ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

ТЕМА 4. Основні навантажувальні характеристики та стійкість синхронних електродвигунів в особливих режимах

4.1 Особливості режиму синхронного двигуна як джерела реактивної потужності

Синхронні двигуни завдяки низці техніко-економічних переваг набувають все ширшого застосування для приводу різних механізмів.

У поєднанні з керованими гідравлічними та електромагнітними муфтами синхронні двигуни можуть застосовуватись для приводу механізмів, що потребують регулювання швидкості.

Головною перевагою синхронних двигунів є те, що шляхом зміни струму збудження можна змінювати реактивну потужність. У залежності від значення струму збудження реактивна потужність може генеруватись у мережу (за перезбудження) або споживатись із мережі (за недозбудження).

Винятково корисною є можливість регулювання струму збудження синхронного двигуна у випадку відхилення режиму мережі живлення або навантаження самого двигуна від заданого значення.

Автоматичне регулювання збудження (АРЗ) є одним з ефективних засобів підвищення стійкості синхронних машин. Масове впровадження АРЗ синхронних генераторів енергосистем вирішально вплинуло на підвищення надійності та стійкості паралельної роботи енергосистем. Застосування АРЗ синхронних двигунів за умови їхньої значної питомої ваги в загальному складі вузла навантаження має велике значення для підвищення стійкості вузла навантаження та енергосистеми у цілому, а також утворює сприятливі умови для прямого пуску та самозапуску як асинхронних, так і синхронних двигунів після короткочасного зниження напруги або перерви живлення. Крім того, АРЗ синхронних двигунів дає можливість:

•підвищити динамічну стійкість електроприводів шляхом форсування збудження під час зниження напруги у мережі, а також різких змін навантаження на валу;

88

ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

•підсилювати гасіння механічних коливань, що виникають у випадку пульсного навантаження та внаслідок будь-яких різких змін режиму.

Для збудження синхронних двигунів здебільшого застосовують машини постійного струму з приводом від валу синхронних двигунів або від окремих мотор-генераторів із асинхронним приводом. В останні роки внаслідок бурхливого розвитку напівпровідникової техніки все частіше застосовують практично безінерційні швидкодійні системи збудження з використанням напівпровідників. У поєднанні з оптимальними законами автоматичного керування струмом збудження це дозволяє підвищити стійкість вузлів навантаження, раціонально використовувати електричну енергію та забезпечити економічність режимів електроприводів.

Статична перевантажувальна здатність (максимум електромагнітної потужності) синхронного двигуна (без урахування впливу явно виражених полюсів) залежить від напруги мережі лінійно, а не квадратично, як в асинхронного двигуна. Тому під час значних знижень напруги мережі режим навантаженого синхронного двигуна є стійкішим, ніж асинхронного.

За конструктивним виконанням роторів з обвиткою збудження є такі типи синхронних двигунів:

•синхронні двигуни з неявно вираженими полюсами, так звані турбодвигуни з масивними роторами і фрезованими у них пазами для укладання провідників обвитки збудження (як правило, це двополюсні двигуни з частотою обертання ротора 3000 об/хв.);

•синхронні двигуни з явно вираженими полюсами й обвитками збудження у вигляді котушок, що насаджені на полюси (як правило, такі двигуни мають частоту обертання ротора меншу ніж 1500 об/хв.).

Синхронні двигуни з явно вираженими полюсами виготовляють у двох варіантах: із масивними та шихтованими полюсами.

У синхронного двигуна з масивними полюсами асинхронний обертовий момент, необхідний при пуску, утворюється, головним чином, за рахунок струмів, що індуковані у тілі полюсів обертовим магнітним полем статора. Для збільшення

89

ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

асинхронного моменту забезпечують електричний контакт між полюсами за допомогою металевих перемичок.

Для підвищення асинхронного обертового моменту синхронного двигуна з шихтованими полюсами необхідні спеціальні пускові обвитки у вигляді стрижнів, закладених у пази в полюсах, які з’єднують між собою з боків полюсів мідними сегментами або кільцями.

На рис. 4.1 зображено векторну діаграму усталеного режиму перезбудженого синхронного двигуна з урахуванням спаду напруги на активному опорі обвитки статора, але без урахування насичення магнітного кола статора.

+ j	+ d
	Id	I	rс Iq		+1
			U1
	I р	U1d		rсId
		ϕ	δ	jx q Iq	+ q
		Iа
		Iq	U1q	Eq
			jx q Id
			jxd	Id
		Рис. 4.1. Векторна діаграма усталеного режиму
		перезбудженого синхронного двигуна

У цьому режимі вектор струму статора випереджує вектор напруги мережі на кут ϕ, а активна потужність, що підведена з мережі до затискачів обвитки статора дорівнює:

P1 = U1I cosϕ.	(4.1)
Якщо знехтувати втратами енергії у статорі, то

90

ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

P1 = PE .

(4.2)

Керуючись векторною діаграмою, можна записати такі рівняння:

I cosϕ = Iq cosδ+ Id sin δ;

(4.3)

U1 cosδ = Eq −xdId ;

(4.4)

U1 sin δ = xqIq .

(4.5)

З (4.4) та (4.5) визначимо проекцію Id струму I

Id

=

Eq − U1 cosδ

(4.6)

xd

та проекцію Iq струму I

Iq

=

U1 sin δ .

(4.7)

xq

Підставивши (4.3) й складові (4.6) та (4.7) струму I у (4.1) і, враховуючи (4.2),

після нескладних перетворень отримуємо:

Eq U1

U2

1

1

P

=

sin δ+

1

−

sin 2δ = P

+ P

(4.8)

E

xd

2

E1

Яв .

xq

xd

У (4.8) перший доданок (PE1) визначається синхронним моментом, максимум якого залежить від значення струму збудження, а другий (PЯв) – моментом явнополюсності (явно виражених полюсів). Неважко помітити, що PE1макс наступає при δ=90°, а PЯвмакс – при δ=45°. Відповідні криві електромагнітної потужності (кутові характеристики) при сталому значенні ЕРС Eq наведені на рис. 4.2.

91

ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

P

1
0. 75		PE
		PE1
0.5
0. 25		P яв
0		δ
- 0.25
- 0.5	0D	45 D 90D 135 D 180 D

Q

1.5		Q1
1.25
1
0.75		б		Q1 ст
0.5
0.25
0		а		δ
- 0.25
- 0.5	0 D	45 D	90 D	135 D 180 D

Рис. 4.2. Графічні приклади залежностей P(δ) та Q(δ) для синхронного електродвигуна

типу ДСП–116/49–4: Pном=1300 кВт, Uном=6 кВ, Xd=1,7 , Xq=0,85.

Залежності P(δ) побудовано для перезбудженого СД; залежності Q(δ) побудовано для перезбудженого (криві а) та недозбудженого (криві б) СД; векторна діаграма (рис. 4.1) та криві для перезбудженого СД відповідають

значенню ЕРС Eq=1,435 , а недозбудженого – Eq=0,58. Реактивна потужність, яка може бути виміряна на затискачах СД

Q1 = U1Isin ϕ.	(4.9)
З векторної діаграми
Isin ϕ = Iq sin δ−Id cosδ.	(4.10)

Підставивши (4.10) й складові (4.6) та (4.7) струму I у (4.9), отримуємо:

Q

= U

U sin δ

sin δ−

Eq

− U1 cosδ

cos

1

1

1

xq

xd

або, після перетворень,

Q

= −

Eq U1

cosδ+ U

2

1

+

xd −xq

sin

2

1

1

xd

xdxq

xd

δ

δ .

(4.11)

(4.12)

Якщо знехтувати впливом явнополюсності, отримуємо вираз, який, як правило, застосовується для побудови статичних характеристик під час досліджень статичної стійкості ЕПС:

	Q1ст = −	Eq U1	cos δ+	U2
				1 .	(4.13)
		xd
				xd

92