Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Тема Електричні машини змінного струму Урок Синхронні двигуни. Пуск та режим роботи синхронних двигунів

Скачати 66.57 Kb.

Тема Електричні машини змінного струму Урок Синхронні двигуни. Пуск та режим роботи синхронних двигунів




Скачати 66.57 Kb.
Дата конвертації22.04.2017
Розмір66.57 Kb.

Тема 8. Електричні машини змінного струму

Урок 8.2.

Електр́ична маш́ина - електромеханічний пристрій для перетворення механічної енергії на електричну чи електричної на механічну, або електричної енергії одного роду чи з одними параметрами на електричну енергію іншого роду або з іншими параметрами.

Змі́нний струм - електричний струм, сила якого періодично змінюється з часом.

Синхронні двигуни. Пуск та режим роботи синхронних двигунів

Синхронна машина має властивість зворотності, тобто може працювати як у режимі генератора, так і у режимі двигуна, а це значить, що конструкції синхронного генератора і синхронного двигуна є однаковими.

Конструкція синхронної машини. Синхронна машина є машиною змінного струму. Тому вона має дві основні частини: ротор (частина, що обертається) і статор (нерухома частина). 

Конструкція статора синхронної машини принципово не відрізняється від конструкції статора асинхронного двигуна.

Асинхро́нна маши́на (грец. α - не і συγχρονος - одночасний) - електрична машина змінного струму, у якої швидкість обертання ротора не дорівнює швидкості обертання магнітного поля статора (асинхронна).

 

Конструкція ротора синхронної машини суттєво відрізняється від конструкції ротора асинхронного двигуна. Ротор синхронної машини являє собою електромагніт, який живиться постійним струмом. Для цього два кінці обмотки ротора виводяться на контактні кільця, розташовані на валу ротора. Постійний струм до контактних кілець ротора підводиться за допомогою щіток.  Існує дві конструкції ротора синхронної машини: явнополюсний ротор та неявнополюсний ротор. На рис. 5.41,а подано конструкцію явнополюсного (чотириполюсного) ротора, на рис. 5.41,б – неявнополюсного (двополюсного) ротора.
У режимі двигуна обмотка ротора синхронної машини збуджується постійним струмом. Обмотка статора підключена до джерела трифазного струму, тому навколо неї створюється магнітне поле, що обертається (рис. 1).

Конта́ктні кі́льця ( англ. contact ring, slip ring) іноді струмознімач - вид електричних контактів, виконаних у вигляді струмопровідного кільця з прилеглими до нього щітками, що забезпечують подачу електрики в обертовій електричній машині з однієї частини кола в іншу за допомогою ковзного контакту.

Трифа́зний струм - змінний струм у електричному колі, сконструйованому таким чином, щоб у трьох лініях коливання сили струму відбувалися із зсувом фази на 2 π / 3 . Трифазний струм широко використовується в системах промислового і побутового електропостачання.

 

Рис. 1 – Принцип дії трифазного синхронного двигуна


Якщо збуджений ротор є нерухомим, то на кожний з полюсів ротора (вони мають велику інерційність) буде діяти обертове поле статора, сила якого спрямована то в одну, то в іншу сторону (залежно від напівперіоду). У зв’язку з цим результуючий за період обертаючий момент буде дорівнювати нулю. Тому ротор синхронного двигуна не може почати обертатися самостійно, що є істотним недоліком синхронного двигуна.

Якщо збуджений ротор синхронного двигуна розкрутити до швидкості, рівної номінальній, а потім підключити статор у мережу трифазного струму (за відповідного розташування полюсів), то різнойменні полюси ротора і статора будуть притягатися один до одного, у результаті чого ротор почне обертатися із синхронною швидкістю.

За збільшення навантаження на валу ротор дещо загальмується, проте швидкість обертання його залишиться незмінною – синхронною.

Синхронні двигуни застосовуються в механізмах, де необхідна постійна швидкість обертання (наприклад, для привода потужних насосів і повітродувок). 

Основною характеристикою синхронного двигуна є U-подібна характеристика – залежність сили струму статора (якоря) І1 від сили струму збудження І2І1 = f (І2).

Си́ла електри́чного стру́му (сила струму або просто струм) - кількісна характеристика електричного струму в провіднику, скалярна величина I = Δ q Δ t }} , яка відповідає кількості заряду ( Δ q ), що проходить через перетин провідника за час Δ t , розділеному на цей проміжок часу.

Зразковий вид U-подібної характеристики для різних гальмуючих моментів на валу ( M1 = 0, MM3) подано на рис. 2. 

З U-подібної характеристики синхронного двигуна видно, що за деякої сили струму збудження (номінальне збудження) сила струму у статорі двигуна є найменшою, що відповідає коефіцієнту потужності двигуна cosφ, рівному одиниці.

Коефіціє́нт поту́жності - безрозмірна фізична величина, що характеризує споживача змінного електричного струму з точки зору наявності в навантаженні реактивної складової. Коефіцієнт потужності показує, наскільки зсувається по фазі змінний струм, що протікає через навантаження, щодо прикладеного до нього напруги.

За зменшення сили струму збудження проти номінального (недозбудження) сила струму у статорі збільшується, тобто коефіцієнт потужності зменшується (індуктивне навантаження). За збільшення сили струму збудження проти номінального (перезбудження) сила струму статора збільшується, а коефіцієнт потужності стає негативним (ємнісне навантаження). Ця властивість синхронних двигунів використовується для підвищення коефіцієнта потужності електричної мережі.

Електрична мережа (мережа живлення, електромережа) - взаємозв'язана мережа, призначена для постачання та розподілу електричної енергії від постачальників до кінцевих споживачів. Вона складається з генеруючих станцій, високовольтних ліній електропередач та розподільчих ліній, які доставляють енергію до розподільчих пристроїв підстанцій, ввідних пристроїв, ввідно-розподільчих пристроїв, та головних розподільчих щитів.





Рис. 2 – Зразковий вид U-подібної характеристики синхронного двигуна
Також для синхронного двигуна будують робочі характеристики:

  • залежність швидкості обертання вала ротора n2 від корисної потужності на валу P2n2 = f (P2);

  • залежність обертального моменту на валу M від корисної потужності на валу P2:  M = f (P2);

    Крутний моме́нт (рос. момент вращательный, момент крутящий; англ. torque; нім. Drehmoment n) - момент внутрішніх сил у перерізі об'єкта відносно заданої осі, нормальної щодо площини перерізу, що характеризує обертальний ефект сили при дії на тверде тіло, як наприклад, на обертовий вал.



  • залежність сили струму I1, що споживається двигуном, від корисної потужності на валу P2I1 = f (P2);

  • залежність  коефіцієнта  потужності  cosφ1 від  корисної  потужності на валу P2: cosφ1 = f (P2);

  • залежність ККД  η  від корисної потужності на валу P2: η = f (P2).

Зразковий вид робочих характеристик синхронного двигуна подано на рис. 3.



Рис. 3 – Зразковий вид робочих характеристик синхронного двигуна

Умовні позначення синхронних машин на електричних схемах приведено на рис. 4.

Електри́чна схе́ма - це технічний документ, що містить у вигляді умовних графічних зображень чи позначень інформацію про будову виробу, його складові частини та взаємозв'язки між ними, дія якого ґрунтується на використанні електричної енергії.




Рис. 4 – Умовні позначення на електричних схемах синхронних машин:  
а – з неявнополюсним ротором, б – з явнополюсним ротором

Способи пуску синхронного електродвигуна. Пуск у хід синхронного двигуна шляхом безпосередньо вмикання в мережу не можливий. Пуск синхронного двигуна можливий лише за умови, що попередньо ротор буде розкручений стороннім двигуном до швидкості, близької до синхронної.

Найбільш широко застосовується асинхронний пуск синхронного двигуна. Схему пуску приведено на рис. 5. 


 

Рис. 6 – Схема асинхронного пуску синхронного двигуна

1 – обмотка збудження; 2 – короткозамкнена обмотка ротора; 3 – обмотка статора; 4 – рубильник; 5 – опір; 6 – перемикач; 7 – збудник (генератор постійного струму)


У випадку асинхронного пуску синхронного двигуна синхронний двигун виготовляється з додатковою короткозамкненою обмоткою 2 на зразок "білячого колеса", причому ця обмотка укладається у спеціальні пази, розташовані в полюсних наконечниках ротора. Після вмикання обмотки статора 3 у мережу у двигуні виникає обертове магнітне поле, що викликає в короткозамкненій обмотці 2 ротора струми. Ці струми створюють обертальний пусковий момент, як в асинхронному трифазному двигуні, і ротор починає обертатися. Коли ротор синхронного двигуна почне обертатися зі швидкістю, близькою  до синхронної,  його обмотку збудження 1 включають на постійний струм, тобто збуджують двигун, і він, як говорять, сам "впадає в синхронізм" – починає обертатися із синхронною швидкістю. При пуску обмотка збудження повинна замикатися на особливий опір 5, щоб уникнути наведення в ній великих ЕРС, небезпечних для ізоляції обмотки.

Зупинення синхронного двигуна починається зі встановлення струму збудження, що відповідає мінімальному струму статора (cosφ = 1), потім вимикають обмотки статора, а вже після цього розмикають коло збудження. Інший порядок зупинки є не припустимим.



Робота синхронного двигуна в режимі компенсатора. Синхронний компенсатор – це синхронний двигун, що працює без навантаження і служить для підвищення коефіцієнта потужності cosφ та, відповідно, підвищення ККД електростанцій.

При роботі синхронних двигунів швидкість обертання вала є постійною, а зміна струму в обмотці збудження приводить лише до зміни струму, що споживається обмоткою статора двигуна. Пояснімо це математично.

Активна електрична потужність, що споживається синхронним двигуном, визначається за формулою (7).

Потужність електричного струму - фізична величина, що характеризує швидкість передачі або перетворення електричної енергії. Одиницею вимірювання потужності в CI є ват (Вт, W).

За постійних потужності P1 = const та напруги U1 = const  зміна сили струму Iможе відбуватися тільки за рахунок зміни cosφ1. Таким чином, за зміни сили струму збудження I1 синхронного двигуна змінюється його коефіцієнт потужності cosφ1.

Синхронний   двигун  у   режимі  компенсатора   працює   в  режимі  перезбудження  ( cosφ < 0) для компенсації індуктивної складової струму, яка виникає при роботі парку асинхронних двигунів. 

У порівнянні з конденсаторними компенсаторами, які також виконують функцію компенсаторів індуктивної складової струму (параграф 3.7), синхронні компенсатори є дешевшими, мають менші габарити та масу. Але конденсатори не споживають активну потужність. 

Крім того, компенсатор виконує функцію стабілізатора напруги в електричній мережі. Якщо напруга в мережі зменшується, то компенсатор споживає реактивний випереджальний струм. Якщо напруга підвищується, то компенсатор споживає реактивний запізний струм.

Конструктивно синхронний двигун, призначений для роботи в якості компенсатора, має більш легку механічну конструкцію та підвищений переріз обмотки збудження, яка призначена для постійної роботи в режимі перезбудження.

Переваги та недоліки синхронних машин. Перевагами синхронних машин є: постійна швидкість обертання вала за змін навантаження; незалежність частоти ЕРС від навантаження; високий ККД; високий коефіцієнт потужності;  можливість роботи в якості ємності (компенсатора).

Недоліками синхронних машин є: необхідність використання постійного струму для збудження ротора; складний пуск; відсутність пускового моменту; відсутність можливості регулювання швидкості обертання вала; при перевантаженні синхронність порушується і двигун зупиняється; труднощі при реверсуванні. 

Пожежна небезпека синхронних машин. Пожежа небезпека синхронних електричних машин зумовлена наявністю контактних з’єднань (щітка – контактне кільце). Але за номінального навантаження, на відміну від електричних машин постійного струму, інтенсивність іскріння щіткового вузла є значно меншою.

Для синхронних електричних машин не є допустимою значна зміна навантаження. При перевантаженні можлива раптова зупинка вала ротора, що може призвести до порушення нормального ходу технологічного процесу, який забезпечується синхронним двигуном.

Техноло́гія (від грец. τεχνολογια, що походить від грец. τεχνολογος; грец. τεχνη - майстерність, техніка; грец. λογος - (тут) передавати) - наука («корпус знань») про способи (набір і послідовність операцій, їх режими) забезпечення потреб людства за допомогою (шляхом застосування) технічних засобів (знарядь праці).

 



Як і для інших видів електричних машин, пожежна небезпека синхронних машин значно збільшується при погіршенні умов охолодження. Особливу небезпеку являє собою воднева система охолодження потужних синхронних генераторів. Водень – горючий газ, що має мінімальну енергію запалювання –  лише 0,017 мДж та максимальний тиск вибуху 730 кПа. Спроможний створювати гримучу суміш.

Також потребують своєчасного технічного обслуговування підшипникові вузли та механічні кріплення.


Скачати 66.57 Kb.

  • Конструкція синхронної машини.
  • Рис. 2 – Зразковий вид U-подібної характеристики синхронного двигуна
  • Рис. 3 – Зразковий вид робочих характеристик синхронного двигуна
  • Рис. 4 – Умовні позначення на електричних схемах синхронних машин: а – з неявнополюсним ротором, б – з явнополюсним ротором
  • Рис. 6 – Схема асинхронного пуску синхронного двигуна
  • Робота синхронного двигуна в режимі компенсатора.
  • Переваги та недоліки синхронних машин.
  • Пожежна небезпека синхронних машин.