Синхронный генератор и асинхронный двигатель

ВРАЩАЮЩИЕСЯ МЕХАНИЗМЫ

Система «Синхронный генератор и асинхронный двигатель», см. рис. 10.1.

Рис. 10.1. Синхронный генератор и асинхронный двигатель
на холостом ходу

Слева нарисован образ синхронного генератора, справа — асинхронного двигателя лебедки, поднимающей ящик с грузом. На этом рисунке ящик пустой, то есть двигатель работает на холостом ходу. Лебедка выбрана в качестве изображения источника постоянного момента (компрессор, якорный шпиль, брашпиль, момент этих и им подобных механизмов не зависит от частоты вращения). Вместо лебедки может быть гребной винт, вентилятор или циркуляционный насос, тогда момент будет зависеть от квадрата частоты вращения. В этом случае говорят, что потребитель имеет вентиляторную характеристику. Синхронный генератор —полнополюсный, чтобы не отвлекаться от главных процессов в системе. Все распределения магнитных потоков и токов считаются синусоидальными по окружности статора, что достигается специальными конструктивными методами (сокращение шага секции относительно полюсного шага, специальная форма полюсов ротора и др.).

Начнем с подробного описания процессов в асинхронном двигателе. К трехфазной обмотке, имеющей фазы А (окрашиваемой условно по правилам Российского Морского Регистра Судостроения — РМРС в желтый цвет, фазы В — в зеленый цвет, фазы С — в фиолетовый цвет). Для запоминания рекомендуется запомнить женское имя «Жозефина». На берегу фаза С окрашивается в красный цвет. Для запоминания рекомендуется запомнить более жесткое женское имя «Жозека». Фазы имеют начало, обозначенное буквой b (begin), и конец — e (end). Ротор асинхронного двигателя с короткозамкнутыми стержнями изображен внутри рисунка справа.

К статору асинхронного двигателя приложено трехфазное напряжение, которое в генераторе (слева) создается за счет вращения магнитного потока. Приводом вращения на рисунке изображен дизель. Напряжение уравновешивается ЭДС. Поэтому в статоре асинхронного двигателя должен образоваться вращающийся магнитный поток, а для его образования (поскольку имеется зазор между ротором и статором) должен пойти ток. Этот ток на рисунке асинхронного двигателя создает такой же, как и в генераторе, вращающийся магнитный поток (проверяется это с помощью правила «буравчика»). Справа по внешней окружности ток идет от нас, слева — к нам. Слева в генераторе этот ток будет обратного действия (согласно правилу рассмотрения контуров), он будет размагничивать ротор генератора. Справа ток генератора идет к нам, слева — от нас. Регулятор напряжения должен поддержать магнитный поток на прежнем уровне.

Ротор асинхронного двигателя «не должен» иметь ток, так как момент равен нулю. Следовательно, магнитный поток не должен пересекать стержни ротора. Поэтому ротор должен вращаться вместе с магнитным потоком, что и наблюдается на практике. В этом случае говорят о том, что ротор вращается с синхронной частотой вращения φ_r=φ.

Далее рассмотрим, что произойдет, если на валу электродвигателя создать момент — «загрузить ящик номинальным грузом», рис. 10.2.

Рис. 10.2. Синхронный генератор и асинхронный двигатель,
нагруженный постоянным тормозным моментом

Момент механический должен быть уравновешен моментом электромагнитным. Поэтому в роторе должен быть ток, который во взаимодействии с магнитным потоком создаст движущий момент «m». Следовательно, в роторе должен возникнуть ток. Причем для взаимодействия с магнитным потоком этот ток должен иметь поперечное направление и в верхней части ротора быть направлен на нас (проверяется с помощью правила левой руки). Ток в роторе должен быть таким, чтобы удовлетворялось соотношение равновесия моментов:

^.

Но чтобы этот ток имел место (при ограниченной проводимости стержней ротора асинхронного двигателя), в роторе должна образоваться ЭДС, а для этого ротор должен отстать от магнитного потока, чтобы магнитный поток скользил по ротору. Чем меньше проводимость меди стержней ротора, тем больше скольжение. Обычно при номинальном моменте скольжение равно 3%, то есть 1,5 герца. Но ток ротора, казалось бы, должен создать свой поперечный магнитный поток. Но этого, согласно принципу компенсации всех наведенных МДС, быть не может. Поэтому в статоре сразу же пойдет ток противоположного направления. Если сопоставить этот ток с напряжением, то он оказывается в фазе с напряжением сети. То есть это активный ток.

Активный ток пойдет в статор синхронного генератора с обратным направлением в верхней и нижней полуокружности. В верхней полуокружности ток пойдет «на нас», в нижней — «от нас». Но ток статора, казалось бы, должен создать свой поперечный магнитный поток вправо. Но этого, согласно принципу компенсации всех наведенных МДС, быть не может, так как должен остаться только магнитный поток, создающий противоэдс напряжению шин. Обратим внимание, что это напряжение шин А, В, С одинаковое как для синхронного генератора, так и для асинхронного двигателя. Значит, и магнитные потоки у них одинаковые. Чтобы компенсировать активный ток, статора ротор должен повернуться относительно магнитного потока на так называемый нагрузочный угол Ɵ.

Тогда появится МДС в поперечном направлении против МДС от активного тока статора. При этом на валу ротора синхронного генератора создастся момент, который будет действовать в другую сторону по отношению с направлением вращения. То есть активный ток статора создаст тормозной момент на валу дизеля. Благодаря регулятору частоты вращения дизеля он будет скомпенсирован движением рейки топливного насоса (как правило) внутрь корпуса топливного насоса высокого давления (ТНВД). Движение внутрь корпуса насоса сопровождается с увеличением подачи топлива на такт работы дизеля. Это и является причиной увеличения движущего момента на валу дизеля, приводящего к механическому равновесию. Когда наступит это равновесие, система генератор — двигатель перейдет в установившийся режим. Таким образом, положение рейки топливного насоса определяется моментом на валу асинхронного двигателя и не зависит от частоты вращения дизеля. Если двигателей много, то можно говорить о суммарном моменте потребителей.

Всю эту взаимосвязь необходимо «прочувствовать» на практических занятиях. Будем считать, что она усвоена, и это ускорит рассмотрение других систем.

Синхронный генератор и синхронный двигатель

Рис. 10.3. Синхронный генератор и синхронный двигатель на холостом ходе

На рис. 10.3 изображены две одинаковые синхронные машины. Разница только в том, что левая машина соединена с вращающим приводом — дизелем. Привод будем считать идеальным источником частоты вращения. Правая машина соединена с лебедкой, но в данном случае с пустым ящиком, то есть на холостом ходу.

Магнитный поток левой машины пересекает проводники статора, создавая ЭДС. ЭДС уравновешивается напряжением шин, которое должно, в свою очередь, уравновеситься ЭДС статора синхронного двигателя. Последнее может иметь место только в том случае, если ротор вращается с той же частотой и в фазе с магнитным потоком. Это и наблюдается на практике, когда синхронный двигатель включен в работу, то есть после синхронизации машин. Синхронизация машин рассматривается в других курсах. На холостом ходу никакого реактивного тока не требуется, так как обе машины в рабочем режиме создают одну и ту же ЭДС.

Нагрузим правую машину номинальным грузом и, следовательно, номинальным моментом (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Синхронный генератор и синхронный двигатель,
нагруженный номинальным моментом

Тормозной момент лебедки должен быть обязательно уравновешен движущим моментом синхронной машины. Но чтобы образовался движущий момент, ротор «должен» повернуться относительно магнитного потока на нагрузочный угол Ɵ. Что и наблюдается. От поворота появится МДС ротора mds_R, действующая в правую сторону в поперечном направлении. В соответствии с принципом компенсации наведенных МДС появится компенсирующая статора mds_S, действующая в левую сторону в поперечном направлении. Для образования компенсирующей МДС статора пойдет ток, который, как видим, будет в фазе с ЭДС и противофазе с напряжением левой машины. Он вызовет ответную МДС ротора, что может иметь место, если ротор правой машины развернется влево от оси основного магнитного потока. Что и наблюдается на практике.

Повороты роторов относительно оси основного магнитного потока несколько уменьшат МДС роторов в продольной оси. От этого напряжение несколько уменьшится. Обычно угол Ɵ не более 0,2 радиан. Таким образом, напряжение уменьшится до Cos 0,2_rad =0,98. То есть снизится на 2%. Это немного (меньше допустимой точности поддержания напряжения 3-5%). Если пожелать номинальное напряжение, то обычно поднимают токи возбуждения роторов двух машин так, чтобы реактивный ток оставался равным нулю.

Если токи возбуждения машин разные, то пойдет уравнительный ток, чтобы магнитные потоки были бы одинаковы. У той машины, где возбуждение больше, ток будет размагничивающий, индуктивный, соответственно, у другой машины ток будет намагничивающий, емкостной.