Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины т 2

Подождите немного. Документ загружается.

160

Электромагнитные процессы в синхронных двигателях описыва-

ются теми же уравнениями и диаграммами, что и в генераторах

(см. гл. 55). В качестве примера на рис. 58.15 приведена диаграмма

перевозбужденного явнополюсного синхронного двигателя (без уче-

та насыщения), отличающаяся от диаграммы генератора (см.

рис. 55.2) лишь тем, что активная составляющая тока якоря I

направ-

лена в сторону, противоположную напряжению машины , и совпа-

дает по направлению с напряжением сети . Реактивная со-

ставляющая тока I

, как и в перевозбужденном генераторе, отстает на

угол π/2 от напряжения машины и опережает на угол π/2 напряже-

ние сети .

Вращающий момент, активная и реактивная мощности синхрон-

ного двигателя рассчитываются по формулам, выведенным для син-

хронной машины, работающей параллельно с системой (гл. 58). Из-

менение этих величин при постоянном возбуждении в зависимости от

угла θ оценивается по угловым характеристикам активной и реактив-

ной мощности (рис. 58.8, 58.11), включающим и область работы дви-

гателем (–θ

max

< θ < 0). О влиянии тока возбуждения на реактивную

мощность, развиваемую двигателем, можно судить по U-образным

характеристикам в режиме двигателя, которые повторяют U-образ-

ные характеристики в режиме генератора (см. рис. 58.13).

На рис. 58.16 изображены рабочие характеристики двигателя при

неизменном токе возбуждения, выбранном таким образом, чтобы при

холостом ходе двигатель имел коэффициент мощности, равный еди-

нице. При увеличении нагрузки коэффициент мощности уменьшает-

ся, а ток становится отстающим. Если ток возбуждения будет выбран

так, чтобы двигатель имел номинальный коэффициент мощности при

номинальной нагрузке и опережающем токе, то при снижении нагруз-

ки двигатель будет отдавать в сеть еще большую реактивную мощ-

ность, чем при поминальной нагрузке (cosϕ < cosϕ

ном

). Наоборот, при

увеличении нагрузки коэффициент мощности возрастает в связи с

уменьшением опережающей реактивной составляющей тока, стано-

вится равным единице и затем снова уменьшается из-за появления от-

стающей реактивной составляющей тока.

При автоматическом регулировании напряжения в функции тока

якоря могут быть получены любые заданные характеристики реак-

тивной мощности или коэффициента мощности.

Для возбуждения синхронных двигателей используется или пря-

мая электромашинная система возбуждения или система самовозбу-

ждения с полупроводниковыми выпрямителями (см. гл. 52).

–

–=

–

161

Асинхронный пуск синхронного двигателя в ход (см. § 60.3) осу-

ществляется с помощью короткозамкнутой демпферной (пусковой)

обмотки, располагающейся в пазах полюсных наконечников.

В неявнополюсных двигателях с массивным магнитопроводом ро-

тора и явнополюсных двигателях с массивными полюсами асинхрон-

ный момент при пуске возникает за счет взаимодействия вихревых

токов в массивных частях с вращающимся магнитным полем.

Свойства двигателя при асинхронном пуске характеризуются на-

чальным пусковым моментом М

при s = 1; входным моментом М

0,05

под которым понимается асинхронный вращающий момент при

s = 0,05. В технических данных эти моменты и ток приводятся в до-

лях номинального момента и тока в синхронном режиме (см. ниже).

Главные размеры, масса и стоимость синхронного двигателя, как

следует из § 37.2, зависят от его полной мощности

и увеличиваются при уменьшении его коэффициента мощности.

Из табл. 58.1, в которой сравниваются основные показатели синхрон-

ных и асинхронных двигателей, видно, что синхронный двигатель с

cosϕ= 1 всего на 17 % дороже асинхронного двигателя с короткозамк-

нутым ротором, а при cosϕ = 0,8 — на 44 %. Вместе с тем, если син-

хронный двигатель с cosϕ = 1 не генерирует реактивной мощности, то

синхронный двигатель с cosϕ = 0,8, работая с опережающим током, ге-

U=–U

cos L

Рис. 58.15. Диаграмма напряжений явнопо-

люсной синхронной машины (без учета насы-

щения, в режиме двигателя)

←

Рис. 58.16. Рабочие характери-

стики синхронного двигателя

ном

cos

-----------------------------------

162

нерирует значительную реактивную мощность, равную 0,6/0,8 ≈ 0,75

активной. Однако КПД при cosϕ = 0,8 получается более низким. При-

менение синхронных двигателей, рассчитанных на генерирование ре-

активной мощности, позволяет уменьшить реактивную мощность

синхронных генераторов на электрических станциях и синхронных

компенсаторов.

Выбор коэффициентов мощности синхронных генераторов и дви-

гателей представляет собой комплексную оптимизационную задачу,

в которой минимизируются затраты на изготовление машин и расхо-

ды на эксплуатацию электрической системы. Поскольку КПД возрас-

тает с ростом мощности машин, оказывается более выгодным возла-

гать генерирование большей части реактивной мощности на крупные

синхронные машины, к числу которых относятся генераторы, и мень-

шую часть на синхронные двигатели, мощность которых относитель-

но мала. Синхронные генераторы обычно выполняются с cosϕ = 0,8;

синхронные двигатели с cosϕ = 0,9 (при перевозбуждении).

Обладая по сравнению с асинхронными двигателями тем несо-

мненным преимуществом, что они могут генерировать реактивную

мощность в сеть, синхронные двигатели уступают асинхронным по

ряду других показателей. Синхронные двигатели сложнее в конст-

руктивном отношении, особенно по сравнению с короткозамкнутыми

асинхронными двигателями. Синхронные двигатели существенно

дороже асинхронных из-за затрат, связанных с изготовлением систе-

мы возбуждения. Синхронные двигатели нуждаются в квалифициро-

ванном обслуживании и менее надежны в эксплуатации. Суждение

о выгодности применения того или иного двигателя можно получить

при сопоставлении возможных вариантов по суммарным затратам

на изготовление и эксплуатацию в электрической системе.

При мощности более 100—200 кВт синхронные двигатели оказы-

ваются выгоднее асинхронных, при меньших мощностях они приме-

Та

лица 5

равнение некоторых показателей синхронных и асинхронных

двигателей мощностью 1000 кВт, частотой вращения 1000 об/мин

Тип двигателя

cos ϕ

ном

КПД, %

Относительная

стоимость, %

Синхронный 1 96,4 117

0,8

Опережающий ток

95,3 144

0,6

Опережающий ток

93,7 166

Асинхронный с фазным

ротором

0,9

Отстающий ток

94,9 127

Асинхронный с коротко-

замкнутым ротором

0,9

Отстающий ток

95,1 100

163

няются реже, когда требуется поддержание постоянной скорости вра-

щения, совпадающей с синхронной.

Небольшие синхронные двигатели (до 2 кВт), называемые реак-

тивными синхронными двигателями, выполняются без обмотки воз-

буждения на роторе и возбуждаются реактивным током, потребляе-

мым из сети. Двигатели еще меньшей мощности выполняются с по-

стоянными магнитами (см. § 63.6).

Особой разновидностью синхронных двигателей являются син-

хронизированные двигатели, напоминающие по своему устройству

асинхронные двигатели с фазным ротором. От последних они отлича-

ются тем, что имеют больший воздушный зазор и увеличенное сече-

ние вторичной трехфазной обмотки.

При пуске обмотка ротора двигателя замыкается на пусковой рео-

стат. Затем обмотка ротора присоединяется к возбудителю (или вы-

прямительному устройству), возбуждается постоянным током, и ро-

тор втягивается в синхронизм. Таким образом, двигатель обладает

пусковыми характеристиками асинхронного двигателя с фазным ро-

тором и рабочими свойствами синхронного двигателя.

Пусковые характеристики синхронизированных асинхронных

двигателей получаются примерно такими же, как у асинхронного

двигателя с фазным ротором соответствующей мощности. Область

их применения — установки с постоянной частотой вращения и тяже-

лыми пусковыми условиями, требующие высокого коэффициента

мощности (большие компрессоры, насосы и т.п.).

58.11. Синхронные омпенсаторы

Синхронным компенсатором (СК) называют синхронную машину,

предназначенную для генерирования реактивной мощности. Те же

функции выполняются и синхронными генераторами, установленны-

ми на тепловых и гидравлических электростанциях. Однако синхрон-

ные компенсаторы включаются в электрическую систему ближе

к местам потребления электрической энергии (рис. 58.17), и генери-

руемую ими реактивную мощность не приходится передавать

на большие расстояния. Благодаря уменьшению потерь энергии в ли-

СК





с.

Рис. 58.17. Схема включения син-

хронных компенсаторов в электри-

ческую систему:

СК — синхронный компенсатор; Г —

генераторы электрической станции;

Л — линия электропередачи; Н — на-

грузка (потребители электрической

энергии)

164

ниях электропередачи и при

промежуточных трансформа-

циях получение реактивной

мощности Q

с.к

от синхронных

компенсаторов обходится де-

шевле, чем от синхронных ге-

нераторов.

Затраты, связанные с уста-

новкой и эксплуатацией син-

хронных компенсаторов в уз-

лах потребления, окупаются,

если их мощность составляет 0,2—0,3 полной мощности линии пере-

дачи. В этом случае синхронные генераторы на электростанциях про-

изводят реактивную мощность, составляющую 0,6 полной мощности

линии электропередачи, и активную мощность, составляющую 0,8

полной мощности линии электропередачи. При таких соотношениях

между составляющими мощности генераторов их полная мощность

превосходит активную мощность всего в 1/ 0,8 = 1,25 раза и получе-

ние от них наряду с активной мощностью еще и реактивной мощно-

сти не приводит к существенному увеличению их размеров, массы и

стоимости (то же самое относится и к линии передачи, и к трансфор-

маторам, и к другому оборудованию промежуточных подстанций,

связывающих генераторы с потребителями).

Реактивная мощность, развиваемая синхронным компенсатором

при параллельной работе с системой, зависит от его тока возбужде-

ния I

. Перевозбужденный синхронный компенсатор, у которого

> I

> U

), работает с током I

, опережающим напряжение сети

, и отдает реактивную мощность в сеть Q = UI

> 0; недовозбужден-

ный, у которого I

< I

fх

< U

), работает с током I

, отстающим от на-

пряжения сети (рис. 58.18), и потребляет реактивную мощность из

сети Q = UI

< 0.

За номинальный принимается режим, в котором компенсатор раз-

вивает номинальную мощность при перевозбуждении; СК потребля-

ет из системы небольшую активную мощность, которая соответству-

ет имеющимся в нем потерям (магнитным, электрическим и на тре-

ние при вращении ротора). Поэтому ток I обмотки якоря СК содержит

не только реактивную составляющую I

, но и активную составляю-

I=I

rI=I

U=–U

с.

Рис. 58.18. Диаграммы напряжений

синхронного компенсатора при не-

довозбуждении E

< U

и перевозбуж-

дении (E

> U

)

165

щую I

, которая совпадает по фазе с напряжением сети U

и настолько

мала, что полный ток якоря практически не отличается от реактивной

составляющей (на рис. 58.18 активная составляю-

щая тока из-за ее малости не показана).

Из сказанного следует, что включенный в систему СК работает как

синхронный двигатель в режиме холостого хода, т.е. при внешнем мо-

менте на валу, равном нулю, М

= 0.

Эксплуатация синхронного компенсатора обходится тем дешевле,

чем меньше потери активной мощности. Относительные потери ак-

тивной мощности, т.е. потери ∑P, отнесенные к номинальной мощно-

сти СК S

ном

= Q

ном

, в современных крупных синхронных компенсато-

рах не превосходят 0,013—0,016 при водородном охлаждении и

0,02—0,024 при воздушном охлаждении.

Компенсаторы выпускаются мощностью от 10 до 160 MBæA обыч-

но в горизонтальном исполнении, их номинальные напряжения со-

ставляют 6,6—15,75 кВ. Частота вращения синхронного компенсатора

должна выбираться исходя из технико-экономических показателей.

Проведенные исследования и опыт проектирования показывают, что

для крупных синхронных компенсаторов, применяемых в электриче-

ских системах, оптимальными частотами вращения при f = 50 Гц явля-

ются 750—1000 об/мин. Несмотря на то что размеры и масса СК в

двухполюсном исполнении при 3000 об/мин минимальны, их стои-

мость из-за удорожания изготовления неявнополюсных роторов воз-

растает на 20—25 %. Кроме того, при 3000 об/мин заметно возрастают

потери на трение, что увеличивает расходы на эксплуатацию таких

компенсаторов.

Для включения синхронных компенсаторов в сеть используется

обычно метод асинхронного пуска (см. § 59.4). Отсутствие момента

сопротивления на валу в известной мере облегчает пуск СК по срав-

нению с пуском нагруженных синхронных двигателей.

Вал ротора СК не передает вращающего момента и должен рас-

считываться только на изгиб под действием массы ротора и сил маг-

нитного притяжения (см. § 34.3). Диаметр вала может быть умень-

шен по сравнению с валом генератора или двигателя той же полной

мощности. Это приводит к сокращению размеров подшипников и

общих габаритных размеров СК. Поскольку вал ротора в СК не вы-

водится наружу, его корпус сравнительно легко герметизировать.

Именно поэтому СК были первыми электрическими машинами, в ко-

торых было применено водородное охлаждение: сначала при не-

большом избыточном давлении водорода 0,05æ10

Па, позднее при

повышенном избыточном давлении до (1—2)10

Па. Водородное ох-

лаждение позволило существенно повысить линейную нагрузку: до

+ I

≈=

166

(580—620)10

А/м при косвенном воздушном охлаждении; до (800—

1000)10

А/м при косвенном водородном охлаждении с избыточным

давлением (1—2)10

Па.

Электромагнитные процессы в синхронных компенсаторах опи-

сываются теми же уравнениями и диаграммами, что и в генераторах

(см. гл. 55). Это относится, в частности, к диаграммам синхронного

компенсатора, построенным на рис. 58.18 без учета насыщения. Диа-

граммы построены для компенсатора, включенного через трансфор-

матор на напряжение U

по схеме рис. 58.17. При построении напря-

жение U

приведено к обмотке трансформатора, соединенной с СК.

Индуктивное сопротивление складывается из сопротивлений СК

и трансформатора X

с.к

= X

+ X

, где X

— сопротивление короткого

замыкания трансформатора; X

— полное индуктивное сопротивле-

ние якоря СК по продольной оси.

Наиболее важная характеристика синхронного компенсатора —

U-образная характеристика I = f (I

) при U

= const. Эта характери-

стика ничем не отличается от соответствующей характеристики син-

хронного генератора при активной мощности, равной нулю, P = 0.

Для компенсатора полезно построить семейство U-образных харак-

теристик при различных напряжениях сети: (при U

= U

ном

= const,

= 0,95U

ном

, U

= 1,05U

ном

и т.д.), по которым можно судить о ре-

акции компенсатора на изменение напряжения при I

= const: при

снижении напряжения реактивная мощность, отдаваемая им в сеть,

увеличивается, при увеличении — уменьшается. Благодаря такой ре-

акции на изменение напряжения компенсатор обладает свойствами

стабилизатора напряжения. При автоматическом регулировании на-

пряжения стабилизирующие свойства синхронного компенсатора

улучшаются.

При выборе параметров синхронного компенсатора не нужно за-

ботиться об обеспечении достаточной статической перегружаемости

(см. § 58.7), как в генераторах или двигателях (активная мощность

синхронного компенсатора близка к нулю, P ≈ 0, и он работает на уг-

ловой характеристике при угле θ ≈ 0). Поэтому индуктивное сопро-

тивление якоря по продольной оси выбирается в синхронном компен-

саторе исходя из требуемой величины реактивной мощности в режи-

ме недовозбуждения. При токе возбуждения, равном нулю (I

= 0),

синхронный компенсатор потребляет из сети реактивную мощность

откуда его индуктивное сопротивление в относительных единицах

= 1/Q. Обычно задается Q

= 0,4—0,6 и X

= 2,5—1,65.

ном

-----------

---------

167

Глава пятьдесят девятая

СПОСОБЫ ВКЛЮЧЕНИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

НА ПАРАЛЛЕЛЬНУЮ РАБОТУ

59.1. Влючение способом точной синхронизации

При включении синхронной машины на параллельную работу с

электрической системой частота вращения ротора машины должна

быть доведена до синхронной; ток в обмотке возбуждения выбран та-

ким, чтобы ЭДС возбуждения E

соответствовала напряжению в сети

, а включение в сеть выполнено таким образом, чтобы после него

установился режим холостого хода с углом θ = 0. Включение на па-

раллельную работу с системой может быть сделано наиболее просто

способом точной синхронизации, кратко описанным в § 58.2.

Способ точной синхронизации пригоден для всех синхронных ге-

нераторов, приводимых во вращение первичным двигателем того или

иного типа, а также для синхронных двигателей и синхронных ком-

пенсаторов в тех случаях, когда они снабжены дополнительным раз-

гонным двигателем, с помощью которого частота вращения может

быть доведена до синхронной.

Включение способом точной синхронизации производится сле-

дующим образом (см. рис. 58.2).

1. Угловая скорость Ω ротора машины Г с помощью первичного

двигателя или разгонного двигателя доводится до синхронной (или

весьма близкой к синхронной)

Ω ≈ ω

/ p = Ω

2. Обмотка возбуждения генератора с помощью АГП (рис. 59.1)

присоединяется к щеткам якоря возбудителя (K

— замыкается, K

—

размыкается). Устанавливается такой ток возбуждения I

, при кото-

ром ЭДС возбуждения E

(или напряжение U = E

) на выводах отклю-

ченного генератора совпадает с напряжением системы U = U

(кон-

такты выключателя K разомкнуты).

3. Воздействием на первичный двигатель (например, на направ-

ляющий аппарат турбины АН по рис. 58.6) немного увеличивают или

168

уменьшают частоту его вращения ω по сравнению с синхронной ω

При этом угол α между E

и U

(см. рис. 58.3) медленно изменяется

α = α

+ (ω – ω

)t,

что сопровождается изменением разностной ЭДС

с периодом

4. Добиваются настолько медленного изменения угла α, чтобы

можно было успеть включить выключатель K в мгновение, когда

ΔE ≈ 0. Это оказывается возможным сделать, если период T

= 20—

40 с и скольжение ротора по отношению к синхронной частоте весь-

ма мало:

= 0,001 – 0,0005,

где T

= 2π / ω

= 1/f

— период изменения напряжения сети, равный

0,02 с при f

= 50 Гц.

5. Наблюдая за изменением ΔE по вольтметру, показанному на

рис. 58.2, или по специальному прибору, называемому синхроноско-

пом, замыкают контакты выключателя K, когда ΔE = 0 и соблюдается

условие, необходимое для точной синхронизации, т.е. .



OД

OBB

Рис. 59.1. Схема включения на параллельную работу с электрической системой

ΔE 2U α 2⁄cos=

2π

ωω

–

---------------------

ωω

–

---------------------

2π

-------------

------

===

–

–==

169

После идеально точного включения контактора K в обмотке якоря

ток не появляется, I = 0, и устанавливается режим холостого хода.

В реальных условиях ΔE несколько отличается от нуля и в обмотке

якоря появляются небольшие переходные токи. В результате устанав-

ливается режим, в котором ток I также несколько отличается от нуля

за счет небольшой несинхронности вращения ротора в момент вклю-

чения [при ω > ω

устанавливается генераторный режим с небольшим

током (I << I

ном

); при ω < ω

— двигательный].

Кроме перечисленных операций перед первым включением гене-

ратора в сеть, а также после изменений в схеме должно быть провере-

но совпадение чередования фаз генератора и системы, так как только

в этом случае условие = 0 будет одновременно выполняться для

всех фаз

;

и может быть обеспечена правильность включения.

Приборы для синхронизации (синхроноскопы), позволяющие про-

извести точную синхронизацию, могут быть различных типов. Их

описание дается в справочниках электрических измерительных при-

боров. Наиболее просто устроен ламповый синхроноскоп, состоящий

из трех ламп накаливания (см. рис. 58.2), включенных на напряжение

ΔE между замыкаемыми контактами выключателя K (А и A

, В и B

С и C

). Лампы накаливания должны быть рассчитаны на двойное

фазное напряжение сети (2U

) или включены через понижающий

трансформатор. При изменениях ΔE с периодом T

напряжение на

лампах колеблется в пределах от 0 до 2U

, и лампы то одновременно

загораются, то одновременно потухают.

Включение выключателя K

для точной синхронизации должно

быть произведено в мгновение потухания, когда свечение ламп наи-

менее ярко. Дополнительный контроль за напряжением ΔE ведется по

вольтметру ΔE (см. рис. 58.2). Ламповый синхроноскоп позволяет

контролировать и правильность чередования фаз. Если последова-

тельности чередования фаз генератора и системы не совпадают, то

лампы потухают не одновременно. Когда одна из них потухла, две

другие горят в полнакала.

ΔE

–

ΔE

–

+ 0==

ΔE

–

+ 0==

ΔE

–

+ 0==