Синхронные машины. Раздел 4

4.1. Устройство и принцип действия
Синхронными называют электрические машины, в которых ротор вращается с той же скоростью, что и магнитное поле статора
Синхронная машина может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора

4.1. Устройство и принцип действия
Статор СМ точно такой же, как у асинхронных машин, представляет собой полый цилиндр с пазами, в которые уложена трехфазная обмотка.
Ротор представляет собой электромагнит (обмотка возбуждения, питаемая постоянным током, подключаемая к источнику с помощью контактных колец). Ротор может быть явнополюсным и неявнополюсным.

4.1. Устройство и принцип действия
Явнополюсный ротор
Часто имеет 2 пары полюсов. В силу конструкции менее прочный, поэтому применяется в машинах с большим числом пар полюсов и малой частотой вращения ротора (чаще всего в гидрогенераторах).

4.1. Устройство и принцип действия
Неявнополюсный ротор
Ротор имеет одну пару полюсов.
Конструкция прочная и может применяться при высокой частоте вращения (турбогенераторы ТЭС)
Любой ротор СМ должен иметь столько же пар полюсов, сколько имеет обмотка статора

4.1. Устройство и принцип действия
Принцип действия СГ.
Приведем ротор СГ во вращение и подключим к источнику обмотку возбуждения ротора, по обмотке потечет ток. Ток создаст магнитное поле ротора, вращающееся с той же скоростью, что и сам ротор.
Вращающееся поле наводит в обмотках статора ЭДС. Т.к. обмотки сдвинуты в пространстве на 1200, ЭДС в них будут отличаться по фазе также на 1200. В результате мы получили трехфазную ЭДС.

4.1. Устройство и принцип действия
Частота ЭДС равна частоте вращения ротора
Если подключить обмотки статора к приемнику, потечет ток статора. Если приемник симметричный, ток в фазах статора будет одинаков. Трехфазный ток создает вращающееся магнитное поле статора. Частота его вращения равна частоте вращения ротора.
Поля ротора и статора вращаются синхронно. В сумме они образуют результирующее магнитное поле СГ.

4.1. Устройство и принцип действия
Резистивная нагрузка
В0
Bа
Врез
Ось результирующего поля смещена относительно оси магнитного поля ротора на некоторый угол Θ (угол рассогласования);
возникает тормозной электромагнитный момент, который тем больше, чем больше ток нагрузки
в СГ магнитное поле ротора является ведущим (в СД – наоборот)

4.1. Устройство и принцип действия
Емкостная нагрузка
В0
Bа
Врез
угол рассогласования равен нулю;
тормозной момент не создается;
результирующее магнитное поле больше поля ротора.
Индуктивная нагрузка
В0
Bа
Врез
угол рассогласования равен нулю;
тормозной момент не создается;
результирующее магнитное поле меньше поля ротора.

Активно-реактивная нагрузка
В0
Bа
Врез
Активно-емкостная
Активно-индуктивная
активная
Врез
Врез
Тормозящий момент СГ зависит от величины результирующего поля и синуса угла рассогласования!
Реактивная нагрузка приводит к появлению реактивной мощности (изменению поля СГ), но не приводит к появлению момента сопротивления СГ.
Активная нагрузка (появление активной мощности) приводит к появлению момента сопротивления.

4.1. Устройство и принцип действия
Выводы:
При подключении нагрузки изменяется магнитное поле СГ.
Чем больше активная мощность потребляемая от СГ, тем больше угол рассогласования и тормозной момент и тем выше должен быть момент вращения приводного двигателя.
При потреблении реактивной мощности тормозной момент не возникает, угол рассогласования равен нулю, изменяется лишь величина результирующего поля СГ.

4.1. Устройство и принцип действия
Принцип действия СД
Статор подключается в трехфазной сети, т.о. создается вращающееся магнитное поле статора.
Пусть ротор вращается с частотой, равной частоте вращения поля статора, обмотка возбуждения ротора подключена к источнику и создает постоянное поле возбуждения ротора.
Если нет трения, то угол рассогласования будет равен нулю, вращающий момент отсутствует.
Создадим тормозной момент. Частота вращения ротора должна снижаться, при этом растет угол рассогласования и увеличивается вращающий момент. При моменте вращения, равном тормозному моменту, угол рассогласования перестанет увеличиваться, ротор продолжит вращаться с частотой вращения поля статора, СД перейдет в новый установившийся режим.

4.1. Устройство и принцип действия
СД автоматически создает момент вращения, равный моменту сопротивления;
Чем больше момент сопротивления, тем больше угол рассогласования, тем больший активный ток потребляет СД.
Ток возбуждения ротора не влияет на величину момента СД, он влияет лишь на величину результирующего поля СД (а, следовательно, на реактивную мощность, потребляемую СД).

4.2. Схема замещения и уравнение электрического состояния обмотки статора СГ
Обозначения:
Е0 – ЭДС, наводимая в обмотке статора вращающимся полем ротора;
Еσ – ЭДС, наводимая потоком рассеяния вращающегося поля статора
Еа– ЭДС, наводимая в обмотке статора основным полем статора (проходящим через ротор)
Еσ и Еа зависят от тока статора, Е0 – зависит от тока возбуждения ротора

4.2. Схема замещения и уравнение электрического состояния обмотки статора СГ
ЭДС самоиндукции Еа можно заменить падением напряжения на индуктивном сопротивлении обмотки статора Х
Уравнение электрического состояния обмотки статора:

4.3. Момент и угловая характеристика СМ
Ia – активная составляющая тока статора
Ф – поток ротора

4.3. Момент и угловая характеристика СМ

Работа СГ в мощной энергосистеме
4.4. Мощная энергосистема
Энергосистема – это множество электрических станций и потребителей, объединенных общей сетью.
Частота и напряжение в энергосистеме постоянны, ее можно представить в виде идеального генератора бесконечно большой мощности.

4.4. Мощная энергосистема
U = const, f = const независимо от режима работы СГ

4.5. Включение СГ на параллельную работу с сетью
При включении генератора в энергосистему не должно возникать бросков тока статора и момента. Поэтому во всех фазах мгновенное значение ЭДС генератора должно равняться мгновенному значению напряжения сети.
Условия синхронизации:
Равенство ЭДС генератора E0 и напряжения сети U.
Равенство частот ЭДС генератора и сети.
Последовательность чередования фаз СГ и сети должны совпадать.
ЭДС СГ и напряжение сети должны совпадать по фазе.

Регулирование мощности синхронного генератора, работающего в сети
У автономно работающего генератора мощность определяется нагрузкой и никак не регулируется
У СГ, включенного в сеть нет какой-либо определенной нагрузки. Все генераторы питают всю совокупность приемников. Суммарная мощность приемников (активная и реактивная) должна равняться суммарной генерируемой всеми СГ мощности. За этим смотрит диспетчер, перераспределяя между разными СГ (реально, ТЭЦ, АЭС, ГЭС) активную и реактивную вырабатываемые мощности.
Характер мощности, отдаваемой СГ в сеть можно определить по векторам тока и напряжения сети
Iа
Iр
U
Напряжение сети U постоянно. Поэтому менять мощность мы можем, изменяя ток статора СГ.
Для этого мы можем изменять ток возбуждения ротора (меняется магнитное поле ротора и ЭДС Е0 и реактивная мощность) или момент турбины (при постоянной частоте изменение момента должно вызвать увеличение момента сопротивления, что при постоянном магнитном поле ротора ведет к изменению потребляемого активного тока статора).

4.6. Регулирование активной мощности при работе СГ с сетью
Активная мощность СГ регулируется моментом турбины и не зависит от электрических параметров сети и приемников.
Предел увеличения мощности: θ = 900, М = Мmax. При θ > 900 СГ выпадает из синхронизма!
На практике поддерживают θ < 300
При включении СГ в сеть E0 = U
U
E0
U
E0
Увеличим момент турбины: вырастет угол рассогласования
jX⋅I
I
Изменение момента турбины приводит к изменению активной и реактивной мощностей

4.7. Регулирование реактивной мощности при работе СГ с сетью. V-образные характеристики
Рассмотрим СГ, работающий в сети при постоянном моменте турбины (постоянной активной мощности) и построим диаграммы для трех значений тока возбуждения ротора.

Регулирование реактивной мощности
Ток Iр2 такой, что выполняются условия согласования СГ с сетью
U
E0
Р = 0, Q = 0
Ток Iр1 < Iр2 : E01 < E02
U
E0
jXI
I
Р = 0, Q < 0
Ток Iр2 < Iр3 : E01 < E02
U
E0
jXI
I
Р = 0, Q < 0

4.7. Регулирование реактивной мощности при работе СГ с сетью. V-образные характеристики
U = const
I⋅ cosφ = const (т.к. Р = сonst),
E0⋅ sinθ = const (т.к. Р = сonst)
При изменении тока возбуждения ротора:
меняется величина и фаза тока статора
меняется знак и значение реактивной мощности
активная мощность остается постоянной
существует такой ток возбуждения ротора, при котором ток статора минимален
Пусть при Iв = Iв2, мощность CГ чисто активная.

4.7. Регулирование реактивной мощности при работе СГ с сетью. V-образные характеристики
V – образные характеристики
При малых токах возбуждения ротора реактивная мощность СГ имеет емкостной характер, при больших - индуктивный
При P > 0 и малых токах возбуждения возможен выход СГ из синхронизма

4.7. Регулирование реактивной мощности при работе СГ с сетью. V-образные характеристики
Регулирование реактивной мощности изменением тока возбуждения ротора возможно только для СГ, работающего в сети!
Автономный СГ
При автономной работе регулирование тока возбуждения ведет к изменению напряжения на приемнике, активная и реактивная мощности, отдаваемые СГ при автономной работе зависят только от приемника!
Регулирование тока возбуждения используют для поддержания постоянного напряжения на нагрузке.
Момент и частота автономного СГ зависит от нагрузки. Чтобы избежать этого явления автономные СГ снабжают автоматическим регулятором момента.

4.8. Уравнение электрического состояния и схема замещения фазы статора СД

4.9. Механическая характеристика и активная мощность СД
Частота СД, работающего с сетью, не регулируется!
n
М
Предел саморегулирования – граница устойчивости СД в синхронизме. Момент нагрузки не должен превышать максимального момента СД.

4.9. Механическая характеристика и активная мощность СД
Активная мощность СД
Активная мощность СД зависит только от нагрузки! Мы не можем ее регулировать!
При увеличении Мс увеличивается угол рассогласования и Мвр (свойство саморегулирования СД). При больших Мс СД может выпасть из синхронизма. Чтобы этого не происходило, повышают ток возбуждения ротора.

4.10. Регулирование реактивной мощности СД
Реактивная потребляемая СД из сети мощность регулируется током возбуждения ротора (как в СГ)
При Р = const и U = const:
I⋅ cosφ = const, E0⋅ sinθ = const

4.10. Регулирование реактивной мощности СД
При малом токе возбуждения потребляемая мощность носит индуктивный характер, при большом – емкостной
Обычно СД работает с перевозбуждением, чтобы улучшить коэффициент мощности энергосистемы (такой СД, работающий без нагрузки на валу называется синхронным компенсатором)