14.Cинхронные машины

Втеме 14 рассматриваются вопросы, входящие в шестой раздел рабочей программы. Для изучения данной темы следует иcпользовать материал темы 14.

Эти вопросы также разобраны в [1], [2], [5].

Обратите особое внимание на ключевые моменты этой темы, которыми являются:

1)устройство синхронных машин;

2)характеристика холостого хода;

3)внешние характеристики синхронного генератора;

4)включение синхронного генератора на параллельную работу;

5)пуск в ход синхронных двигателей.

14.1.Устройство и принцип действия

Синхронные машины широко применяются в энергетике как электрические генераторы и двигатели преимущественно большой мощности. Практически все генераторы электрической энергии являются синхронными генераторами.

Мощность современных крупных генераторов составляет десятки и сотни тысяч киловольт-ампер. Синхронные машины, как и все электрические машины, обратимы, т. е. они могут работать как генераторами, так и двигателями.

У синхронной машины частота вращения находится в строго постоянном соотношении с частотой сети.

Эта зависимость может быть представлена следующим выражением:

n1 = f1 / p,

где n1 – частота вращения ротора (об/мин), равная синхронной частоте магнитного поля статора, f1 – электрическая частота сети, p – число полюсов машины.

Синхронные машины, применяемые в качестве генератора, обычно соединяются с первичными двигателями непосредственно, без промежуточных редукторов. Первичным двигателем для мощных синхронных генераторов служат гидротурбины, паровые и газовые турбины и относительно редко двигатели внутреннего сгорания.

Синхронная машина является машиной переменного тока; устройство ее статора, который здесь называется якорем, принципиально не отличается от устройства статора асинхронной машины. Существенные отличия имеются только в машинах большой мощности. Ротор представляет собой электромаг-

190

нит, обмотка которого питается постоянным током. Два конца этой обмотки выводятся на контактные кольца, укрепленные на валу машины и вращающиеся вместе с ротором. Постоянный ток подводится к ротору извне через неподвижные щетки, скользящие по контактным кольцам.

Существуют две различные конструкции ротора синхронной машины – явнополюсная и неявнополюсная.

Для получения большой намагничивающей силы полюсов при относительно небольшом токе обмотки роторов делают с большим числом витков. Постоянный ток для питания обмотки возбуждения может подводиться от небольшого генератора постоянного тока, вращающегося вместе с ротором или приводимого отдельным двигателем. Нередко постоянный ток получают от выпрямительной установки.

Здесь мы рассмотрим только основные характеристики синхронных машин. Более подробное описание электромеханических процессов можно посмотреть, например, в [1,2, 5].

14.2. Характеристика холостого хода

При холостом ходе ток якоря равен нулю. Характеристикой холостого хода синхронной машины является зависимость между напряжением (ЭДС) якоря и током возбуждения ротора при постоянной частоте сети f и частоте вращения n. Ток возбуждения IВ, поступающего в цепь ротора от источника постоянного тока, регулируется от нуля до некоторого максимального значения. Это позволяет изменять магнитный поток ротора Ф в широких пределах, т. е. получать различную величину ЭДС статора, так как она пропорциональна магнитному потоку ротора.

На рис. 14.1 представлена характеристика холостого хода.

U0 Ф0

Рис. 14.1

191

14.3. Внешние характеристики синхронного генератора

Внешняя характеристика показывает, как изменяется напряжение U на обмотках якоря при изменении тока нагрузки (якоря) I и неизменном токе возбуждения IВ .

На рис. 14.2 представлены внешние характеристики синхронного генератора при различных характерах нагрузки. Каждая кривая (рис. 14.2) относится к случаю, когда при изменении нагрузки cosφ остается постоянным.

Относительное изменение напряжения генератора при номинальном токе IH равно

где U0 – напряжение при холостом ходе; UH – напряжение при номинальном токе.

Изменение напряжения сравнительно велико и доходит до нескольких десятков процентов. Однако напряжение можно сделать стабильным, если при изменении тока нагрузки одновременно изменять магнитный поток ротора, регулируя ток IB возбуждения машины. Это подтверждают регулировочные характеристики, представленные на рис. 14.3.

IB

cosφ = 1

IB0

cosφ = 0,8 (емк.)

Рис. 14.3

192

14.4. Включение синхронного генератора на параллельную работу

На электростанциях, как правило, имеются несколько синхронных генераторов, включаемых параллельно и совместно работающих на одну сеть.

Перед включением генератора на параллельную работу необходимо выполнить ряд операций, называемых синхронизацией. Условия синхронизации заключаются в следующем:

напряжение включаемого генератора должно быть равно напряжению сети или уже работающего генератора;

частота генератора должна равняться частоте сети;

чередование фаз генератора и сети должно быть одинаково;

напряжения генератора и сети должны быть в фазе.

Выполнение всех этих условий входит в задачу управления электроприводом синхронных генераторов.

14.5. Пуск в ход синхронных двигателей

Пуск в ход синхронного двигателя обычного исполнения путем непосредственного включения в сеть невозможен. В момент включения двигателя в сеть ротор неподвижен. За время действия механической силы на ротор, возникающей от действия вращающего магнитного поля якоря, ротор, в силу свей механической инерции, не сдвинется с места. При вращении магнитного поля ротор будет находиться под действием кратковременных знакопеременных толчков. Пуск синхронных двигателей возможен лишь при условии, что предварительно будет произведен разгон ротора до скорости, равной синхронной или близкой к ней.

Для синхронных двигателей обычно применяют асинхронный пуск в ход, состоящий в том, что в начале пуска двигатель разгоняется как асинхронный. Для этого ротор снабжается короткозамкнутой обмоткой, подобно короткозамкнутой клетке асинхронного двигателя. В процессе пуска перед включением якоря в трехфазную сеть обмотка возбуждения, т. е. обмотка ротора замыкается на сопротивление; постоянный ток в эту обмотку пока не подается. Затем включается обмотка якоря и возникает вращающееся магнитное поле. Оно индуктирует токи в пусковой клетке ротора, и двигатель разгоняется до некоторой установившейся скорости n, немного отличающейся от скорости вращения магнитного поля.

193