Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

§ 36-3. Самовозбуждение синхронной машины

В цепях обмотки якоря синхронных машин часто содержатся емкости

(емкость между проводами длинных линий передачи и между ними и землей;

емкости так называемой продольной компенсации индуктивного сопротивле-

ния линий передачи, включаемые последовательно в фазы линии передачи

сверхвысокого напряжения — 500 кв и выше; батареи конденсаторов для

улучшения коэффициента мощности сети и др.). В таких случаях возможно

самовозбуждение синхронных машин, когда вращающаяся машина развивает

напряжение и нагружается током при отсутствии тока возбуждения.

Магнитное поле в синхронной машине

отдаваемым машиной в сеть, или, что то же

мым машиной из сети. При самовозбужде

вращаться синхронно с магнитным полем

статора (синхронное самовозбуждение) или

асинхронно с ним (асинхронное самовоз-

буждение). Для выяснения условий само-

возбуждения рассмотрим работу одиноч-

ного генератора на емкость (рис. 36-8, а).

Синхронное самовозбуждение. При на-

личии остаточного магнитного потока при

вращении ротора в обмотке якоря индук-

тируется некоторая э. д. с. Е. SKra э. д. с.

при работе по схеме рис. 36-8 вызывает

в цепи якоря емкостный ток /, который

создает намагничивающую реакцию якоря.

В результате магнитный поток, индукти-

руемая в якоре э. д. с. и ток I увеличи-

ваются и т. д. (рис. 36-9, о и б). Этот процесс

самовозбуждения аналогичен самовозбуж-

дению генератора постоянного тока с той

лишь разницей, что в данном случае поток

машины создается самим током якоря.

На рис. 36-8, б изображена зависи-

мость напряжения генератора от емкост-

ного тока якоря /. Если положить

= 0, то

= x

I. (36-16)

при этом создается емкостным током /,

самое, индуктивным током, потребляе-

нии ротор синхронной машины может

Рис. 36-8. Схема работы синхрон-

ного генератора на емкостную на-

грузку (о) и его характеристики при

синхронном самовозбуждении (б)

Зависимость £/

= f (!) практически идентична с характеристикой холостого

хода U

= f (if), если ток возбуждения if привести к обмотке якоря. Вследствие

насыщения величина x

вдоль кривой и

= f (/) изменяется.

С другой стороны, напряжение на конденсаторах

с =

{

= ^Г (36-17)

и зависимость U

= f (/) прямолинейна (рис. 36-8, б).

Если U

> U

или х

> х

(рис. 36-8, б), то самовозбуждение возможно

и при наличии остаточного магнитного потока возникает в действительности.

В точке А на рис. 36-8, б U

= U

и поэтому увеличение / прекращается и

процесс самовозбуждения заканчивается.

Самовозбуждение представляет собой нежелательное явление, так как оно

неуправляемо и напряжения и токи при этом могут достичь опасных значений.

742 Синхронные машины [Paad.V

Очевидно, что самовозбуждение невозможно, когда х

аоз

< х

, так как при этом

кривая U

на рис. 36-8, б пойдет выше кривой t/

Рис 36-9. Характер изменения напря-

жения синхронного генератора при

самовозбуждении

0,2 0,4 0,6

Рис 36-10 Зоны само-

возбуждения синхрон-

ной Машины

Реактивная мощность в режиме самовозбуждения

trdJl

Q=mU

[

l = -

Величина

ха

ОЗ. Г

тЩ

Хдао

(36-18)

называется зарядной мощность ю-генератор а. Самовозбужде-

ние невозможно, если эта мощность будет больше зарядной мощности присоеди-

ненной к генератору линии передачи

mUl

.1 = —±=ти1<йС. (36-19)

*с

Для характеристики реальных соотношений укажем, что включение под

напряжение разомкнутой на приемном конце линии передачи Волжская ГЭС

им. В. И. Ленина — Москва путем приключения ее к одному генератору ГЭС

недопустимо, так как генератор при этом самовозбуждается, а при двух парал-

лельно включенных генераторах их эквивалентное хд в два раза меньше и само-

возбуждения не происходит.

В реальных условиях сопротивление цепи якоря

Ф 0 и поэтому генера-

тор должен при самовозбуждении развивать также активную мощность. Неяв-

нополюсный генератор при

Ф 0 и if = 0 в синхронном режиме не может

развивать активной мощности и поэтому его синхронное самовозбуждение невоз-

можно. Такое возбуждение возможно только у явнополюсного генератора, у ко-

торого необходимая мощность развивается за счет реактивного момента. При

этом не имеет значения, будет ли обмотка возбуждения замкнута или разомкнута

(рис. 36-9 а и б).

Физически ясно, что при слишком большом г синхронное самовозбуждение

также невозможно, так как при этом активная мощность окажется большей,

чем может развить явнополюсная

машина в устойчивом синхронном

режиме работы без возбуждения.

На рис. 36-10 зона / предста-

вляет собой соотношения между

и г, при которых самовозбужде-

ние происходит. Из этого рисунка

видно, что синхронное самовоз-

буждение происходит в области

Хд.

Асинхронное самовозбуждение

синхронной машины того же вида,

как и в асинхронных машинах

(см. § 29-2), происходит в случае, когда емкость настолько велика,

что х

х'

(зона III на рис. 36-10). Этот вид самовозбуждения возможен

только при наличии на роторе замкнутых обмоток или контуров тока, в которых

при асинхронном вращении ротора относительно поля якоря индуктируются

токи. Если при этом ротор в электрическом отношении симметричен (х"

~x"

то амплитуда тока якоря в установившемся режиме бу :т постоянной (рис. 36-9, в),

а при x"

ф х^ или ф x

(явнополюсная машина ( з успокоительной обмотки)

ток якоря пульсирует (рнс. 36-9, г).

В области x

> х

> x'

(зона II на рис. 36 0) самовозбуждение носит

промежуточный характер, когда относительная скорость ротора и поля якоря

резко неравномерна и ротор периодически «проскальзывает» относительно поля

якоря на величину полюсного деления. В результате медленные изменения угла

нагрузки 6 чередуются с быстрыми (рис. 36-11). Ток якоря при этом также пуль-

сирует (рис. 36-9, г), и самовозбуждение происходит только при замкнутой об-

мотке возбуждения. Такой вид самовозбуждения называют также репуль-

сионно-синхронным.

<•

0 2 4- В 8 10 12 сек

Рис. 36-11. Характер изменения угла в

во времени в процессе репульсионио-

синхронного самовозбуждения

Глава тридцать седьмая

СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ И КОМПЕНСАТОРЫ

§ 37-1. Синхронные двигатели

Применение синхронных двигателей. Основные вопросы, отно-

сящиеся к двигательному режиму работы синхронной машины, уже

освещались в предыдущих главах учебника. Ниже дополнительно

рассматриваются некоторые общие вопросы, относящиеся к син-

хронным двигателям.

Синхронные двигатели имеют по сравнению с асинхронными

большое преимущество, заключающееся в том, что благодаря воз-

буждению постоянным током они могут работать с cos ср = 1

и не потребляют при этом реактивной мощности из сети, а при

работе с перевозбуждением даже отдают реактивную мощность

в сеть. В результате улучшается коэффициент мощности сети

и уменьшаются падение напряжения и потери в ней, а также повы-

шается коэффициент мощности генераторов, работающих на элект-

ростанциях.

Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален

U, а у асинхронного двигателя U

Поэтому при понижении напряжения синхронный двига-

тель сохраняет большую нагрузочную способность. Кроме того,

использование возможности увеличения тока возбуждения син-

хронных двигателей позволяет увеличивать их надежность работы

при аварийных понижениях напряжения в сети и улучшать в этих

случаях условия работы энергосистемы в целом. Вследствие

большей величины воздушного зазора добавочные потери в стали

и в клетке ротора синхронных двигателей меньше, чем у асин-

хронных, благодаря чему к. п. д. синхронных двигателей обычно

выше.

С другой стороны, конструкция синхронных двигателей слож-

нее, чем короткозамкнутых асинхронных двигателей, и, кроме

того, синхронные двигатели должны иметь возбудитель или иное

устройство для питания обмотки возбуждения постоянным током.

Вследствие этого синхронные двигатели в большинстве случаев

дороже асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Пуск и регулирование скорости вращения синхронных двигателей

также сложнее.

Тем не менее, преимущество синхронных двигателей настолько

велико, что при Р

> 200 ч- 300 квт их целесообразно применять

всюду, где не требуется частых пусков и остановок и регулирования

скорости вращения (двигатель-генераторы, мощные насосы, венти-

ляторы, компрессоры, мельницы, дробилки и пр.). Согласно иссле-

дованиям Л. В. Литвака и И. А. Сыромятникова, синхронные

двигатели с cos ф

= 1 по своей стоимости и потерям энергии всегда

имеют преимущество перед асинхронными двигателями, снабжен-

ными конденсаторными батареями для компенсации коэффициента

мощности до cos ф = 1. При Р

> 300 квт выгодно использовать

синхронные двигатели с cos ф

= 0,9 (перевозбуждение) и при

> 1000 квт — с cos ф„ = 0,8,

Применение синхронных двигателей беспрерывно расширяется,

и они строятся на мощности до Р

= 50

ООО

кет.

В табл. 37-1 приведены данные некоторых синхронных двигате-

лей отечественного производства.

Таблица 37-1

Данные синхронных двигателей

Тип

кет

в об/мин

Чн

cos ф

'п

'н

Вес,

МС321

640 3000 1000 0,936

0,8

4,6

1,2

0,9

2,1

5,2

МС322-16/6 2700 6000 1000

0,964 0,8 6,1 1,2

1,4

2,3

13,0

МС321-6/10

370 3000 600

0,923 0,8 4,8

1,7

0,85

2,2

5,4

МС324-20/10

6550

6000 600

0,968 0,8 5,5 1,2

1,1

2,3 38,4

МС322-4-20

175 3000

300 0,875 0,8

4,3 1,6

0,65

2,7

5,1

МС324-12/20

1970

6000 300 0,944

0,8

4,5 1,0 0,90 2,3

27,0

МС324-4/36

310 3000

167 0,880

0,8

2,4 0,85 0,35 2,2 9,8

СТМ-6000-2

6000

3000 0,967

0,9 8,3

2,4

0,84 2,4 18,8

Способы пуска синхронных двигателей.

В подавляющем большинстве случаев применяется асинхрон-

ный пуск синхронных двигателей (см. § 36-1 и 36-2).

Обычно синхронные двигатели имеют на своем валу возбудитель

в виде генератора постоянного тока параллельного возбуждения

(рис. 37-1). При пуске по схеме рис. 37-1, а контакты 7 разомкнуты,

а контакт 8 замкнут. При этом обмотка возбуждения двигателя 2

замкнута через сопротивление 6 и асинхронный пуск происходит

в наиболее благоприятных условиях. В конце асинхронного пуска,

при s да 0,05, срабатывает частотное реле, обмотка которого (на

рис. 37-1, а не показана) подключена к сопротивлению 6, и включает

контактор цепи возбуждения. Контакты 7 контактора при этом

замыкаются, а контакт 8 размыкается. В результате в обмотку 2

подается ток возбуждения и двигатель втягивается в синхронизм.

Втягивание синхронного двигателя в синхронизм всегда обеспе-

чено, если при асинхронном пуске скольжение в установившемся

асинхронном режиме без возбуждения не превышает величины

SycT

= 0,04|/^.|i, (37-1)

где k

— кратность максимального момента в синхронном режиме

при номинальном токе возбуждения i

fli

\ Р

— номинальная мощ-

ность, кет ;ij

— ток возбуждения при синхронизации; GD

— махо-

вой момент двигателя и соединенного с ним механизма, кг -м

— номинальная скорость вращения двигателя, об/мин.

Пуск по схеме рис. 37-1, а отличается определенной сложностью.

Поэтому в последнее время все чаще применяется схема рис. 37-1, б

с наглухо присоединенным возбудителем. При этом по цепи якоря 3

при пуске протекает переменный ток, который, однако, не причиняет

вреда. При п = (0,6 -5- 0,7) «„ возбудитель возбуждается и возбуж-

дает синхронный двигатель, благодаря чему при приближении

к синхронной скорости двигатель втягивается в синхронизм.

Пуск по схеме рис. 37-1, б происходит в менее благоприятных

условиях. Во-первых, двигатель возбуждается слишком рано

и при этом возникает допол-

нительный тормозящий мо-

мент на валу М

(см. §36-2).

Во-вторых, в данном случае

по сравнению со схемой рис.

37-1, а кривая асинхронного

момента имеет менее благо-

приятный вид (см. рис. 36-5).

Тем не менее, схема рис. 37-1, б

обеспечивает надежное втяги-

вание двигателя в синхро-

низм, если момент нагрузки

на валу М„ при п х п

не

превышает (0,4 + 0,5) Л1

Путем совершенствования пу-

сковой обмотки двигателя

можно достичь надежного втя-

гивания в синхронизм при

М„ = М

. Пуск по схеме

рис. 37-1, б по своей простоте

приближается к пуску ко-

роткозамкнутого асинхронного двигателя и поэтому находит в по-

следние годы все более широкое применение.

Обычно производится прямой асинхронный пуск синхронных

двигателей путем включения на полное напряжение сети. При тяже-

лых условиях пуска (большие падения напряжения в сети и

опасность перегрева пусковой обмотки или массивного ротора)

производится реакторный или автотрансформаторный пуск при по-

ниженном напряжении, как и у короткозамкнутых асинхронных

двигателей (см. § 28-1).

На рис. 37-2 показаны кривые изменения токов обмоток якоря I

и возбуждения i

, а также напряжения U и скорости вращения п

при прямом асинхронном пуске мощного двигателя (Р

= 1500 квт,

= 6,0 кв, п

= 1000 об!мин) с наглухо приключенным возбуди-

телем на холостом ходу. При п = 500 об/мин в кривой и заметен

небольшой провал, обусловленный одноосным эффектом. ДвигатеЛь

Рис. 37-1 Схемы цепи возбуждения син-

хронного двигателя с машинными возбу-

дителями при пуска-с разрядным сопро-

тивлением (а) и с наглухо приключенным

возбудителем (б)

/ — якорь двигателя, 2 — обмотка возбужде-

ния двигателя, 3 — якорь возбудителя, 4 — об

мотка возбуждения возбудителя, 5 — реостат

воабуждеиня возбудителя, 6 — разрядное со-

противление, 7 и В — контакты контактора

илн автомата гашения поля

втянулся в синхронизм через 11 сек под воздействием реактивного

момента. Процесс, связанный с включением постоянного тока воз-

буждения, иа рис. 37-2 не представлен.

Кроме асинхронного пуска, в отдельных случаях возможны

также некоторые другие способы пуска. Например, иногда можно

привести синхронный двигатель во вращение на холостом ходу

1000

900

'800

700

600

500

400

200

100

. 3,0

У и

260Г 2,6

2,4

2,2

2,0

н*

<А

1,0

240

°Ы1

180

[160

140

•120

•100

•80

•60

•40

•20

•0J6

0,4

иг

и .J

Ъ'1

•

и .J

Ъ'1 Н

Фн

1 V

| Ч

Фп

1 Ч

(

2 4

8 10 сек

Рис. 37-2. Кривые, характеризующие процесс пря-

мого асинхронного пуска синхронного двигателя

с Я„ = 1500 квт с наглухо приключенным возбу-

дителем

с помощью соединенной с ним машины (например, в агрегатах

«синхронный двигатель — генератор постоянного тока»). При этом

можно применить те же способы синхронизации с сетью, как и для

синхронных генераторов (см. §35-1). В некоторых случаях возможен

частотный пуск, когда двигатель питается от отдельного синхрон-

ного генератора и частота последнего плавно поднимается от нуля.

При этом синхронный двигатель приходит в синхронное вращение

уже при весьма малой скорости. Обмотки возбуждения генератора

и двигателя в этом случае необходимо питать от посторонних источ-

ников. Частотный пуск йроисходит наиболее благоприятно при

условии, когда ток возбуждения генератора в начале пуска при-

мерно равен номинальному, а ток возбуждения двигателя равен

по характеристике холостого хода току возбуждения при £/«£/„

и п = п

В последние годы внедряются системы возбуждения синхронных

двигателей с питанием обмотки возбуждения от сети переменного

тока через полупроводниковые выпрямители.

Векторные диаграммы синхронных двигателей можно изобра-

жать двояким образом (рис. 37-3). На диаграмме рис. 37-3, а ток /„

как и у генератора, рассматривается как отдаваемый в сеть. Проек-

ция этого тока на направление U отрицательна, что свидетельствует

бужденного явнополюсного синхронного двигателя

0 том, что активная составляющая тока в действительности потреб-

ляется из сети.

Если на диаграмме рис. 37-3, а вектор тока повернуть на 180°

и изменить знак у вектора Е, так как положительные направления

1 и Е должны изменяться одновременно, то получим диаграмму

рис. 37-3, б, на которой ток / надо рассматривать как потребляемый

из сети. Проекция / на направление U положительна, что указывает

на потребление активного тока из сети.

Из рис. 37-3, а следует, что отдаваемая в сеть активная мощность

P~mUI cosqxO,

а в соответствии с рис 37-3, б потребляемая из сети активная мощ-

ность

Р = тШ cos

> 0.

Диаграммы рис. 37-3 соответствуют перевозбужденному двига-

телю, и такой двигатель, согласно рис. 37-3, а, отдает в сеть

отстающий ток, а согласно

опережающий ток. Очевидно,

По рис. 37-3, а, э. д. с. £

равна U плюс падения на-

пряжения в двигателе:

рис. 37-3, б, потребляет из сети

что обе трактовки равноценны.

•Ar-Ii

Е = 0 Л-rj + jx

iq + jx

(37-2)

по рис. 37-3, б, э. д. с. £ с об-

ратным знаком равна напря-

жению сети О минус падения

напряжения в двигателе:

—E=ti—rJ—jx

—jx

(37-3)

Рис. 37-4. Рабочие характеристики явно-

полюсного синхронного двигателя с Р

= 560 кет, U

= 6000 в, f = 50 гц,

= 600 об!мин, cos (р

= 0,9 (перевоз-

буждение)

Если рассматривается

только двигательный режим

синхронной машины, то более

удобно пользоваться диаграм-

мой рис. 37-3, б.

Рабочие характеристики синхронного

= 560 кет при U = U

, f = и i

в относительных единицах на рис. 37-4. Двигатель работает с пере-

возбуждением, его cos ф с уменьшением полезной мощности Р

также уменьшается, а отдаваемая в сеть реактивная мощность Q

увеличивается. Отсюда следует, что перевозбужденные недогружен-

ные синхронные двигатели в отличие от асинхронных способствуют

улучшению коэффициента мощности сети.

двигателя мощностью

= const изображены

§ 37-2. Синхронные компенсаторы

Как уже указывалось в § 35-2, синхронные компенсаторы

предназначаются для компенсации коэффициента мощности сети

и поддержания нормального уровня напряжения сети в районах

сосредоточения потребительских нагрузок. Нормальным является

перевозбужденный режим работы синхронного компенсатора,

когда он отдает в сеть реактивную мощность (рис. 35-5, а).

В 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 ком-

пенсаторов также в недовозбужденном режиме, когда они потребляют

из сети индуктивный ток и реактивную мощность (см. рис. 35-5, б),

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 снаб-

жается автоматическим регулятором возбуждения или напряжения,

который регулирует величину его тока возбуждения так, что напря-

жение на зажимах компенсатора остается постоянным.

Синхронные компенсаторы лишены приводных двигателей и

с точки зрения режима своей работы в сущности являются синхрон-

ными двигателями, работающими на холостом ходу. Поэтому

в отличие от случая, которому соответствуют векторные диаграммы

рис. 35-5, а и б, синхронные компенсаторы загружены также неболь-

шим активным током и потребляют из сети активную мощность для

покрытия своих потерь. Компенсаторы строятся на мощность до

= 100

ООО

кв-а п имеют явнополюсную конструкцию, обычно

с 2р = 6 или 8. Мощные компенсаторы имеют водородное охлаждение.

Для осуществления асинхронного пуска все синхронные компен-

саторы снабжаютея пусковыми обмотками в полюсных наконечни-

ках 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, укреп-

ляемых с ними на одном валу. Для синхронизации с сетью при этом

обычно используется метод самосинхронизации.

Так как синхронные компенсаторы не развивают активной мощ-

ности, то вопрос о статической устойчивости работы (см. § 35-3

и 35-4) для них теряет остроту. Поэтому они изготовляются с мень-

шим воздушным зазором, чем генераторы и двигатели, и соответст-

венно этому величины х

и x

у них больше (см. табл. 32-1). Умень-

шение зазора позволяет облегчить обмотку возбуждения и удеше-

вить машину.

Номинальная полная мощность синхронного компенсатора

соответствует его работе с перевозбуждением. Наибольшие значения

тока и мощности в недовозбужденном режиме получаются при

работе в реактивном режиме с i

= 0 и Е = 0. Если пренебречь

потерями, то, согласно выражению (35-2), при этом

5„ = mUJ,

(37-4)