U–образные и рабочие характеристики синхронного двигателя

U-образные характеристики. В процессе работы синхронно­го двигателя в его обмотке статора наводятся ЭДС, сумма которых  [см. (20.29)] приблизительно равна подведенному к обмотке статора напряжению сети . Эта сумма ЭДС эквивалентна ре­зультирующему магнитному полю, вызванному действием двух магнитодвижущихся сил: возбуждения  и статора .

При неизменном напряжении сети  резуль­тирующее магнитное поле постоянно. Поэтому при изменении МДС возбуждения  (изменении тока возбуждения ) МДС ста­тора  изменяется таким образом, чтобы их совместное действие оставалось неизменным, т. е. чтобы оставалось неизменным ре­зультирующее магнитное поле синхронного двигателя. Это изме­нение МДС  может происходить только за счет изменения вели­чины и фазы тока статора , т. е. за счет изменения реактивной составляющей тока статора .

Например, при увеличении тока возбуждения  начиная от наименьшего его значения  возрастает МДС ротора, при этом МДС статора уменьшается. Это уменьшение МДС происхо­дит при уменьшении индуктивной (по отношению к напряжению сети ) составляющей тока статора , которая оказывает на маг­нитную систему подмагничивающее влияние.

При этом полный ток статора  уменьшается, а ко­эффициент мощности двигателя , увеличивается. При неко­тором значении тока возбуждения  индуктивная составляющая тока статора падает до нуля. При этом ток статора достигнет ми­нимального (при данной нагрузке) значения, так как станет чисто активным , а коэффициент мощности, = 1.

Увеличение тока возбуждения сверх значения , т. е. пере­возбуждение двигателя, вызовет увеличение тока , но те­перь этот ток будет опережающим (емкостным) по отношению к напряжению . Таким образом, при недовозбужденш  синхронный двигатель работает с отстающим током, а при пе­ревозбуждении   — с опережающим. Зависимость тока статора от тока возбуждения для синхронного двигателя представ­лена U-образными характеристиками (рис. 22.5). Ток возбуждения  соответствует работе синхронного двигателя при коэффициен­те мощности = 1. При перевозбуждении двигателя в цепи статора появляется опережающий ток.

Иначе говоря, синхронный двигатель является генератором реактивного тока: индуктивного по отношению к напряжению сети при недовозбуждении и емкостного при перевозбуждении. Указанная способность синхронных двигателей является их ценным качеством, которое используют для повышения коэффициен­та мощности электрических установок.

Асинхронные двигатели, являющиеся наиболее распространенными потребителями электроэнергии, работают с < 1, создавая в сетях значительные индуктивные токи. Если же параллельно группе асинхронных двигателей включить один или несколько синхронных двигателей, работающих с перевозбуждением, то возникающая в сети емкостная составляющая тока будет частично или полностью ком­пенсировать индуктивную составляющую тока, обусловленную рабо­той асинхронных двигателей. При этом электрическая система, раз­груженная от реактивных токов, будет работать, с , что способствует уменьшению потерь электроэнергии. Необходимо, од­нако, отметить, что при перевозбуждении синхронный двигатель по­требляет значительный ток статора. Поэтому синхронные двигатели, предназначенные для работы с перевозбуждением, имеют несколько большие габариты, а их КПД меньше, чем у двигателей, предназначенных для работы с = 1, когда ток статора и потери двигателя имеют минимальные значения.

Аналогично синхронному генератору, включенному на парал­лельную работу с сетью (см. § 21.6), синхронный двигатель имеет предел устойчивости при минимальном токе возбуждения (штри­ховая линия в левой части рис. 22.5).

Рабочие характеристики. Рабочие характеристики синхрон­ного двигателя представляют собой зависимость частоты враще­ния ротора , потребляемой мощности , полезного момента , коэффициента мощности , и тока в обмотке статора  от полезной мощности двигателя  (рис. 22. ). Частота вращения рото­ра  всегда равна синхронной частоте , поэтому гра­фик  имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс. Полезный момент на валу синхронного двигателя . Так как рабочие характеристики снимают при условии , то график  имеет вид прямой, выходящей из начала координат. Мощность на входе двигателя . С ростом нагрузки на валу двигателя увеличиваются также и потери , поэтому потребляемая мощность  растет быстрее полезной мощ­ности  и график  имеет несколько криволинейный вид.

Рис. 22.5 U-образные характеристики синхронного двигателя

Рис. 22.6. Рабочие характеристики синхронного двигателя

Вид графика  зависит от вида настройки тока возбуждения: если в режиме х. х. ток возбуждения установлен та­ким, что = 1, то с ростом нагрузки коэффициент мощности снижается, если же установить =1 при номинальной на­грузке, то при недогрузке двигатель будет забирать из сети реак­тивный опережающий ток, а при перегрузке — отстающий. Обыч­но устанавливают ток возбуждения таким, чтобы =1 при средней нагрузке (рис. 22. ). В этом случае коэффициент мощно­сти во всем диапазоне нагрузок остается достаточно высоким. Ес­ли же установить ток в обмотке возбуждения синхронного двига­теля таким, чтобы =1 был при нагрузке несколько превышающей номинальную, то при номинальной нагрузке   и двигатель будет потреблять из сети опережающий по отношению к напряжению сети ток, что приведет к повышению коэффициента мощности этой сети. В этом отношении синхрон­ные двигатели выгодно отличаются от асинхронных, работающих с отстающим по фазе током (особенно при недогрузке двигателя) и снижающих энергетические показатели питающей сети.

Ток в обмотке статора двигателя . Из этого выражения видно, что ток  с увеличением нагрузки на валу дви­гателя растет быстрее, чем потребляемая мощность , вследствие уменьшения .

Так как ротор синхронного двигателя вращается в ту же сторону, что и поле статора, то направление вращения ротора определяется порядком следования фаз линейных проводов, подведенных к обмотке статора, и порядком расположения фаз обмотки статора. Для изменения направления вращения трехфазного синхронного двигателя необходимо переключить два линейных привода, подведенных из сети к выводам обмотки статора (см. § 9.3).

В заключение необходимо отметить, что синхронные двигатели по сравнению с асинхронными имеют преимущество, заключающееся в том, что они могут работать с = 1, не создавая в щей сети индуктивных токов, вызывающих дополнительные потери энергии. Более того, при работе с перевозбуждением син­хронные двигатели создают в сети емкостный ток, чем способст­вуют повышению коэффициента мощности энергосистемы в це­лом. Другое достоинство синхронных двигателей состоит в том, что, как это следует из (21.11), основная составляющая электро­магнитного момента пропорциональна напряжению сети , а у асинхронных двигателей электромагнитный момент пропорциона­лен  [см. (13.14)]. По этой причине при понижении напряжения в сети синхронные двигатели сохраняют большую перегрузочную способность, чем асинхронные.

К недостаткам синхронных двигателей относятся их более сложная конструкция и повышенная стоимость по сравнению с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Кроме того, для работы синхронного двигателя требуется устройство для питания постоянным током обмотки возбуждения.

Опыт эксплуатации показал, что применение синхронных двигателей общего назначения наиболее целесообразно при мощности 200 кВт и более в установках, не требующих частых пусков и регулирования частоты вращения (мощные насосы, вентиляторы, компрессоры и т. п.).

Синхронный компенсатор

Синхронный компенсатор (СК) представляет собой синхронную машину, предназначенную для генерирования реактивной мощности. Синхронный компенсатор включают в электрическую систему с целью повышения ее коэффициента мощности.

Принцип происходящих при этом явлений состоит в том, что необходимую для работы некоторых потребителей реактивную мощность вырабатывает не синхронный генератор, установленный на электростанции, а синхронный компенсатор, установленный в непосредственной близости к потребителю. К числу потребителей переменного тока, требующих значительной реактивной мощности, в первую очередь относятся асинхронные двигатели. На рис. 22.7 показана система, состоящая из синхронного генератора (СГ), повышающего ТрI и понижающего ТрII трансформаторов, линии электропередачи (ЛЭП), потребителя Z и синхронного компенсатора (СК), включенного непосредственно на входе потребителя. Синхронный компенсатор, включенный в сеть, работает как синхронный двигатель без нагрузки , т. е. в режиме х. х., и при вырабатывает реактивную мощность , необходимую для работы потребителя Z, например группы асинхронных двигателей. Благодаря этому реактивная мощность в СГ и ЛЭП доведена до неко­торого минимального значения . Это способствует повышению технико-экономических показателей всей электрической системы.

Рис. 22.7. Схема включения синхронного

компенсатора (СК) в электрическую систему

Рис. 22.8. Применение синхронного компенсатора для по­вышения коэффициента мощности сети

Для пояснения явлений, связанных с подключением СК к электрической системе, рассмотрим рис. 22.8. При подключении потребителя Z к сети с напряжением  (рис. 22.8, ) в сети возникает ток , отстающий по фазе от напряжения  на угол , обусловленный значительной индуктивной составляющей тока . При подключении СК параллельно потребителю Z и создании в СК режима перевозбуждения (рис. 22.8, )в сети появится ток , опережающий по фазе напряжение  на угол 90°. Результи­рующий ток в сети

                                                                             (22.1)

Фазовый сдвиг этого тока относительно напряжения сети  (угол ) намного меньше угла фазового сдвига до включения СК (угол ). Кроме того, ток  станет меньше . В этом можно убедиться исходя из следующих соображений. Так как СК работа­ет без нагрузки на валу, то его активная мощность не велика и определяется потерями х.х. в компенсаторе. Пренебрегая этими потерями, можно активную мощность в сети до подключения СК

                                                                                                 (22.2)

приравнять к активной мощности сети после подключения СК:

                                                                                                                   (22.3)

Но так как , а , то . В результате синхронный генератор и линия электропередачи разгружаются,  и потери мощности в них уменьшаются.

В некоторых случаях СК работают с недовозбуждением. Необхо­димость в этом возникает, если ток в системе содержит значительную емкостную составляющую, которая не компенсируется индуктивной составляющей тока потребителей. Обычно степень возбуждения СК регулируют посредством автоматических устройств.

Синхронные компенсаторы применяют также для стабилиза­ции напряжения в сети при передаче энергии по линиям большой протяженности. При больших индуктивных нагрузках напряжение в конце линии (у потребителей) оказывается намного меньше, чем в начале; при малых нагрузках, наоборот, под влиянием емкост­ных сопротивлений линии напряжение в конце линии может даже повышаться по сравнению с напряжением в начале. Если же в конце линии (у потребителей) включить СК, работающий при больших нагрузках с перевозбуждением и при малых нагрузках с недовозбуждением, то это позволит поддерживать напряжение в конце линии практически неизменным.

Условия нагревания СК при опережающем токе (при перевоз­буждении) более тяжелые, чем при отстающем (при недовозбуждении), поэтому номинальной мощностью компенсатора считают мощность при перевозбуждении.

Пример 22.1. Потребитель, включенный в сеть переменного тока напряже­нием  = 6,3 кВ, потребляет мощность 1500 кВ·А при коэффициенте мощности  = 0,7 . Определить мощность синхронного компенсатора, необходимого для повышения коэффициента мощности в сети до  = 0,95 (  = 0,31).  Определить  также силу тока нагрузки в сети до и после компенсации.

Решение. До включения СК реактивная мощность сети  кВ∙Ар, ток нагрузки в сети

А;

активная составляющая этого тока  А.

После включения СК реактивная мощность уменьшилась до

кВ∙Ар.

Таким образом, для повышения коэффициента мощности установки от = 0,7 до  = 0,95 требуется включить СК мощностью

 кВ∙Ар.

При этом активная составляющая тока сети не изменится (  = 97 А), а реактивная составляющая этого тока станет равной

             А.

Следовательно, ток в сети после включения СК

А.

Обычно коэффициент мощности увеличивают до 0,92—0,95, так как экономия, получаемая от повышения коэффициента мощности до единицы, не оправдывает увеличивающихся расходов, обусловленных возросшей мощностью синхронного компенсато­ра. Так, если в рассматриваемом примере потребовалось бы уве­личить коэффициент мощности в сети до единицы, то пришлось бы применить синхронный компенсатор мощностью 1050 кВ∙Ар, т. е. почти в два раза больше, чем при  = 0,95.

Синхронные компенсаторы — это электрические машины большой мощности: от 10 до 160 тыс. кВ∙А. Выполняют их обыч­но с горизонтальным расположением вала на напряжение от 6,6 до 16 кВ, частотой 50 Гц. Число полюсов в СК обычно составляет  = 6 и 8, что соответствует частоте вращения ротора 1000 и 750 об/мин. В синхронных компенсаторах современных серий применен асинхронный пуск, поэтому ротор СК снабжен пусковой клеткой.

Вал компенсатора не передает вращающего момента, и поэто­му при его расчете учитывают лишь силу тяжести ротора и силу магнитного притяжения. В итоге вал СК по сравнению с валом синхронного двигателя имеет уменьшенное сечение. Это способ­ствует уменьшению габаритов и облегчению СК. Так как вал СК не имеет выступающего конца, то СК сравнительно легко герме­тизировать с целью применения в нем водородного охлаждения (см. § 19.3).

Наиболее важными характеристиками СК являются U-образные характеристики, определяющие основные параметры компен­сатора: значения токов в обмотке статора и в обмотке возбужде­ния. В принципе эти характеристики не отличаются от U-образной характеристики синхронного двигателя в режиме х.х. ( = 0). Указанные характеристики строят для разных напряжений сети.

Синхронный компенсатор не несет активной нагрузки (его электромагнитная мощность ) и работает при значении уг­ла , что обеспечивает СК большую перегрузочную способ­ность.

Контрольные вопросы.

1. Чем ограничивается область устойчивой работы синхронного двигателя?

2. Объясните процесс пуска синхронного двигателя?

3. Как регулируется коэффициент мощности синхронного двигателя?

4. Каково назначение синхронного компенсатора?

5. Каковы достоинства и недостатки синхронных двигателей по сравнению              с асинхронными?