Синхронные Электрические машины

June 22, 2013 by admin Комментировать »

Возможно, простейшим и в то же время наиболее важным классом электрических машин являются синхронные двигатели и генераторы. В генераторах вращающееся магнитное поле создается обмоткой возбуждения, расположенной на роторе и питаемой постоянным током. Это магнитное поле создает переменное напряжение на обмотках статора. Обмотки статора располагают так, чтобы вращающееся магнитное поле генерировало синусоидальное напряжение или (в трехфазных генераторах) три синусоидальных напряжения. В двигателях используется обратный процесс: на обмотки статора подается трехфазное переменное напряжение, а с ротора снимается вращающий момент.

На Рис. 8.3 приведена векторная диаграмма для синхронной машины. В ней не учтено сопротивление обмоток статора, но оно обычно на практике играет незначительную роль. Имеются следующие переменные:

Когда выводы статора генератора замкнуты накоротко, ток достигает намного больших значений, чем в стационарном состоянии. В момент ко-

Реактансы X& и Xq являются результатом утечек и взаимной индуктивности обмоток и зависят от угла между ротором и фазовыми обмотками. Эта векторная диаграмма описывает стационарное состояние машины.

роткого замыкания магнитное поле захватывается индуктивностью рассеяния обмоток, что приводит к резкому уменьшению реактанса по сравнению с его значением в стационарном режиме. Первоначальный реактанс называется сверхпереходнъш и прикладывается по обеим осям, прямой и квадратурной, создавая X"D и X"g. Позже магнитное поле изменяется, ток уменьшается, и характеристики определяются переходными реактансами Xо и Х’ц. В конце ток уменьшается до значения, определяемого синхронным реактансом XD. В дополнение к переменной компоненте тока имеет место и постоянный ток смещения, который спадает по экспоненциальному закону. Его пиковое значение может достигатьот средне

квадратичного значения сверхпереходного синусоидального тока, а максимальное среднеквадратичное значение тока за полпериода определяется формулойОднако для выбора              тока       срабатывания    автома

тического выключателя чаще используется коэффициент 1.6, чем 1.732, в расчете на быстрое спадание тока.

Сверхпереходные реактансы играют важную роль в силовой электронике. Выпрямитель или преобразователь, работающий от синхронного генератора, должен передавать ток в нагрузку последовательно от фаз входного напряжения. Этот процесс коммутации описан в последующих главах, а здесь достаточно отметить, что генератор подвергается воздействию повторяющихся коротких замыканий между фазами, причем длительность каждого замыкания составляет несколько электрических градусов. Следовательно, реактанс при коммутации является сверхпереходной величиной и обычно представляется средним значением между X’D и Х"ц. Технически напряжение, при котором происходит коммутация, должно быть напряжением, возникающим после сверхпереходного реактанса. На практике, однако, этот рост напряжения относительно мал, и в большинстве расчетов характеристик преобразователей можно использовать напряжение на выводах. Наибольшая ошибка будет при больших токах и больших углах сдвига фаз напряжения и тока, когда коэффициент мощности близок к нулю.

Положение ротора относительно магнитного поля статора в синхронных машинах изменяется в зависимости от нагрузки, как механической, так и электрической. На Рис. 8.4 показаны эти процессы в генераторе и двигателе. В генераторе момент вращения, приложенный к валу, должен быть увеличен, если увеличивается мощность, отдаваемая в нагрузку. Это вызывает увеличение угла опережения 5 положения ротора по отношению к полю, создаваемому статором. В двигателях процесс противоположный, и ротор отстает от поля на увеличивающийся угол при возрастании нагрузки вала. В обеих машинах предельным является угол 90°. Превышение этого угла вызывает проскальзывание полюсов, и ротор не сможет вращаться синхронно с магнитным полем статора. Длительное проскальзывание полюсов создает предпосылки для серьезной аварии. Типичными причинами, вызывающими проскальзывание полюсов, являются короткое замыкание для генератора и перегрузка по вращающему моменту для двигателя.

Рис. 8.4. Углы сдвигамеждуротором и полем в генераторе и двигателе

Для запуска синхронного генератора просто требуется раскрутить его ротор до нужной скорости вращения соответствующим механическим приводом, подать ток в обмотку статора и подключить нагрузку. В случае, если генератор должен быть подключен к уже работающей сети, еще надо синхронизовать частоту и фазу выходного напряжения генератора и сети. Запуск синхронного двигателя ненамного сложнее. Большинство синхронных двигателей имеют вспомогательные обмотки на статоре, так называемые успокоительные обмотки, которые препятствуют возникновению колебаний скорости вращения при изменении нагрузки двигателя. Эти обмотки позволяют запускать мотор как асинхронный двигатель, без тока для создания магнитного поля. Большие двигатели часто запускают при уменьшенном напряжении, что осуществляется с помощью автотрансформаторов или тиристорных пускателей и позволяет удерживать значение пускового тока в приемлемых пределах. Магнитное поле статора подается тогда, когда скорость вращения вала двигателя почти достигнет скорости при синхронном управлении. Если двигатель предназначен для работы с изменяемой частотой питающей цепи, то его запуск осуществляют при включенных обмотках статора с частотой, близкой к нулю, а затем разгоняют путем увеличения частоты до требуемой скорости вращения. В более сложных схемах управления осуществляется определение положения ротора при подаче маленького возбуждающего поля и контролируются индуцируемые напряжения на обмотках статора. Затем происходит подстройка фазовых углов, обеспечивающая при запуске как исключение резких изменений вращающего момента, так и возникновение вращения в обратную сторону.

Современные схемы управления с изменяемой частотой питающей цепи позволяют заменить синхронными двигателями множество больших двигателей постоянного тока, используемых, например, в сталепрокатном производстве, где требуется быстрое изменение направления вращения валов. В современных схемах обеспечиваются переходные значения вращающего момента, в несколько раз большие, чем в стационарном режиме. При этом автоматически определяется угол отставания ротора от поля и поддерживается безопасная граница до начала проскальзывания полюсов.

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты