Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины т 2

Подождите немного. Документ загружается.

180

в синхронном режиме, что не-

обходимо учитывать, особен-

но при малой мощности ма-

шины.

Режим работы при по-

лусинхронной скорости явля-

ется особым. При v = 0,5 об-

ратное поле B

, созданное то-

ками ротора и токами i

а1

, не-

подвижно в пространстве и не

наводит токов i

а2

в статоре,

т.е. с точки зрения потребляе-

мых токов при v = 0,5 машина

представляет собой симмет-

ричное устройство.

Взаимодействие волн МДС

и полей (F

и B

, F

и B

), вра-

щающихся с разными скоро-

стями, приводит к появлению

пульсирующего момента. В синхронном режиме, когда наведенные то-

ки ротора исчезают, а все волны МДС и полей статора будут взаимно

неподвижны, пульсирующий момент обращается в синхронный мо-

мент , который развивается [см. (58.17)] за счет явнопо-

люсности машины (этот момент называют синхронным реактивным).

Его происхождение можно объяснить как взаимодействие F

а1

с B

а2

с B

, которые при v = 1 взаимно неподвижны.

При отсутствии токов ротора, т.е. размыкании его контуров, мо-

мент асинхронного режима не исчезает:

(60.4)

и называется асинхронным реактивным. Он возникает вследствие

взаимодействия волн F

а1

и B

, F

а2

и B

, которые взаимно неподвиж-

ны при любой скорости ротора. Этот момент можно рассматривать

как обычный асинхронный момент, если токи статора I

а2

считать вто-

ричными.

Рассмотрим явления, вызываемые возбуждением ротора. Магнит-

ное поле, создаваемое постоянным током или постоянными магнита-

ми на роторе, при его вращении со скоростью Ω = vΩ

наводит в ста-

торе ЭДС и токи частоты v f

, которые создают вращающуюся волну

M ″ P

эм

″

/ Ω=

a.p

-------

Im I

–

–()/2

2mp

-----------

R /1 2v–()== =

0 0,5 1,0



I,M

Рис. 60.3. Токи якоря и моменты в асин-

хронном режиме работы машины с несим-

метричным ротором

181

МДС, неподвижную относительно ротора. Режим, вызванный полем

возбуждения, — это режим синхронного генератора. Он накладыва-

ется на режим, описанный выше и обусловленный напряжением сети.

Можно показать, что дополнительный ток частоты v f

, вызванный

постоянным возбуждением ротора, равен

,(60.5)

где E

— ЭДС, наведенная полем возбуждения в фазе статора при син-

хронной (v = 1) скорости вращения.

Тормозной момент генераторного режима, возникающего за счет

возбуждения ротора, можно определить

.(60.6)

Этот момент ухудшает пусковые свойства двигателей с постоян-

ными магнитами и должен учитываться при проектировании пуско-

вой клетки этих двигателей.

Кроме момента M

, имеющего постоянное направление, в асин-

хронном режиме возбужденной машины возникает сильный пульси-

рующий момент взаимодействия поля возбуждения и якоря от токов

а1

и i

а2

. Частота пульсаций этого момента равна sf

= (1 – v) f

. Он

может существенно повлиять на процесс втягивания машины в син-

хронизм, когда частота пульсаций момента при околосинхронной

скорости настолько мала, что он успевает оказать влияние на ско-

рость ротора.

60.2. Частотный пс синхронных двиателей

Для втягивания ротора синхронной машины в синхронизм требу-

ется, чтобы при включении в сеть разность s

угловых скоростей

ротора Ω = Ω

(1 – s

) и вращающегося поля Ω

= ω

/p была достаточ-

но мала. Как вытекает из (59.5), нужно, чтобы разностная угловая

скорость или скорость скольжения удовлетворяла неравенству

.(60.7)

При включении способом самосинхронизации достаточно малая

разность скоростей достигается за счет предварительного разгона ро-

тора с помощью постороннего двигателя до скорости, близкой к син-

–

R / v jX

–

/ v()

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

-------

R / v–=

Ω– s

------

0,6

-------

ном

f *

ном

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

≤==

182

хронной. Скорость поля и частота в сети в процессе синхронизации

не изменяются и сохраняются номинальными. При частотном пуске

тот же эффект обеспечивается другими средствами. Здесь в начале

процесса синхронизации ротор синхронной машины неподвижен

(Ω= 0, = 0). Посторонний двигатель для разгона не тре-

буется. Достаточно малая для втягивания в синхронизм разность ско-

ростей достигается за счет соответствующего снижения частоты сис-

темы f

с0

<< f

ном

, при котором удовлетворяется неравенство (60.7) при

неподвижном роторе

Для этого требуется, чтобы частота системы в относительных еди-

ницах была равна:

Пример 60.1. Для генератора, данные которого были сообщены

в предыдущем примере, найти частоту, при которой произойдет втя-

гивание в синхронизм при частотном пуске

тогда f

с0

= f

с0*

ном

= 0,0373æ50 = 1,86 Гц.

После втягивания ротора в синхронизм частота системы постепен-

но повышается до номинальной f

ном

; скорость ротора за счет син-

хронного момента также доводится до номинальной (при сохранении

синхронного движения на всех промежуточных скоростях). Частот-

ный пуск может применяться для крупных синхронных двигателей.

Его используют также для приведения во вращение роторов генерато-

ров во время испытаний.

Частотный пуск осуществляется от источника напряжения пере-

менной частоты f

, регулируемой в широких пределах (почти от 0

до f

ном

). Для поддержания составляющей тока якоря

Ω–

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

2πf

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

0,6

-------

ном

f *

ном

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

≤=

c0*

ном

----------

0,6ω

ном

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

ном

f *

ном

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

≤=

c0*

0,6æ 314

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

25æ 10

314æ 9æ 10

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

≤ 0,0373=

------

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

183

обусловленной напряжением U

такой же, как при номинальной

частоте, когда она равна:

требуется изменять напряжение

пропорционально частоте

Такое изменение частоты и на-

пряжения может быть получено

от синхронного генератора, если

он будет постепенно разгоняться первичным двигателем от неподвиж-

ного состояния до номинальной угловой скорости при сохранении его

тока возбуждения неизменным. Для этой цели может быть использован

также тиристорный преобразователь частоты достаточной мощности.

Схема частотного пуска с помощью ведущего синхронного генератора

показана на рис. 60.4. Пуск состоит из двух этапов:

1. Ведущий генератор Г

и пускаемая синхронная машина Г воз-

буждаются от независимого источника токами I

fс

и I

, поддерживае-

мыми во время пуска постоянными. Замыкаются контакты выключа-

теля, объединяющего обмотки якорей машин. С помощью первичною

двигателя генератор Г

приводится во вращение. При угловой скоро-

сти поля в генераторе Г Ω

с0

= 2πf

с0

/p, достаточной для образования

необходимого тока в обмотке якоря I

(с учетом влияния омических

сопротивлений якорей) и втягивания ротора генератора Г в синхро-

низм, ротор генератора Г трогается с места и начинает двигаться син-

хронно (при неравных числах пар полюсов ротор Г трогается с места

при скорости ротора Г

, равной Ω

с0

p /p

2. При увеличении угловой скорости ротора генератора Г

до но-

минальной Ω

с.ном

= ω

ном

и частоты f

до f

ном

= Ω

с.ном

/(2π) ро-

тор генератора Г, продолжая синхронное движение за счет электри-

ческой связи между роторами, достигает номинальной скорости

ном

= ω

ном

/p.

60.3. Асинхронный пс синхронных двиателей

Этот способ не требует дополнительного разгонного двигателя,

с помощью которого ротор синхронного двигателя разгоняется до уг-

ловой скорости, близкой к синхронной.

с.ном

ном

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

ном

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

ном

fс

)

Рис. 60.4. Схема частотного пуска:

Г — пускаемая синхронная машина;

— ведущий синхронный генератор

184

При асинхронном пуске синхронный двигатель разгоняется до

скорости, близкой к синхронной, за счет собственного асинхронного

момента М

, появляющегося при включении обмотки якоря двигате-

ля в сеть (см. рис. 59.1). После включения в сеть с напряжением U

и частотой f

токи в обмотке якоря образуют магнитное поле, вра-

щающееся со скоростью Ω

. При перемещении вращающегося поля

относительно ротора со скоростью Ω

– Ω = sΩ

в его обмотке возбу-

ждения, замкнутой на гасительное сопротивление R

, и в демпферной

обмотке, представляющей собой неравно-шаговую короткозамкну-

тую обмотку, индуктируются токи частоты sf

(здесь Ω — угловая

скорость ротора, s — скольжение).

В результате взаимодействия токов, индуктированных в коротко-

замкнутых контурах ротора, с вращающимся полем на ротор действу-

ет асинхронный электромагнитный момент М

той же природы, что и

в асинхронных машинах. часть асинхронного момента об-

разуется за счет токов, индуктированных в демпферной обмотке. По-

этому параметры демпферной обмотки (ее активные и индуктивные

сопротивления, зависящие от числа, размеров и материала стержней)

выбираются при проектировании исходя из пусковых условий таким

образом, чтобы обеспечивался достаточный асинхронный момент на

всех стадиях пуска. В связи с этим демпферную обмотку в синхрон-

ных двигателях, предназначенных для асинхронного пуска, называют

пусковой обмоткой.

На размеры демпферной обмотки синхронного двигателя оказы-

вает влияние внешний момент М

, который должен быть преодолен

при пуске. Во всех случаях размеры демпферной обмотки должны

быть таковы, чтобы ее температура к концу пуска не превосходила

250 °С. Для обеспечения достаточно высокого асинхронного момен-

та синхронные двигатели снабжаются продольно-поперечной демп-

ферной обмоткой, все стержни которой присоединены к короткоза-

мыкающим кольцам, расположенным на торцевых сторонах полю-

сов (см. рис. 51.9). Конструктивно кольца образуются из проводя-

щих сегментов, объединяющих стержни одного полюса, и гибких

перемычек, связывающих сегменты соседних полюсов.

Зависимость асинхронного момента от скольжения получается

примерно такой же, как в асинхронной машине с одной короткозамк-

нутой обмоткой на роторе (§ 43.3).

Теория асинхронной машины может быть распространена на

асинхронные режимы синхронной машины после замены двух корот-

козамкнутых обмоток на ее роторе (ОВ и OD) на одну короткозамкну-

тую обмотку с эквивалентными параметрами R′

и X′

(подробнее

Большая

′

185

см. § 73.3). Тогда асинхронный момент в синхронной машине может

быть приближенно рассчитан без учета одноосного эффекта по § 43.3

.(60.8)

Применительно к асинхронному режиму синхронной машины ис-

пользованные здесь обозначения имеют следующий смысл: m

= m —

число фаз обмотки якоря; U

= U

— напряжение системы; Ω

= Ω

—

угловая скорость поля; R

— активное сопротивление фазы якоря;

— эквивалентное активное сопротивление роторных контуров

(демпферной обмотки и обмотки возбуждения), приведенное к об-

мотке якоря; — индуктивное сопротивление обмотки

якоря при s = 1, в котором X

= X

— индуктивное сопротивление рас-

сеяния обмотки якоря; — эквивалентное индуктивное сопротив-

ление рассеяния роторных контуров (ОВ и OD), приведенное к обмот-

ке якоря.

Примерный вид зависимости асинхронного момента синхронного

двигателя от скольжения М

= f (s) показан на рис. 60.5. При трогании

с места, когда скольжение s = 1, на ротор действует начальный пуско-

вой момент М

; при скольжении s

max

появляется максимальный мо-

мент M

аmax

′

sΩ

′

------+

⎝⎠

⎛⎞

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

R′

′

max

amax

s = 0,05



0 0,05 0,5 1,0

Рис. 60.5. Вращающие моменты при асинхронном пуске

186

В технических данных двигателя указывается, кроме того, значе-

ние входного момента M

0,05

, который условились определять при

скольжении s = 0,05. Асинхронный момент пропорционален квадрату

напряжения сети . Поэтому необходимо оговаривать, при

каком напряжении определены его характерные значения: M

, M

аmax

0,05

. Обычно характерные асинхронные моменты выражаются в до-

лях номинального момента двигателя в синхронном режиме:

/ M

ном

; M

аmax

/ M

ном

; М

0,05

/ M

ном

где

В образовании асинхронного момента кроме демпферной обмотки

принимает участие и обмотка возбуждения, представляющая собой

однофазную обмотку. Индуктированные в ней токи создают пульси-

рующее поле, направленное по продольной оси, а не вращающееся

поле, которое образуют токи в многофазной демпферной обмотке.

Вследствие этого в кривой асинхронного момента появляется «про-

вал» в области скольжения s = 0,5, который может ухудшить пуск дви-

гателя. Благоприятное влияние на характеристику асинхронного мо-

мента оказывает включение в сеть обмотки возбуждения дополни-

тельного сопротивления в виде гасительного сопротивления R

(ха-

рактеристика при R

≈ 5R

≠ 0 на рис. 59.5 существенно лучше, чем

при R

= 0; см. § 46.2).

Следует заметить, что обмотка возбуждения при пуске должна

быть обязательно замкнута на возбудитель или на гасительный ре-

зистор, так как на разомкнутой обмотке возбуждения появляются

значительные напряжения, которые могут повредить изоляцию об-

мотки и вывести машину из строя. В начале пуска, когда s ≈ 1 и ско-

рость вращения поля относительно ротора велика (sΩ

= Ω

), на ра-

зомкнутой обмотке возбуждения индуктируется напряжение

= [w

/(qu

)] U

где U

— фазное напряжение обмотки якоря; w

— число витков ОВ

на один полюс; q и u

— число пазов якоря на полюс и фазу и число

проводов в пазу.

Индуктированное напряжение на ОВ может превышать в 3—5 раз

и составлять 20—50 кВ, превышая номинальное напряжение, на

ном

cos

ном

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

187

которое рассчитана изоляция обмотки, примерно в 100 раз! При замы-

кании OB накоротко индуктированное напряжение становится равным

нулю, при замыкании на R

≈ 5R

оно также почти полностью исчезает

и во всяком случае не превышает номинальное напряжение OB.

Асинхронный пуск синхронного двигателя происходит так же, как

пуск асинхронного двигателя, рассмотренный в ч. 4. Момент сопро-

тивления на валу двигателя М

должен быть в процессе пуска мень-

ше, чем действующий на ротор асинхронный момент М

. При этом,

как видно из уравнения движения, разгон будет происходить с уско-

рением

где J — момент инерции вращающихся частей, и угловая скорость мо-

жет быть доведена до значения Ω

= Ω

(1 – s

), соответствующего ра-

венству . Если входной момент двигателя достаточно велик

и скольжение s

при удовлетворяет (59.5), то после включе-

ния АГП и появления тока в обмотке возбуждения двигатель втянется

в синхронизм [при пуске под нагрузкой, когда М

≠ 0, требуется иметь

несколько меньшее скольжение s

, чем по (59.5)]. Если момент сопро-

тивления велик, пуск производят при номинальном напряжении U

= U

ном

. Начальный пусковой ток (т.е. установившийся ток в якоре при

s = 1) при этих условиях довольно значителен I

ном

≈ 3—5, где I

ном

= S

ном

/(3U

) — номинальный ток в синхронном режиме.

Соответственно значительны токи в пусковой обмотке. В тех слу-

чаях, когда условия пуска тяжелы, температура пусковой обмотки мо-

жет превзойти допустимый предел (250 °С). Снижение этой темпера-

туры достигается пуском при пониженном напряжении U

< U

ном

. На-

пряжение U

уменьшается с помощью реактора или автотрансформа-

тора. Однако при этом существенно уменьшается асинхронный мо-

мент, пропорциональный квадрату напряжения , и пуск двигателя

затягивается.

Асинхронный пуск двигателя при номинальном напряжении про-

изводится по схеме рис. 59.1. Он может быть разбит на несколько

этапов.

1. Перед включением якоря в сеть ОВ отключается от возбудите-

ля (K

разомкнут) и замыкается на гасительное сопротивление R

замкнут). Делается это путем выключения АГП (автомата гаше-

ния поля), объединяющего контакты K

и K

dΩ

--------

–

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

188

2. Обмотка якоря через контакт K присоединяется к сети с напря-

жением U

(контакты K замыкаются). Под воздействием асинхронно-

го момента ротор разгоняется до скольжения s

. В зависимости от

мощности и угловой скорости двигателя этот процесс занимает

несколько секунд или несколько минут (последнее в крупных двига-

телях). При угловой скорости Ω

= Ω

(1 – s

) возбудитель самовозбу-

ждается и на его выводах появляется напряжение U

(перед началом

пуска регулировочный реостат PP устанавливается в такое положе-

ние, чтобы напряжение U

было достаточным для получения необхо-

димого тока возбуждения I

= U

3. При угловой скорости Ω

включается АГП и обмотка возбужде-

ния присоединяется к возбудителю В на напряжение U

. При этом

сначала замыкается K

а потом размыкается K

, чтобы на мгновение

ОВ не осталась разомкнутой и не вышла из строя. В процессе нарас-

тания тока возбуждения, так же как в способе самосинхронизации,

ротор двигателя втягивается в синхронизм (если s

достаточно мало).

Этому способствует асинхронный момент.

4. Если пуск производится под нагрузкой, то заранее U

подбира-

ется таким образом, чтобы установился синхронный режим с требуе-

мым cosϕ. При пуске без нагрузки, т.е. при М

≈ 0, после втягивания

в синхронизм двигатель нагружается требуемым моментом М

и ус-

танавливается ток возбуждения, при котором генерируется необходи-

мая реактивная мощность.

60.4. Работа синхронной машины в асинхронном режиме.

Процесс ресинхронизации

Демпферную обмотку на роторе имеют почти все синхронные ма-

шины (в особенности крупные). Возможные исполнения демпферной

обмотки рассматриваются в § 51.3. В явнополюсных машинах с мас-

сивными стальными полюсами демпферный эффект создается вихре-

выми токами в наконечниках полюсов. В синхронных двигателях

(и синхронных компенсаторах) установлены демпферные обмотки,

предназначенные для их асинхронного пуска. После завершения пус-

ка и втягивания в синхронизм токи в этой обмотке в установившемся

режиме отсутствуют.

Однако при любых переходных процессах, связанных с изменени-

ем напряжения, тока возбуждения или внешнего момента, изменяется

потокосцепление с демпферной обмоткой и в ней появляются индук-

тированные токи, которые способствуют более благоприятному про-

теканию переходных процессов. Поэтому демпферная обмотка име-

189

ется не только в двигателях, но и во всех крупных генераторах. Это

придает синхронным машинам ряд ценных свойств, из числа которых

важнейшим является способность работать не только в синхронном,

но и в асинхронном режиме в случае выпадения из синхронизма. Су-

щественно также и то, что асинхронный момент возникает и при

кратковременных отклонениях угловой скорости ротора от синхрон-

ной, например, при переходе к новому режиму, сопровождающемуся

изменением угла θ

. При этом появление асинхронного момента спо-

собствует более плавному переходу к новому режиму (см. § 61.1), в

котором снова восстанавливается синхронное движение ротора.

Причиной выпадения из синхронизма может явиться снижение на-

пряжения в сети, уменьшение тока возбуждения или резкое увеличе-

ние внешнего момента. Выпадение из синхронизма произойдет в том

случае, если внешний момент превзойдет максимальный синхрон-

ный момент M

сmax

. После выпадения из синхронизма угловая ско-

рость ротора под действием внешнего момента становится больше

синхронной, если машина работала до этого генератором, или мень-

ше синхронной, если она работала двигателем.

По мере отклонения скорости ротора от скорости поля скольжение

возрастает, постепенно увеличивается асинхронный электромагнит-

ный момент и при некотором скольжении s внешний момент может

быть уравновешен асинхронным электромагнитным моментом.

Возможность работы синхронной машины после выпадения из

синхронизма в асинхронном режиме определяется характеристикой

асинхронного момента машины, которая может быть приближенно

рассчитана по (60.8). Максимальный момент в асинхронном режиме

аmax

в относительных единицах (см. § 43.3)

где M

= S

ном

/Ω

—единичный момент в синхронном режиме; X

к*

≈

≈ = 0,15—0,3 — индуктивное сопротивление корот-

кого замыкания при s = 1.

Максимальный асинхронный момент в 2—3,5 раза превышает

внешний момент в номинальном синхронном режиме

Поэтому даже при снижении напряжения в сети (U

с*

< 1) во мно-

гих случаях M

аmax*

> M

в*

, и после выпадения из синхронизма устанав-

аmax*

аmax

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

к*

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

1,5—3≈≈=

X ″

+()/2

в*

-------

ном*

ном

cos≈ 0,8—0,9== =