Синхронный компенсатор – синхронный двигатель, работающий без механической нагрузки (Т. Е. На холостом ходу), по обмоткам которого течет практически только реактивный ток.

Работу синхронного компенсатора характеризует U -образная характеристика (рис. 14.5).

Рис. 14.5. U – образная характеристика СД (для синхронных компенсаторов – самая нижняя) [26]

Для синхронного компенсатора U -образная характеристика представляет собой зависимость тока статора от тока возбуждения синхронной машины при постоянном напряжении сети U 1 и мощности на валу P 2=0. Ток статора включает в себя две составляющие: активную (совпадающую по фазе с напряжением и создающую электромагнитный момент) и реактивную. При работе синхронного компенсатора без нагрузки активная составляющая практически равна нулю. Требуется лишь малая доля активного тока для покрытия собственных потерь: активная мощность составляет 2-4% от Р ном.

 

Синхронный компенсатор может работать в двух режимах:

- Потреблять из сети реактивный ток, отстающий от напряжения (φ >0, как у АГ). Это происходит в режиме недовозбуждения, при I _в< I _в0.

- Потреблять из сети реактивный ток, опережающий напряжение (φ<0). Это происходит в режиме перевозбуждения, при I _в> I _в0.

Слева характеристики ограничены линией AB, соответствующей максимальному углу нагрузки Q=90°.

На практике компенсаторы чаще всего работают в режиме перевозбуждения, чтобы скомпенсировать воздействие на сеть асинхронных двигателей, у которых, как у индуктивной нагрузки φ>0 [26].

Применение синхронных компенсаторов дает возможность разгружать питающие линии от индуктивных, отстающих токов, что снижает потери в сети и улучшает использование синхронных генераторов электрических станций [3].

Несмотря на то, что любая синхронная машина может работать в качестве компенсатора, они изготавливаются как специализированный тип машины. Это связано с тем, что они загружены в основном реактивным током, поэтому можно облегчить конструкцию, уменьшив массу, габариты и стоимость [26].

Особенности синхронных компенсаторов:

- частота вращения – 1500 об/мин [8];

- конструкция ротора – явнополюсная [8];

- охлаждение воздушное, у более мощных – водородное [6].

Применение водородного охлаждения привело к снижению вентиляционных потерь на 25-35% и позволило в тех же габаритах выработать бóльшую мощность [6].

 

Гистерезисные двигатели

Гистерезисный двигатель – это бесконтактный ЭД, в котором вращающий момент возникает за счет явления магнитного гистерезиса при перемагничивании вращающимся полем статора ферромагнитного материала ротора.

ГД относятся к классу синхронных двигателей.

 

Устройство

Статор ГД подобен статору обычной электрической машины переменного тока с распределенной в пазах обмоткой. Обмотка статора, как правило, трехфазная.

Ротор ГД не имеет явно выраженных полюсов и какой-либо обмотки. Либо весь ротор, либо его поверхностная часть выполняется в виде цилиндра из материала с особыми свойствами (активный гистерезисный слой). Для снижения потерь от вихревых токов активная часть ГД, как правило, шихтуется.

Свойства гистерезисного слоя:

- магнитотвердый материал с относительно низкими значениями коэрцитивной силы - 2-30 кА/м [1];

Для сравнения, распространенные в синхронных машинах с постоянными магнитами магнитотвердые материалы имеют следующие значения коэрцитивной силы: SmCo – 560 кА/м; NdFeB – 830 кА/м. Для электротехнической стали: 30-90 А/м.

- петля гистерезиса материала близка к прямоугольной форме.

Наибольшее применение в ГД нашел сплав викаллой (сплав кобальта, ванадия и железа).

Сплав викаллой содержит 52-54% кобальта, до 14% ванадия, остальное - железо.

Материал ротора с такими свойствами в отличие от классических постоянных магнитов не является магнитом изначально. Он становится магнитом только после намагничивания током статора ГД, что происходит уже во время пуска двигателя.

 

Принцип действия

Напомню. В двигателях с постоянными магнитами магниты, как правило, намагничиваются предварительно перед сборкой ротора. В гистерезисных двигателях материал ротора предварительно не намагничен: он намагничивается током статора. То есть северные и южные полюса образуются на роторе в результате воздействия на него поля статора.

Материал ротора обладает гистерезисом. Сущность гистерезиса заключается в отставании изменения магнитной индукции В _Р в магнитотвердом материале ротора от изменения напряженности Н _Р внешнего намагничивающего поля статора. То есть полюса образуются с некоторым запаздыванием. Между вектором тока статора I и вектором потока ротора Ф возникает угол γ.

Выражение для момента: М=k I Фsin γ.

 

Основные достоинства ГД:

- наличие пускового момента, устойчивая работа в асинхронном режиме, автоматический вход в синхронизм и работа в синхронном режиме;

- простота и надежность конструкции:

--- отсутствие вращающихся обмоток и конструкционных полюсов на роторе;

--- материал активной части ротора обладает высокой механической прочностью, допускающей большие частоты вращения;

--- малые температурные коэффициенты линейного и объемного расширения материала ротора, обеспечивающие механическую прочность конструкции в широком диапазоне температур;

--- принципиальная симметричность конструкции ротора, облегчающая балансировку;

- бесшумность;

- малый пусковой ток I _п/ I _ном=1,2...1,5.

В диапазоне мощностей от долей ватта до нескольких десятков ватт гистерезисные двигатели имеют наименьшие размеры [4].

 

Основные недостатки ГД:

- низкий уровень энергетических характеристик (особенно в режимах запуска): малые коэффициенты мощности cos j = 0,2-0,4 и КПД = 0,2-0,5;

- высокая стоимость магнитотвердых материалов;

- нестабильность характеристик, обусловленная нестабилизированным магнитным состоянием ротора;

- склонность к качаниям при резких изменениях нагрузки.

-