7. Синхронные машины						Действительно,	максимум	кривой
	M, Р			c
		III				P = f (θ) определяется выражением
	а	I	b	3	d	Р = mUE0 ,		(7.129)
Рмх		2					x
	1					где x – сумма сопротивлений машины
	II					и сети.
						При работе машины по угловой ха-
					π	θ рактеристике I (рис. 7.37) и отключении не-
0	θ1	θ2		θ3		которой части нагрузки сопротивление x
	Рис. 7.37. Повышение					увеличивается и работа машины характе-
	динамической устойчивости					ризуется кривой II (рис. 7.37). Механиче-
						ская мощность превышает электромаг-
нитную (тормозящую) и сообщает ротору ускорение. Ротор машины раз-
гоняясь, увеличивает угол θ. Если оставить машину в работе по кривой II,
выпадение ее из синхронизма становится неизбежным. В некоторый мо-
мент наращивания угла θ можно форсировать возбуждение. Увеличение
тока возбуждения вызовет возрастание магнитного потока и ЭДС. Это
приведет к увеличению амплитуды угловой характеристики мощности до
точки c (кривая III рис. 7.37). Возможный объем работы тормозных сил
(заштрихованная площадь acd) возрастет, и машина останется в синхро-
низме с другими. Требуемая скорость нарастания тока возбуждения обес-
печивается системой возбуждения.

7.13. Синхронные двигатели

Ранее в п. 7.8 при рассмотрении параллельной работы синхронной машины с сетью установлена возможность перевода ее из генераторного в двигательный режим при изменении знака угла θ между векторами ЭДС Е0 и напряжения U.

Синхронная машина, работающая параллельно с сетью, автоматически переходит из генераторного в двигательный режим, если к валу ротора приложить тормозной момент. При этом машина потребляет из сети активную мощность и возникает электромагнитный вращающий момент. Частота вращения ротора остается неизменной, жестко связанной с частотой сети,

n = n	=	f1	,	(7.130)
1		p

чтоявляетсяважнымэксплуатационным свойствомсинхронныхдвигателей.

338

7. Синхронные машины

В генераторном режиме синхронная машина преобразовывала механическую мощность, получаемую от первичного двигателя, в электрическую мощность, отдаваемую в первичную сеть, соединенную с обмоткой статора. В двигательном режиме синхронная машина преобразовывает электрическую энергию, получаемую из первичной сети, в механическую мощность, потребляемую рабочей машиной, соединенной с валом синхронной машины, сохраняя в обоих случаях синхронную частоту вращения, определяемую частотой сети. Предельная мощность, при которой может работать двигатель без выпадения из синхронизма, определяется, как и для генератора, предельной перегрузочной способностью.

Активная электрическая мощность, потребляемая двигателем из сети, определяется как

Ρ1 = mU I сosϕ,

(7.131)

где U и I – фазные напряжение и ток якоря; cos φ – коэффициент мощности. Часть этой мощности затрачивается на покрытие электрических по-

терь рэ в обмотке якоря и магнитных потерь рмг в магнитопроводе якоря, а остальная часть составляет электромагнитную мощность, передаваемую со статора через зазор вращающимся магнитным полем на ротор, в виде полной механической мощности

Ρ = Рмх = Ρ1 − pэ − рм .

(7.132)

Часть механической мощности компенсирует механические рмх и добавочные рд потери мощности и полезная механическая мощность на валу двигателя

Ρ2 = Ρмх − рд − рмх .

(7.133)

Если возбудитель находится на одном валу с двигателем или возбуждение машины осуществляется статическими системами возбуждения, то полезная мощность на валу агрегата двигатель–возбудитель уменьшается на величину мощности рf, потребляемой возбудителем.

Подставляя выражение (7.131) электромагнитной мощности в формулу (7.132), получим

Ρ2 = Ρ1 − ∑ p ,

(7.134)

где Σр = рf + рэ + рм + рмх + рд − полные потери мощности в машине, причина возникновения и место локализации отдельных видов потерь объясняется в п. 7.6.

339

7. Синхронные машины

P

Pm

PH

	Генератор
–θ –π	–π/2 –θн	θ
	0 θн π/2	π

Двигатель

–Pн

– Pm

– P

Рис. 7.38. Угловая характеристика активной мощности двигательного и генераторного режимов синхронной машины

Электромагнитный момент двигателя

М = Р Ωс ,

(7.135)

где Ωc = 2πn – синхронная угловая скорость вращения ротора.

Как показано в п. 7.7, переход машины из режима генератора в двигательный режим вызывается изменением знака угла θ между векторами ЭДС Е0 и напряжения Uс. Следовательно, выражения для мощности и момента двигательного режима можно получить из соответствующих выражений для генератора, подставляя в них отрицательные значения угла θ (рис. 7.38). Изменение знака мощности указывает на изменение направления потока энергии и на соответствующее изменение режима.

Уравнения напряжения синхронных двигателей получают, заменив в уравнениях напряжения генератора (7.40), (7.45) вектор напряжения машины U равным и противоположно направленным вектором напряжения сети UC = – U, от которой работает двигатель (термин «напряжение двигателя» обычно не употребляется). При такой замене уравнения напряжения для неявнополюсного и явнополюсного двигателей:

Uс = −E0 − jxсI − rI ,	(7.136)
Uс = −E0 − jxσI − jxad Id − jxaq Iq − rI .	(7.137)

340

7. Синхронные машины

Построение векторных диаграмм проводят аналогично векторным диаграммам генератора, с учетом особенностей уравнений напряжения (7.136) или (7.137). При этом коэффициент мощности в двигательном режиме характеризуют углом φ между векторами напряжения сети UC и тока якоря İ.

Аналогично генераторному режиму для двигателя можно построить U-образные характеристики I = f(If), которые имеют такую же форму, как

ианалогичные характеристики генератора, поскольку направление реактивной мощности в синхронной машине при постоянном угле нагрузки θ

не зависит от его знака, а определяется величиной тока возбуждения If. Физические процессы, связанные только с изменением If, одинаковы в двигателях

игенераторах. При недовозбуждении ток Ia отстает от напряжения сети – двигатель потребляет из сети реактивную мощность, а при перевозбужде-

нии ток опережает напряжение сети Uс двигатель отдает в сеть реактивную мощность. Способность компенсировать недостающую реактивную мощность в сети – одно из главных достоинств синхронных двигателей. Различие U-образных характеристик генератора и двигателя наблюдается лишь в режиме холостого хода (на рис. 7.34) штриховая линия соответствует U-образной характеристике двигателя при холостом ходе). При холостом ходе генератора при полезной электрической мощности Р2 = 0 и нормальном токе возбуждения If тока в обмотке якоря нет, поскольку все потери холостого хода компенсируются механической мощностью, подводимой

квалу от приводного двигателя или турбины (рис. 7.19).

Вдвигателе потери холостого хода компенсируются, как следует из (7.133), потребляемой из сети электрической мощностью

Рхх = ∑ рхх = рf + pм + pмх + рэл.хх .

(7.138)

Даже при отсутствии нагрузки на валу (P2 = 0) в обмотке якоря есть ток, равный току холостого хода Ixx. При нормальном возбуждении ток Ixx чисто активный и не превышает (0,01–0,1)Iн.

Синхронные двигатели рассчитывают для работы в режимах перевозбуждения с опережающим номинальным коэффициентом мощности

cosφн, в большинстве случаев равным 0,9. При этом статическая перегружаемость двигателей kп = Рm/Рн должна быть не менее 1,65.

Вследствие постоянства скорости вращения ротора кратность максимального момента синхронных двигателей km = Мm /Мн = kп.

Рабочие характеристики синхронного двигателя – это зависимости потребляемой мощности, тока, коэффициентов мощности и полезного действия от полезной мощности Р1, I, cos φ, η = f (P2) при U = const, f = const

и If = const (рис. 7.39).

341

7. Синхронные машины

I, Р1, η,cosφ			Uс = const
	сosφ=1	сosφ	Φн	1,5İн
		η	İн
	I	P1	0,5İн	θ1	Fr
				θ2
					Ff
Iхх				θ3	– Fаf
			Ff = const
рхх
0	P2н	Р
		2	Рис. 7.40. К объяснению изменения
Рис. 7.39. Рабочие характеристики
	двигателя		cos φ при различных нагрузках

Поскольку частота вращения двигателя постоянна, не изменяется при изменении полезной мощности двигателя, зависимость n = f (P2) обычно не приводится. Не приводится также и зависимость M = f (P2), так как вращающий момент M пропорционален P2. Кривая зависимости η = f (P2) имеет характер, общий для всех электрических машин.

Отрезки, отсекаемые на оси ординат кривыми I = f (P2) и Р1 = f (Р2), соответствуют расходам тока и мощности на покрытие потерь холостого хода.

С увеличением Р2 потребляемая активная мощность Р1 сначала растет практически линейно. В дальнейшем зависимость Р1 = f (Р2) отклоняется от линейной вследствие более быстрого по сравнению с Р2 роста электрических потерь в обмотке якоря, пропорциональных I 2 или Р22, и снижения в связи с этим КПД.

Причину изменения cos φ при изменении нагрузки объясняет рис. 7.40. Если пренебречь падениями напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях обмотки якоря, то Uc = –E = const, а следовательно, МДС Fr = const и, значит, положение векторов Uc, Fr, E не меняется при изменении полезной нагрузки.

Отрегулируем ток возбуждения так, чтобы при нагрузке машины номинальным током Iн коэффициент мощности будет равен единице. При уменьшении мощности на валу уменьшится и МДС Fa. Треугольник МДС,

как следует из равенства Fr = Ff + Fa = const, всегда замкнут. Это возможно только в том случае, когда, наряду с изменением своей величины, вектор МДС якоряFа изменит и направление вследствие сдвига между векто-

342

7. Синхронные машины

рами тока двигателя и напряжения сети. При возрастании угла φ коэффициент мощности снижается.

Синхронные двигатели могут работать при cos φ = 1, но обычно их рассчитывают на работу при номинальной нагрузке с опережающим током и cos φ = 0,9–0,8. В этом случае улучшается суммарный коэффициент мощности сети, от которой питаются синхронные двигатели, так как создаваемая им опережающая реактивная составляющая тока Ia компенсирует отстающую реактивную составляющую тока асинхронных двигателей. Зависимость cos φ = f (P2) при работе машин с перевозбуждением имеет максимум в области P2 > Pн. При снижении P2 значение сos ϕ уменьшается,

а отдаваемая в сеть реактивная мощность возрастает.

Пуск синхронного двигателя. Без учета действия вихревых токов в массивных деталях ротора и его специальных обмоток нельзя допустить возможность самостоятельного развертывания двигателей до синхронизма при включении обмотки статора в сеть промышленной частоты. Инертность роторных масс исключит возможность ротору почти мгновенно (за полпериода изменения тока) достичь высокой частоты вращающегося поля статора, и он останется неподвижным. Поэтому для включения в работу синхронных двигателей пользуются частотным пуском, пуском от вспомогательного двигателя и асинхронным пуском.

Частотный пуск осуществляется путем включения двигателя на устройство (индивидуальный генератор, частотный преобразователь), позволяющее плавно поднимать частоту тока от возможного минимума до номинальной. Для обеспечения максимального пускового момента устанавливают на генераторе (частотном преобразователе) токи возбуждения номинальный I f н у генератора и I f х, обеспечивающий Ef = Uн при холостом ходе, у двигателя. При малой частоте f изменения напряжения генератора ток якоря двигателя образует вращающееся с малой скоростью магнитное поле. Возбужденный ротор двигателя втягивается в синхронизм при частоте f = (3–8) Гц. Постепенно увеличивают частоту f до номинальной, ротор двигателя за счет синхронного момента разворачивается синхронно с полем статора до номинальной частоты вращения, при этом напряжение U изменяют пропорционально f.

Высокая стоимость – основной недостаток этого способа пуска. Поэтому частотный пуск оправдан в случае не только пуска, но и частотного регулирования скорости вращения двигателя. С понижением стоимости частотных преобразователей способ приобретает серьезное практическое значение.

Пуск от вспомогательного двигателя заключается в том, что синхронный двигатель разгоняют до скорости выше синхронной вспомогательным двигателем (например, асинхронным), после чего вспомогатель-

343

7. Синхронные машины

ный двигатель отключают от питающей сети. Ротор синхронного двигателя, постепенно замедляясь, неизбежно проходит через момент синхронной скорости, который может быть уловлен синхроноскопом. В момент совпадения скоростей обмотка якоря включается в сеть, и двигатель продолжает вращаться самостоятельно. Этот способ применим для пуска сравнительно небольших по мощности машин, включаемых в работу практически без нагрузки. При пуске нагруженных двигателей с нагрузкой, близкой к номинальной, мощности вспомогательного двигателя и основного требуются соизмеримыми и способ становится экономически невыгодным.

Асинхронный пуск – наиболее распространенный вид пуска. Синхронный двигатель пускают как асинхронный, для чего в наконечники полюсов ротора устанавливают короткозамкнутую обмотку, выполненную по типу «беличьей клетки». При включении трехфазной обмотки статора в сеть образуется вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с током Iп в пусковой обмотке, создает электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение и обеспечивающий его разгон до скорости, близкой к синхронной. Если при этой подсинхронной скорости в обмотку полюсов ротора дать постоянный ток, то взаимодействием потоков ротор окажется втянутым в синхронизм (чаще всего покачавшись вокруг некоторого равновесного положения).

В процессе асинхронного пуска на ротор машины действуют несколько электромагнитных моментов:

•асинхронный момент от пусковой обмотки Мас (рис. 7.41, а);

•моменты от обмотки возбуждения Мпр и Моб (рис. 7.41, б);

•моменты от вихревых токов в массиве ротора Мвх и гистерезисный

Мгс (рис. 7.41, в);

•реактивный (в явнополюсных машинах) Мр, меняющий свой знак

дважды за один оборот поля статора (рис. 7.41, г).

	М	M		М			М
	Мас
		Моб	Мпр	М гс	М вх
	s		s			s	Мр	s
1	0 1	0,5	0	1		0 1		0
	а	б		в				г

Рис. 7.41. Моменты, действующие на вал ротора при асинхронном пуске

344

7. Синхронные машины

Асинхронный момент, образованный пусковой обмоткой не отличается по своему характеру и форме от электромагнитных моментов асинхронных двигателей (рис. 7.41, а).

Он является основным из вращающих моментов. Под его действием ротор машины разворачивается до скорости, близкой к синхронной (95 % от нее и выше). Выбирая характер зависимости (кривую изменения) этого момента от скольжения, нужно иметь в виду следующее обстоятельство: чем больше пусковой момент, тем меньше входной момент и наоборот, чем меньше пусковой момент, тем больше входной (рис. 7.42). Под входным понимают момент, соответствующий частоте вращения не менее 0,95 nсх, при которой становится возможным «вхождение» машины в синхронизм.

Из рис. 7.42 видно, что если процесс разгона двигателя изображает кривая 3, то входной момент меньше, чем при разгоне по кривой 1, и двигатель «входит» в синхронизм труднее, чем это могло быть при асинхронном моменте, изображенном кривой 1. Зато пусковой момент Мп1 < М п3, и двигатель, имеющий форму момента 1 и нагруженный М = М2 (прямая линия на рис. 7.42), может не развернуться, так как вращающий момент равен моменту нагрузки. На форму механической характеристики влияет материал короткозамкнутой обмотки: большое сопротивление обмотки соответствует форме 3, а малое – кривой 1.

Моменты от обмотки возбуждения возникают только при пуске машины с закороченной обмоткой возбуждения (на себя или на некоторое сопротивление). Оставить при пуске двигателя обмотку возбуждения разомкнутой опасно: в момент пуска поле статора индуктирует в неподвижной обмотке ротора весьма высокую ЭДС, угрожающую разрушением изо-

ляции обмотки и травмированием				М
обслуживающего персонала. В слу-
чае, если обмотка замкнута нако-			М п3	3	2	1
ротко, она подобна однофазной, и в
ней вращающимся магнитным по-			М п2
лем статора наводится однофазный
ток, который в свою очередь созда-
ет пульсирующий во времени, но			М п1		= const		М вх1
неподвижный в пространстве маг-				М 2
нитный поток Ф2.							М вх2
	Поток	Ф2 можно разложить				М вх3
на два равных друг другу потока,			0				n
составляющих половину потока Ф2,						n = 0,95nсх
но	вращающихся с одинаковыми		Рис. 7.42. Пусковые и входные моменты
скоростями в разные стороны: по-				при различных сопротивлениях
ток	прямой	последовательности			пусковой обмотки

345

7. Синхронные машины

Ф2пр и поток обратной последовательности Ф2об, каждый из которых соз-

дает свой момент – М2пр и М2об.

Поток прямой последовательности вращается относительно ротора с частотой

n	=	f2	= sf1 = sn .		(7.139)
2пр		p	p	1

С учетом частоты вращения ротора n = n1(1 – s) частота вращения потока Ф2пр относительно статора складывается из двух частот вращения:

n2пр + n = sn1 + n1 (1 − s) = n1 .

(7.140)

Момент прямой последовательности – обычный асинхронный момент (кривая М2пр на рис. 7.43).

Составляющие обратной последовательности потока вращаются относительно самого ротора с той же частотой sn1, что и прямое поле, но относительно статора имеют другую частоту вращения:

n− n2 = n1 (1− s)− sn1 = n1 (1− 2s).

(7.141)

В первой половине пуска, когда скольжение изменяется в пределах 1 ≥ s > 0,5, момент обратного поля является тянущим, положительным, способствующим развертыванию ротора (рис. 7.43).

При скольжении s = 0,5 частота вращения обратного поля равна нулю и никакого взаимодействия с полем статора нет. Момент от обмотки возбуждения обращается в нуль.

M

М

Мaс

M с

М	об	Мпр
	Мmin
0	0,5	1 s

Рис.7.43. Одноосное включение при асинхронном пуске

Во второй половине пуска, когда скольжение 0,5 > s > 0, момент обратного поля является тормозным.

Ограничившись моментами двух основных обмоток – пусковой и возбуждения (вследствие малости моментов гистерезисного и от вихревых токов, а также реактивного в явнополюсных двигателях), получим результирующую кривую момента М

(рис. 7.43).

Образовавшийся вследствие момента обратного поля провал в кривой результирующего момента обеспечивает устойчивую работу

346