Синхронные машины

1. В теории синхронных машин важное место отводится работе синхронной машины, присоединенной к сети, которая питается мощным генератором. Исходят из предложения, что общая мощность генератора несоизмеримо велика по сравнению с мощностью синхронной машины (сеть большой мощности). В соответствии с этим считают, что любое изменение режима работы рассматриваемой машины не в состоянии оказать заметного влияния на электрическое состояние сети, которое можно, следовательно, считать неизменным.

2. Синхронная машина, присоединенная сети, может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. В обоих режимах вращения ротора происходит с синхронной частотой без каких-либо устройств для поддержания синхронизма.

3. Изучение процессов, происходящих в синхронной машине, можно существенно облегчить. Если воспользоваться механической моделью. Трехфазная система токов в обмотке якоря создает вращающее магнитное поле. Это поле может быть заменено полюсной системой, скользящей вдоль внутренней поверхности статора с постоянной угловой скоростью, равной частоте вращения магнитного поля. Две вращающиеся полюсные системы – ротора и воображаемая, эквивалентная вращающему магнитному полю – статора, неподвижны одна относительно другой. Между ними возникают силы магнитного притяжения, которые могут быть уподоблены упругим связям, соединяющим обе системы. Благодаря этим связям достигается синхронность вращения ротора и магнитного поля.

4. В случае повышения известного предела нагрузки машины происходит разрыв упругих связей. В результате частота вращения ротора становится не зависящей от частоты вращения магнитного поля. Это явление называется выпадением из синхронизма. Работа синхронной машины в таком режиме невозможна.

5. Упругие связи между двумя вращающимися полюсными системами могут появиться только в случае, если обе системы вращаются синхронно, а их полюсы расположены надлежащим образом: N – полюс одной системы против другой S – полюса другой системы. По этой причине пуск синхронного двигателя не может быть произведен прямым включением в сеть. Синхронный двигатель пускается как асинхронный и только после достижения ротором частоты вращения, близкой к синхронной, переводится в синхронный режим. Усложнение процесса пуска является существенным недостатком синхронного двигателя.

6. Очень важную роль в синхронной машине играет реакция якоря, т.е. воздействие магнитодвижущей силы якоря на основное магнитное поле, создаваемое МДС возбуждения ротора. Магнитный поток создается магнитодвижущей силой, которая складывается из МДС обмотки возбуждения и МДС обмотки якоря. Для неизменности амплитудного значения магнитного потока необходимо, чтобы результирующая магнитодвижущая сила также оставалась неизменной. Всякое изменение тока в обмотке возбуждения ротора влечет за собой изменение значения и фазы тока в обмотке якоря и соответственное изменение МДС обмотки якоря. В частности, если вследствие увеличения тока в обмотке возбуждения ЭДС якоря станет (по модулю) больше, чем напряжение сети (“перевозбуждение”), то синхронная машина, работающая в режиме двигателя, принуждена к потреблению из сети тока, опережающего по фазе напряжение сети. Иначе говоря, синхронный двигатель в этих условиях представляет собой активно-реактивную нагрузку.

Контрольные задачи

Задача 4.1. Трехфазный синхронный двигатель характеризуется следующими номинальными величинами: мощность Р_Н; частота вращения n; КПД η_Н; коэффициент мощности cosφ = 0,9 (φ<0). Соединение фаз обмотки коря (статора) по схеме «звезда». Линейное напряжение в питающей сети U_Л; частота 50 Гц. Двигатель приводит во вращение компрессор, развиваю мощность, равную номинальной. Ток в обмотке возбуждения установлен при этом так, что ЭДС Е₀ = 1,4 U_Ф, где U_Ф – фазное напряжение обмотки якоря. Определить число пар полюсов ротора и номинальный ток в фазе обмотки якоря. Построить для заданного режима работы двигателя векторную диаграмму, пренебрегая активным сопротивлением обмотки якоря. Исходя из построенной векторной диаграммы, определить значение угла сдвига фаз (между векторами b ) при заданном режиме работы, падение напряжения в обмотке якоря и синхронное индуктивное сопротивление обмотки якоря. Задаваясь значение Е₀, равным 0,8; 1,2; 1,6; 1,8; U_Ф, и считая нагрузку двигателя неизменной, построить соответствующие векторные диаграммы и определить из них значения тока и угла сдвига фаз φ. Пользуясь приведенной в таблице характеристикой холостого хода Е₀ (I_В), данной в процентах от соответствующих значений номинального режима, и принимая ЭДС Е₀ = 1,4U_Ф за номинальное значение (100%), определить процентное значение тока возбуждения для значений Е₀, указанных выше.

Построить кривые зависимости тока якоря и угла φ от тока возбуждения (выраженного в процентах).

Задача 4.2. Установленные на предприятии трехфазные асинхронные двигатели потребляют суммарную активную мощность при среднем значении коэффициента мощности cosφ₁. Напряжение (линейное) в питающей сети U_Л. Мощность потерь в питающих проводах составляет в этих условиях 0,1Р. Для снижения потерь в питающих проводах часть асинхронных двигателей заменяется синхронными, работающими в режиме перевозбуждения. В результате, среднее значение коэффициента мощности предприятий повышается до cosφ₂ (φ₂>0). Активная мощность, приходящая на долю синхронных двигателей, составляет m% от Р, причем значение Р остается в сумме неизменным. Определить: а) ток в линейных проводах питающей сети до установки синхронных двигателей и после нее; б) реактивную мощность, потребляемую синхронными двигателями; в) ток, потребляемый синхронными двигателями; г) годовую экономию энергии в питающих проводах (при двухсменной работе, установленном числе часов работы в смену и числе рабочих дней в году). Построить векторную диаграмму (для одной фазы).