Работа синхронного двигателя

Синхронные машины.

Синхронные машины получили очень широкое применение. Все электрические генераторы переменного тока установленные на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях являются синхронными машинами.

Синхронные машины применяются как двигатели в приводах большой мощности. Они приводят в движение устройства, где требуются строгое постоянство скорости.

Синхронная машина имеет ротор, чаще всего вращающийся электромагнит, возбуждаемый постоянным током. Постоянный ток поступает от выпрямителя или специального генератора возбудителя. Статор или статорная обмотка практически одинаковы у синхронных и асинхронных машин.

Наличие в электрической цепи ротора постороннего источника принципиально отличает синхронную машину от асинхронной.

Синхронная машина имеет явнополюсный или неявнополюсный ротор.

 

S

S

N

N

 

Принципиальные особенности работы асинхронных машин можно выяснить, используя рассмотренную теорию асинхронной машины.

Рассмотрим случай, когда раскрученная до синхронной скорости обмотка ротора различается.

Под действием постоянного тока в двух последовательно соединенных фазах обмотки появится магнитный поток и на поверхности ротора появятся соответствующие полюсы.

При отсутствии момента сопротивления на валу оси полюсов статора и ротора совпадут, и вал будет вращаться со скоростью вращения внешнего магнитного поля.

 

N

N

S

N

N0

S0

N

Ω

MC=0

M=0

Ω

Ω

MC

M

θ

θ

M

MT

S0

S0

N0

N0

S

N

N

θ=0

двигатель

генератор

M=МС

M=МТ

Когда к валу приложим внешний момент сопротивления М_С полюсы ротора смещаются относительно полюсов статора и силы их взаимодействия образуют вращающий электромагнитный момент М. Угол θ увеличивается до такой величины, при которой вращающий момент становится равным моменту сопротивления. Увеличение момента сопротивления вызывает дополнительный рост угла θ и электромагнитного момента, но скорость вращения ротора остается синхронной.

Синхронная машина может работать в генераторном режиме. Если приложить к валу двигателя внешний вращающий момент, то полюсы ротора сместятся относительно полюсов статора в противоположную сторону. При этом ******** является синхронным генератором.

 

Работа синхронного двигателя

Под нагрузкой.

При рассмотрении рабочего процесса двигателя примем ряд идеализирующих двигатель упрощений:

1. Пренебрегаем потерями электрической энергии в меди обмоток и стали магнитопровода машины.

2. Пренебрегаем моментом сил трения вращающих частей.

3. Потоки рассеяния отсутствуют.

При этих догируемых КПД = 1. Электрическая мощность полностью преобразуется в механическую:

.

Магнитное поле синхронной машины складывается из двух полей: вращающегося поля трехфазной обмотки статора и поля постоянного тока возбуждения ротора. Эти поля взаимно неподвижны, так как ротор вращается с той же скоростью, что и поле статора.

Вследствие изменения потокосцепления в каждой фазе статорной обмотки индуктируются э.д.с.

Поле статора индуктирует э.д.с.:

,

после ротора:

.

Фазное напряжение статора уравновешивается только этими двумя э.д.с.

 

.

Э.д.с. индуцируется внешним полем ротора и в режиме двигателя её положительное направление противоположно направлению тока.

Сумму э.д.с. и можно заменить результирующей э.д.с.

,

Можно считать, что наводится результирующим полем машины:

.

Тогда результирующее потокосцепление статорной обмотки можно определить

; .

Диаграмма построена для одной из фаз статорной обмотки и соответствует моменту, когда ток имеет амплитудное значение. В этот момент потокосцепление фазы А с вращающимся полем максимально, а вектор

Полученным уравнением соответствует векторная диаграмма. Будем считать, что ток статора опережает по фазе напряжение сети на угол .

 

 

совпадает по фазе с вектором .

Из диаграммы видно, что ток носит емкостный характер. Это происходит в случае если .

Рассмотрим векторную диаграмму для случая, когда . Будем считать, что пространственный угол остался прежним.

Уменьшение приведет к тому, что характер тока цепи статора с емкостного меняется на индуктивный. Величину можно регулировать, изменяя ток возбуждения цепи ротора. Следовательно изменением тока возбуждения ротора можно регулировать коэффициент мощности двигателя.

 

Синхронного двигателя.

.

Э.д.с. потока статора целесообразно заменить паданием напряжения на индуктивным сопротивлении , где - синхронное сопротивление машины, представляющее индуктивное сопротивление фазы статора.

Сравнению соответствует эквивалентная схема замещения.

 

 

 

 

Синхронного двигателя.

И образные характеристики.

Синхронный двигатель принципиально может работать с опережающим или отстающим . Возможна также работа при .

При питании двигателя от сети большой мощности напряжение на его зажимах будет всегда неизменным. Следовательно, результирующая э.д.с. и результирующее потокосцепление статорной обмотки должен оставаться постоянными при любом режиме работы машины.

Регулирование тока возбуждения, т.е. поля ротора, сопровождается таким изменением поля статора, при котором сохраняется постоянным результирующее поле машины.

Рассмотрим случай, когда двигатель работает в режиме холостого хода . Ток возбуждения имеет такую величину, что , последнее равенство обеспечивается, когда . В этом режиме поле ротора имеет ту же интенсивность, что и результирующая поле. Следовательно поле статора должно отсутствовать , и ток в обмотке статора также должен быть равен нулю.

; .

 

 

При холостом ходе:

J индуктивный

J емкостный

 

 

 

Для количественной оценки регулирования реактивной составляющей тока статора с помощью тока возбуждения используют V – образные характеристики при М=const. Эти характеристики строят экспериментами или на основании расчетов.

 

Использование синхронного двигателя на промышленных предприятиях целесообразно, так как для питающей цепи он является активно – емкостной нагрузкой при значительном токе возбуждения. В режиме, когда , включение двигателя в сеть подобно подключению сопротивления и батареи конденсаторов. Выпускаемые промышленностью двигатели рассчитаны на работу с 0,8 при опережающем токе.

 

Пуск синхронных двигателей.

Для разгона синхронных двигателей их роторы снабжают специальной пусковой обмоткой, подобной «беличьему колесу» асинхронных двигателей.

В рабочем режиме при ток в пусковой обмотке становится равным нулю. При толчках нагрузки выпускает ускорение ротора и появляется ток в короткозамкнутой обмотке, который способствует демпфированию качаний ротора. При пуске обмотка возбуждения ротора отключается от источника питания и замыкается через разрядное сопротивление в 6 ÷ 10 раз превышающее сопротивление этой обмотки. Если обмотку не замкнуть, то в момент пуска напряжение на выводах увеличивается в 20 ÷ 30 раз, что приводит к пробою изоляции.

При растяжении обмотка возбуждения автоматически отключается от разрядного сопротивления и замыкается на источник постоянного тока. Двигатель втягивается в синхронизм.

 

n

Мmax

М

 

Мсин

nвх

 

n0

 

Мвх

 

 

Системах большой мощности.

В современных электрических системах электрическая энергия поступает в сеть от большого числа // работающих генераторов. Отдельные электрические станции объединяются в мощные энергосистемы, куда входят сотни генераторов.

Стабилизация частоты и напряжения осуществляется автоматически. Каждый отдельный генератор может рассматриваться как включенный на зажимы активного двухполюсника с бесконечно малым входным сопротивлением, который замещает всю остальную энергосистему.

Действующее значение напряжения на зажимах генератора постоянно, а частота равна 50 Гц. Любое изменение нормального режима работы генератора не может изменить напряжение и частоту системы, т.е. не может повлиять на работу других машин.

 

 

Напряжение на зажимах машины можно принять работой результирующей э.д.с. Е.

Постоянству частоты и амплитуды э.д.с. Е соответствует постоянство частоты и амплитуды потокосцепления результирующих поля машин.

Следовательно при параллельной работе синхронной машины с системой бесконечной мощности результирующее магнитное поле машины должно оставаться неизменным и вращаться в пространстве с постоянной угловой скоростью Ω.

 

Электродвижущая сила якоря.

Э.д.с. якоря машины постоянного тока равна алгебраической сумме мгновенных значений э.д.с. проводников одной параллельной ветки.

 

,

- число витков якоря, - число параллельных ветвей.

, - число витков в одной // ветви якоря.

; - полюсное деление, - число полюсов.

; .

 

Реакция якоря.

 

 

В секциях, проходящих геометрические нейтрали, при нагрузке наводится э.д.с. от потока якоря, что существенно влияет на процесс коммутации в машине.

 

Искрение на коллекторе.

Искрение – возникновение искрового или дугового разряда при размыкании цепи постоянного тока, обладающий продуктивностью.

 

Причины искрения: неровности поверхности, неправильный выбор давления пружин на щетку, неудовлетворительная коммутация.

Коммутацией называется процесс переключения секций обмотки якоря из одной // ветви в другую. Коммутируемая секция, проходя геометрическую нейтраль замыкает щеткой накоротко, а затем размыкается.

 

 

, , , .

 

Ликвидация искрения.

Для компенсации э.д.с. магнитный поток полюсов добавочных должен быть направлен навстречу потоку якоря.

 

В машинах малой мощности при их работе с постоянной нагрузкой для улучшения коммутации щетки сдвигают в сторону физических нейтралей.

 

 

Синхронные машины.

Синхронные машины получили очень широкое применение. Все электрические генераторы переменного тока установленные на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях являются синхронными машинами.

Синхронные машины применяются как двигатели в приводах большой мощности. Они приводят в движение устройства, где требуются строгое постоянство скорости.

Синхронная машина имеет ротор, чаще всего вращающийся электромагнит, возбуждаемый постоянным током. Постоянный ток поступает от выпрямителя или специального генератора возбудителя. Статор или статорная обмотка практически одинаковы у синхронных и асинхронных машин.

Наличие в электрической цепи ротора постороннего источника принципиально отличает синхронную машину от асинхронной.

Синхронная машина имеет явнополюсный или неявнополюсный ротор.

 

S

S

N

N

 

Принципиальные особенности работы асинхронных машин можно выяснить, используя рассмотренную теорию асинхронной машины.

Рассмотрим случай, когда раскрученная до синхронной скорости обмотка ротора различается.

Под действием постоянного тока в двух последовательно соединенных фазах обмотки появится магнитный поток и на поверхности ротора появятся соответствующие полюсы.

При отсутствии момента сопротивления на валу оси полюсов статора и ротора совпадут, и вал будет вращаться со скоростью вращения внешнего магнитного поля.

 

N

N

S

N

N0

S0

N

Ω

MC=0

M=0

Ω

Ω

MC

M

θ

θ

M

MT

S0

S0

N0

N0

S

N

N

θ=0

двигатель

генератор

M=МС

M=МТ

Когда к валу приложим внешний момент сопротивления М_С полюсы ротора смещаются относительно полюсов статора и силы их взаимодействия образуют вращающий электромагнитный момент М. Угол θ увеличивается до такой величины, при которой вращающий момент становится равным моменту сопротивления. Увеличение момента сопротивления вызывает дополнительный рост угла θ и электромагнитного момента, но скорость вращения ротора остается синхронной.

Синхронная машина может работать в генераторном режиме. Если приложить к валу двигателя внешний вращающий момент, то полюсы ротора сместятся относительно полюсов статора в противоположную сторону. При этом ******** является синхронным генератором.

 

Работа синхронного двигателя

Под нагрузкой.

При рассмотрении рабочего процесса двигателя примем ряд идеализирующих двигатель упрощений:

1. Пренебрегаем потерями электрической энергии в меди обмоток и стали магнитопровода машины.

2. Пренебрегаем моментом сил трения вращающих частей.

3. Потоки рассеяния отсутствуют.

При этих догируемых КПД = 1. Электрическая мощность полностью преобразуется в механическую:

.

Магнитное поле синхронной машины складывается из двух полей: вращающегося поля трехфазной обмотки статора и поля постоянного тока возбуждения ротора. Эти поля взаимно неподвижны, так как ротор вращается с той же скоростью, что и поле статора.

Вследствие изменения потокосцепления в каждой фазе статорной обмотки индуктируются э.д.с.

Поле статора индуктирует э.д.с.:

,

после ротора:

.

Фазное напряжение статора уравновешивается только этими двумя э.д.с.

 

.

Э.д.с. индуцируется внешним полем ротора и в режиме двигателя её положительное направление противоположно направлению тока.

Сумму э.д.с. и можно заменить результирующей э.д.с.

,

Можно считать, что наводится результирующим полем машины:

.

Тогда результирующее потокосцепление статорной обмотки можно определить

; .

Диаграмма построена для одной из фаз статорной обмотки и соответствует моменту, когда ток имеет амплитудное значение. В этот момент потокосцепление фазы А с вращающимся полем максимально, а вектор

Полученным уравнением соответствует векторная диаграмма. Будем считать, что ток статора опережает по фазе напряжение сети на угол .

 

 

совпадает по фазе с вектором .

Из диаграммы видно, что ток носит емкостный характер. Это происходит в случае если .

Рассмотрим векторную диаграмму для случая, когда . Будем считать, что пространственный угол остался прежним.

Уменьшение приведет к тому, что характер тока цепи статора с емкостного меняется на индуктивный. Величину можно регулировать, изменяя ток возбуждения цепи ротора. Следовательно изменением тока возбуждения ротора можно регулировать коэффициент мощности двигателя.