Преобразование энергии в синхронных машинах.
Электромеханическое преобразование энергии сопровождается обязательным преобразованием электрической или механической энергии в тепловую. Преобразование энергии в тепло в электрических машинах принято называть потерями, так как тепловая энергия при эксплуатации электрических машин, как правило, не используется в практических целях. В электрических машинах большой мощности в тепло преобразуются единицы или даже доли процентов энергии, подводимой к электрическим выводам или валу машины. В машинах малой мощности в тепло может преобразовываться большая часть энергии, подводимой к машине, поэтому КПД машин малой мощности небольшой.
Рис. 1.6. Электрическая машина как шести-полюсник
Для общего представления о работе машины как преобразователя энергии ее можно представить в виде шестиполюсника (рис. 1.6), у которого есть два электрических вывода U, I, два механических вывода М, п и два тепловых Q, t. Электрические выводы связаны с электрической мощностью и характеризуются напряжением U и током I; механические связаны с механической мощностью и характеризуются моментом на валу машины М и частотой ее вращения п; тепловые выводы связаны с потерями энергии, возникающими в процессе преобразования, и характеризуются количеством выделенного тепла Q и температурой частей электрической машины t. Внутреннее сопротивление машины в самом общем случае можно охарактеризовать сопротивлением
Для синхронных машин важным является режим синхронного компенсатора, при котором активная электрическая мощность, получаемая из сети, расходуется только на потери внутри машины, а синхронная машина генерирует или потребляет из сети реактивную мощность. В компенсаторном режиме могут работать все синхронные машины, однако для практического использования производят специальный тип машин — синхронные компенсаторы, в которых генерирование или потребление реактивной мощности происходит с наименьшими потерями активной энергии.
Рабочие характеристики синхронных электродвигателей.
Рис. 7. Рабочие характеристики синхронного двигателя
С ростом нагрузки на валу двигателя увеличивается момент и ток в якоре, сначала по линейному закону, а затем из-за изменения параметров - по нелинейному закону. Если не изменяется If, cos φ может падать, расти или иметь максимум. Это зависит от значения If и может быть прослежено по U-образным характеристикам: при увеличении Р2 - переходе с одной U-образной характеристики на другую cos φ изменяется, так как из-за внутреннего падения напряжения кривая cos φ = 1 смещается в область больших нагрузок. При изменении If можно получить постоянное значение cos φ при разных Р2 (рис. 8). Кривая 1 на рис. 8 соответствует работе синхронного двигателя с постоянным током возбуждения в зоне недовозбуждения на U-образных характеристиках, кривая 2 – работе синхронного двигателя с перевозбуждением; кривая 3 возможна при регулировании тока возбуждения.
Рис. 8. Зависимости cos φ синхронного двигателя от нагрузки
Зависимость КПД от нагрузки такая же, как и для всех электрических машин.
Характерным отличием синхронных двигателей является постоянство частоты вращения при изменении нагрузки. Синхронные двигатели имеют предельно жесткие механические характеристики. [6, с. 432]
Одним из основных недостатков синхронных двигателей являются плохие пусковые свойства, которые ограничивают их применение. Пуск синхронных двигателей может быть частотным, при помощи разгонного двигателя или синхронные двигатели могут включаться на полное напряжение сети (асинхронный пуск). Наиболее распространенным является асинхронный пуск. Вследствие наличия короткозамкнутых контуров на роторе (демпферной обмотки, массивных полюсных наконечников) ротор разгоняется до частоты вращения, близкой к синхронной. Обмотка возбуждения при асинхронном пуске закорачивается на активное сопротивление. После подхода ротора к частоте вращения, близкой к синхронной ( s ≈ 0,05), обмотка возбуждения подключается к возбудителю и осуществляется грубая синхронизация машины.
Применяется также пуск с наглухо присоединенным возбудителем. В этом случае при частоте вращения, равной (0,5 ч 0,7) n ном, в обмотке возбуждения синхронного двигателя начинает протекать постоянный ток и машина втягивается в синхронизм. Пуск двигателя с наглухо присоединенным возбудителем сопровождается большими бросками токов и может осуществляться, если нагрузка не превышает (0,4-0,5) М ном. Однако схема пуска с наглухо присоединенным возбудителем более простая и находит все большее применение.
При тяжелых условиях пуска мощных синхронных двигателей применяется реакторный или автотрансформаторный пуск по схемам, рассмотренным для асинхронных двигателей.
При пуске синхронного двигателя с помощью разгонного двигателя синхронный двигатель доводится до почти синхронной частоты вращения. В качестве разгонного двигателя может использоваться асинхронный двигатель, имеющий большую, чем синхронный, синхронную частоту вращения или двигатель постоянного тока, если есть сеть постоянного тока. Пуск с помощью разгонного двигателя применяется редко, так как разгонный двигатель используется только при пуске. [6, с. 432]
При частотном пуске обмотка статора синхронного двигателя подключается к преобразователю частоты, который изменяет частоту от нескольких герц до номинальной частоты. При частотном пуске синхронный двигатель входит в синхронизм при малых частотах. Частотный пуск удобно использовать, если преобразователь частоты можно применять для пуска нескольких двигателей.
Сравнивая синхронные двигатели с асинхронными, следует отметить основное преимущество синхронных двигателей - возможность работать с cos φ = 1, а при перевозбуждении - и с опережающим cos φ
Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален U, а асинхронного – U2. Поэтому синхронные двигатели менее чувствительны к изменению напряжения сети и имеют большую перегрузочную способность. Регулирование потока возбуждения путем изменения тока возбуждения обеспечивает регулирование реактивной мощности при падении напряжения и уменьшении частоты сети.