горизонтальные синхронные
генераторы в защищенном исполнении единых серий: ЕСС мощностью от 5 до 100 кВт
(Е---единой серии, С--синхронный, С---с самовозбуждением через селеновый
выпрямитель); ЕС---мощностью от 5 до 75 кВт с самовозбуждением от встроенного
механического выпрямителя; СТ и ее модификации мощностью до 3200 кВт.
305
Синхронные генераторы закрытые серия СГЧЗ на частоты 10— 133 Гц
мощностью 20—452 кВт входят в комплект преобразова
тельных агрегатов частоты с
приводным двигателем синхронным, асинхронным или постоянного тока.
Промышленность выпускает и специальные генераторы повышенной частоты
(200—10 000 Гц, мощностью до 2500 кВт для питания электрических печей и
специальных установок закалки, плавки и индукционного нагрева деталей и питания
быстроходных двигателей) серий
ГИМ-1,ГПЧ,ЧС-9,ВГО и ГПС (рис. 12.15,а и б), АЛА, ОПЧ и типов ВГВФ,ЧС-7 и др.
Синхронные генераторы с явнополюсным ротором используются для получения
переменного тока частотой не выше 500 Гц , так как на обычном роторе при
п = 3000
об/мин разместить большее число полюсов (р>10) практически невозможно, а
увеличивать диаметр ротора нельзя по условиям механической прочности. П
оэтому при
повышенных частотах применяются индукторные генераторы, принцип действия
которых можно уяснить из рис. 12.15,в. При вращении стального ротора 5 первичным
двигателем поток магнитного поля, возбужденного постоянным током обмотки 1
статора 2, будет пульсировать из-за зубчатых поверхностей ротора и статора,
изменяясь от максимального значения (когда зубцы З и 4 находятся друг против друга)
до минимального. Соответственно в катушках статора будет индуцироваться
переменная э. д. с. с частотой f=z*n/60 (Гц), где z---число зубцов ротора; п---частота
вращения ротора, об/мин.
11.15. Принцип действия синхронного двигателя
Конструктивно трехфазный синхронный двигатель почти не отличается от
синхронного генератора: также состоит из статора с трехфазной обмоткой
(рис. 12. 16,а) и ротора с полюсами (рис. 12.16,б). Однофазные синхронные двигатели
изготовляются лишь небольших мощностей и применяются редко.
306
Принцип действия трехфазного синхронного двигателя основан на силовом
взаимодействии разноименных полюсов статора и ротора [11]. При этом ведущим
является вращающееся поле статора, ведомым---ротор (см. рис. 12.9,в), который
также вращается с синхронной частотой Ω0.С увеличением нагрузки усиливаются
отставание ротора и «растяжение» магнитных линий между разноименными
полюсами статора и ротора.
Механическая работа синхронного двигателя на приведение в движение рабочей
машины, т. е. на преодоление тормозного момента на валу, выполняется за счет
электроэнергии, потребляемой его статором от сети, а относительно небольшая
энергия источника постоянного тока, возбуждающая магнитное поле в роторе,
расходуется на тепло, выделяемое в обмотке ротора.
Наглядное представление о принципе действия синхронного двигателя дает
модель работы двигателя (рис. 12. 16,г), где вращающееся с синхронной частотой n0
поле статора условно показано в виде поля вращающегося постоянного магнита с
полюсами N—S, а ротор---в виде постоянного магнита с полюсами N0— S
0.Оба магнита
307
разделены воздушным зазором и могут свободно вращаться вокруг общей оси.
Наружный вращающийся магнит при определенных условиях может увлечь за собой
внутренний магнит.
Если обмотку статора включить в трехфазную сеть, а обмотку ротора
подключать к источнику постоянного тока, то вращающееся поле статора будет
вращаться вокруг неподвижного ротора, его полюсы N и S за 1 с многократно (2f/р
раз)
будут проходить около полюсов возбужденного ротора N0,S0 и взаимодействовать с
ними. На ротор будут действовать силы то в одну, то в другую сторону, например при
частоте f= 50 Гц и р =
1 будет 100 толчков за секунду. Среднее значение момента этих
действующих на ротор сил за продолжительное время равно нулю. В результате ротор,
обладающий значительным моментом инерции, не сдвигается с места.
Чтобы ротор все же вращался, его предварительно надо разогнать посторонним
двигателем до синхронной частоты вращения п0 поля статора. В этом случае
электромагнитный момент двигателя преодолеет инерцию ротора и заставит его
следовать за вращающимся магнитным нолем статора. Ротор втянется в синхронизм,
будет вращаться с постоянной частотой п0 в сторону вращения поля статора. В
режиме идеального ХХ (момент сопротивления Мт = О) оси поле
й (полюсов) статора и
ротора совпадают, т. е. угол рассогласования полюсов θ = 0, и на полюсы ротора
действуют только радиальные силы противоположного направления.
Если к валу ротора работающего двигателя приложить некоторый тормозной
момент Мт
(загрузить двигатель), то ось ведомого ротора отстанет от оси ведущего
поля статора на некоторый угол θ, зависящий от значения тормозного момента Мт.
Появятся тангенциальные составляющие Fτ---Fτ сил взаимодействия разноименных
полюсов, которые создадут вращающийся момент двигателя Мэм= Мт.
Синхронный двигатель (как и все электродвигатели) обладает свойством
саморегулирования. Поле статора увлекает за собой ведомый ротор. При изменении
тормозного момента нагрузки на валу
изменяется угол рассогласования θ (при Е0=const, так как п=const) и
электромагнитный момент (12.21) становится равным моменту нагрузки (Мэм =
Мт).
Как следует из угловой характеристики (см. рис. 12.9,6) я выражения
электромагнитного момента синхронной машины (12.21), который для двигателя
является вращающим, его возрастание возможно только при увеличении θ
до 90°, когда
М = Мmах:
С дальнейшим увеличением тормозного момента (см. рис. 12.9,б) уменьшается и
новое равновесие моментов уже не наступит. Двигатель выпадает из синхронизма
(обрывается «магнитная связь» между полюсами статора и ротора) я быстро
308
останавливается. В этом случае двигатель должен быть немедленно отключен от
сети. В противном случае, так как э. д. с. статора Е0 уменьшится до нуля, ток
достигнет значения тока КЗ
Iк=U/Х. (12.24)
Таким образом, устойчивый режим работы синхронного двигателя возможен
только в диапазоне 0<θ<90°. Номинальный момент двигателя соответствует углу θ
не
более 30°.
Перегрузочная способность синхронных двигателей
В равенстве (12.25) максимальный электромагнитный момент двигателя
соответствует номинальному току возбуждения Iв.ном. С уменьшением Iв, как это
следует из рис. 12.9,6, при U=const его значение снижается (уменьшается э. д. с. Е0).
Следовательно, перегрузочная способность двигателя легко регулируется током
возбуждения ротора.
Синхронный двигатель, в отличие от всех других типов электродвигателей,
имеет абсолютно жесткую механическую характеристику п (М) при п = соnst
(см. рис.
12.1
7,6): с изменением нагрузки его частота вращения остается неизменной, вплоть до
выхода из синхронизма (при большой перегрузке, когда . θ>90).
12.16. Пуск синхронного двигателя
Как было сказано в п. 12.15, с
инхронный двигатель не имеет начального пускового
момента. Поскольку синхронные машины, как и все электрические машины,
обратимы,
синхронная машина, работающая генератором, может работать и в качестве
двигателя. Если синхронный генератор, работающий параллельно в сети, прекратить
вращать первичным двигателем, то генератор будет вращаться с синхронной
частотой п0.
И чтобы синхронная машина работала в режиме двигателя, достаточно
к ее валу приложить тормозной момент. В режиме двигателя ротор машины станет
уже ведомым звеном.
В настоящее время синхронные двигатели пускаются в ход так, как и
асинхронные. Статор такого двигателя обычный (см. рис. 12. 1б,а), а ротор, кроме
основной, имеет еще дополнительную пусковую ко-
309
роткозамкнутую обмотку типа «беличьей клетки» из толстых медных или латунных
стержней, расположенных в отверстиях полюсных наконечников (см. рис. 12.16,6). В
редко применяемых быстроходных синхронных двигателях (п = 1500 и 3000 об/мин) с
неявнополюсным ротором роль пусковой обмотки обычно играют стальная бочка
ротора, металлические клинья и бандажи.
Асинхронный пуск синхронного двигателя осуществляется по схеме,
изображенной на рис. 12.17,а. На время пуска основная обмотка ротора отключается
от источника постоянного тока и замыкается (переключателем SА) на разрядный
резистор сопротивлением Rp, которое в 10—15 раз больше сопротивления обмотки
возбуждения. Затем статорная обмотка двигателя рубильником QS
включается а сеть.
Возникающее в машине вращающее магнитное поле пересекает пусковую
короткозамкнутую обмотку ротора и наводит в ней э. д. с., которая создает
индукционный ток.
Взаимодействие индукционного тока ротора с вращающимся магнитным полем
статора машины создает (как
и в асинхронном двигателе) пусковой момент, который и
разгоняет ротор двигателя до частоты вращения, близкой к синхронной (n >= 0,95n0
).
После этого основная обмотка ротора переключателем SА
подключается к питающему
ее источнику постоянного тока. Возникаю
щий при этом в машине вращающий момент
доводит вращение ротора до синхронной скорости и двигатель продолжает работать
как синхронный.
После пуска, в рабочем режиме пусковая обмотка не участвует. Однако при
изменениях нагрузки, вызывающих некоторое колебание ротора, она опять будет
пересекаться полем статора и автоматически включится в работу. Ее успокоительный
момент сглаживает качания ротора, удерживая двигатель в синхронном режиме.
Поэтому эта пусковая короткозамкнутая обмотка называется еще успокоительной,
или демпферной [11].
Разрядный резистор сопротивлением Rp в схеме предназначен для снижения во
время пуска напряжения на обмотке возбуждения (на кольцах ротора):
где Е2—- э. д. с., наводимая при пуске в основной обмотке ротора полем статора
310
машины. В разомкнутой обмотке ротора ее напряжение U2 = Е2 может
достигнуть значения, опасного для целости изоляции ротора. для уменьшения большого
пускового тока при непосредственном включении в сеть, особенно быстроходных
двигателей
(достигает пяти-семикратного номинального), синхронные двигатели средней и
большой мощностей пускаются в ход при пониженном напряжении с помощью
автотрансформатора или реакторов.
Реверсирование синхронных двигателей осуществляется (как и асинхронных)
переменой мест любых двух (из трех) проводов, соединяющих статор двигателя с
сетью.
12.17. Векторная диаграмма, вращающий момент
и к.п.д. синхронного двигателя
В
работающем трехфазном синхронном двигателе магнитное поле вращающегося
ротора наводит в трехфазной обмотке статора э. д. с., Е0. Так как в сети двигатель
является приемником электроэнергии, для любой фазы обмотки статора синхронного
двигателя с индуктивным синхронным сопротивлением Х уравнение электрического
равновесия в комплексной форме имеет вид
U=Ё0+jХ*I. (12.27)
Этом
у уравнению двигателя (как приемнику энергии) соответствует схема замещения и
упрощенная векторная диаграмма, показанные на рис. 12.18. На диаграмме векторы U
и
Е0 сдвинуты по фазе на угол рассогласования θ, равный углу между осями полюсов
ротора и статора в двухполюсной машине. С возрастанием нагрузки двигателя угол θ
увеличивается, а угол ψ=φ-θ между векторами Е0 и I при неизменных векторе U и φ
уменьшается.
На основании векторной диаграммы, как и выражения электромагнитного
момента (12.21), можно получить выражение вращающего момента синхронного
двигателя, аналогичное выражению момента асинхронного двигателя (11.56). Из
диаграммы на рис. 12.18, б следует, что Рэм=ЗЕ0*I*cosψ. Если пренебречь потерями в
роторе, то электромагнитная мощность будет равна полезной мощности на валу
двигателя, т. е. Рэм Р = М.*Ω0. Следовательно, вращающий момент двигателя М =
Р/Ω0 = (ЗЕ0*I*cosψ)/Ω0, где Ω0--- угловая синхронная скорость. Подставив в это
равенство значение э.д.с. статора Е0=4.44f1*w1*kоб1*Ф0,получим
М=Ф0*k*I*cosψ=k*Ia*Ф0, (12.28)
где k--- коэффициент, объединяющий все постоянные величины; Ia=I*cosψ ---активная
составляющая тока статора.
Таким образом, вращающий момент синхронного двигателя пропорционален
магнитному потоку полюса ротора и активной составляющей тока статора.
311
В формуле (12.28) от напряжения сети U зависит только ток статора I.
Следовательно, вращающий момент синхронного двигателя пропорционален
напряжению сети в первой степени: М
U. двигатель малочувствителен к колебаниям
напряжения сети.
В синхронном двигателе имеют место те же потери, что и в синхронном
генераторе: механические Рт, на возбуждение Рв, в сердечнике статора (магнитные)
Рс, в обмотке статора Роб и добавочные Рд (см. п. 12.8). Следовательно, к.п.д.
синхронного двигателя
η
=Р/Р1 = (Р1-
∆
Р)/Р1, (12.29)
где Р---полезная мощность двигателя на валу; Р1=
3
U*I*cosφ--- мощность,
потребляемая из сети;Δ Р---суммарные потери в двигателе.
К. п. д. современных синхронных двигателей (см. рис. 12.8,6) составляет
86—97.5 % (большие значения относятся к двигателям больших мощностей).
12.18. Влияние тока возбуждения
на коэффициент мощности синхронного двигателя
Обычно, действующее напряжение сети, питающей двигатель,—
постоянное. Для
постоянной полезной мощности на валу двигателя будут оставаться практически
неизменными электромагнитная и потребляемая из сети мощности
При этих условиях, как и в генераторе (см. п. 12.13), изменение тока возбуждения
в цепи ротора двигателя Iв
вызывает соответствующие изменения в обмотке статора
э.д.с. Е0, тока 1 и падения напряжения jXI, образующих при любом режиме на
векторной диаграмме замкнутый треугольник напряжений U=E0 + jХI.
Так как вектор
jХI всегда перпендикулярен к вектору тока I, то будет соответственно изменяться и
положение вектора I относительно неподвижного на диаграмме вектора напряжения
U=const, т. е. угол сдвига фаз φ между ними [9]. На рис. 12.19, а показаны положения
рассматриваемых векторов для трех значений тока возбуждения при условиях,
вытекающих из неизменности мощностей Рэл и Р: Е0*sinθ=const=mu*Ob;
I*cosφ=const=mi*Oa . Исходным взято значение тока возбуждения Iв=Iв0
, при котором