Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Схемы пуска синхронного двигателя

Схемы пуска синхронного двигателя

Метод асинхронного пуска. Синхронный двигатель не имеетначального пускового момента.Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока, электромагнитный момент будет дважды изменять свое направление, т. е. средний момент за период равняется нулю. При этих условиях двигатель не сможет прийти во вращение, так как его ротор, обладающий определенной инерцией, не может быть в течение одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

В настоящее время для этой цели применяют метод асинхронного пуска.При этом методе синхронный двигатель пускают как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой, выполненной по типу «беличья клетка». Чтобы увеличить сопротивление стержней, клетку изготовляют из латуни. При включении трехфазной обмотки статора в сеть образуется вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с током Iпв пусковой обмотке (рис.3, а), создает электромагнитные силы Fи увлекает за собой ротор. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм.

Применяют две основные схемы пуска синхронного двигателя. При схеме, изображенной на рис. (3,б),обмотку возбуждения сначала замыкают на гасящий резистор, сопротивление которого Rдоб превышает в 8 — 12 раз активное сопротивление Rв обмотки возбуждения. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной (при s ≈ 0,05), обмотку возбуждения отключают от гасящего резистора и подключают к источнику постоянного тока (возбудителю), вследствие чего ротор втягивается в синхронизм. Осуществить пуск двигателя с разомкнутой обмоткой возбуждения нельзя, так как во время разгона ротора при s > 0 в ней вращающимся магнитным полем индуцируется ЭДС Ев = 4,44f2wвФm = 4,4f1swвФm, где f2 = f1s — частота изменения тока в обмотке возбуждения; wв — число витков обмотки возбуждения; Фm — амплитуда магнитного потока вращающегося поля.

Рис3.Устройство пусковой обмотки синхронного двигателя (о) и схемы его асинхронного пуска (б и в): 1 — обмотка возбуждения; 2 — пусковая обмотка; 3 — ротор; 4 — обмотка якоря; 5 — гасящее сопротивление; 6 — якорь возбудителя; 7 — кольца и щетки.

Обмотки синхронного двигателя В начальный момент пуска при s = 1 из-за большого числа витков обмотки возбуждения ЭДС Ев может достигать весьма большого значения и вызвать пробой изоляции. При схеме, изображенной на рис.3,в обмотка возбуждения постоянно подключена к возбудителю, сопротивление которого по сравнению с сопротивлением Rв весьма мало, поэтому эту обмотку в режиме асинхронного пуска можно считать замкнутой накороткои.С уменьшением скольжения до
s = 0,3 ÷ 0,4 возбудитель возбуждается и в обмотку возбуждения подается постоянный ток, обеспечивающий при s ≈ 0,05 втягивание ротора в синхронизм. Различие пусковых схем обусловлено тем, что не во всех случаях может быть применена более простая схема с постоянно подключенной к возбудителю обмоткой возбуждения (рис.3,в), так как она имеет худшие пусковые характеристики, чем более сложная схема, приведенная на рис. 3,б. Главной причиной ухудшения пусковых характеристик является возникновение одноосного эффекта — влияние тока, индуцируемого в обмотке возбуждения при пуске, на характеристику пускового момента.

Одноосный эффект.Для анализа этого явления предположим сначала, что в двигателе отсутствует пусковая обмотка, а обмотка возбуждения замкнута накоротко. В результате при асинхронном пуске двигателя в обмотке возбуждения индуци­руется ЭДС с частотой f2 = f1s и по обмотке проходит переменный ток, создающий пульсирующее магнитное поле (обмотка возбуждения в этом случае является однофазной обмоткой переменного тока). Пульсирующее магнитное поле можно разложить на две составляющие: прямое и обратное вращающиеся магнитные поля ротора, которые характеризуются потоками Фпр и Фобр . Частота вращения каждого из этих полей относительно ротора пр =±60f2/р= ±60f1s/p= ±n1s.
Относительно статора прямое поле вращается с частотой.

Следовательно, оно вращается синхронно с полем статора; образуемый этим полем с током статора электромагнитный момент Мпр изменяется в зависимости от скольжения так же, как и в трехфазном асинхронном двигателе (рис. 4) кривая 2). Обратное поле ротора вращается относительно статора с частотой

При частотах вращения ротора n2 0,5, обратное поле, как видно из формулы перемещается относительно статора в сторону, противоположную направлению вращения ротора; при n2 = 0,5n1, это поле неподвижно относительно статора; при n2 > 0,5 (т. е. приs

Пуск и регулирование частоты синхронных двигателей

Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока, электромагнитный момент будет дважды изменять свое направление. Ротор обладает инерцией и не может быть в течение одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

Для пуска могут быть используются следующие способы:

1. Асинхронный пуск.

2. Пуск с помощью разгонного двигателя.

3. Частотный пуск.

При пуске с помощью разгонного двигателя обмотка статора отключена от сети, а на обмотку возбуждения подается напряжение постоянного тока. Специальный разгонный двигатель разворачивает ротор синхронного двигателя до частоты вращения близкой к синхронной. Затем обмотка статора включается в сеть, а разгонный двигатель выключают.

Асинхронный пуск аналогичен пуску асинхронного двигателя. Для этого синхронный двигатель снабжают специальной коротко-замкнутой пусковой обмоткой, выполненной по типу «беличья клетка» и уложенной в полюсных наконечниках ротора. Чтобы увеличить сопротивление стержней, клетку изготовляют из латуни. Обмотку возбуждения предварительно замыкают на гасящий резистор, сопротивление которого в 8—12 раз превышает активное сопротивление обмотки возбуждения с целью избежать перенапряжений.

При включении трехфазной обмотки статора в сеть образуется вращающееся магнитное поле статора, которое будет пересекать пусковую обмотку и наведет в ней ЭДС и ток. Вращающееся магнитное поле статора, взаимодействуя с полем пусковой обмотки, создает электромагнитные силы F и вращающий момент. Момент разгонит ротор до частоты вращения, близкой к синхронной (s 0 . При таком регулировании автоматически обеспечиваются условия устойчивой работы двигателя и его перегрузочная способность определяется только перегрузочной способностью преобразователя частоты.

Синхронные двигатели, регулируемые путем изменения частоты с самосинхронизацией, называют вентильными двигателями.

Синхронный компенсатор

Синхронный компенсатор представляет собой синхронный двигатель, работающий без нагрузки на валу; при этом по обмотке якоря проходит практически только реактивный ток. Синхронный компенсатор может работать в режиме улучшения cosφ или в режиме стабилизации напряжения.

Нагрузка сети носит активно-индуктивный характер – ток нагрузки Iн отстает по фазе от напряжения сети Uc. Для улучшения cosφ сети синхронный компенсатор работает в режиме перевозбуждения. Ток возбуждения регулируется так, чтобы ток якоря I1 синхронного компенсатора опережал на 90° напряжение сети Uc (рис. а) и был примерно равен реактивной составляющей тока нагрузки Iн р. В результате сеть загружается только активным током нагрузки Iн а.

В отличие от батарей конденсаторов компенсатор может компенсировать как индуктивную (при перевозбуждении) так и емкостную (при недовозбуждении) составляющие тока.

В режиме стабилизации напряжения устанавливается ток возбуждения синхронного компенсатора чтобы ЭДС компенсатора Еf равнялась номинальному напряжению сети Ucн (рис. б). В сети имеется ток Iн, создающий падение напряжения ΔU= IнRccosφ + IнXc sinφ, где Rc и Хс — активное и индуктивное сопротивление сети; φ — угол сдвига фаз между векторами напряжения и тока сети.

Если напряжение сети понижается из-за возрастания тока нагрузки и становится меньше Ucн, то синхронный компенсатор забирает из сети реактивный опережающий ток I1 (рис. в). Это уменьшает падение напряжения на величину ΔUк= I1Xc. При повышении напряжения в сети, когда Uc > Ucн, синхронный компенсатор загружает сеть реактивным отстающим током I1 (рис. г), что приводит к увеличению падения напряжения на величину
ΔUк= I1Xc. Недостаток метода — синхронный компенсатор загружает линию реактивным током, увеличивая потери в ней.

Синхронные компенсаторы выпускаются мощностью от 10 до
100 МВА и по конструкции имеют следующие отличия от синхронного двигателя:

— не имеют выходного конца вала;

— вал не передает вращающий момент и выполняется менее массивным;

— уменьшен воздушный зазор и размеры обмотки возбуждения;

— имеет более массивную магнитную систему для получения большого значения МДС;

-имеет явнополюсную конструкцию при числе полюсов 6 или 8.

Синхронный компенсатор должен быть оснащен автоматическим регулятором возбуждения, который при изменении режима напряжения в узле так регулирует его ток возбуждения, чтобы напряжение на зажимах компенсатора оставалось постоянным.

Энергетика синхронных машин

Часть мощности, потребляемой синхронной машиной, идет на компенсацию потерь, которые включают в себя:

1. Потери на возбуждение ΔРв..

2. Механические потери ΔРмех — это потери на трение в подшипниках и потери на вентиляцию. Они зависят от частоты вращения.

3. Магнитные потери ΔРст в основном имеют место в сердечнике статора, который подвергается перемагничиванию полем ротора. Они состоят из потерь на вихревые токи и перемагничивание. Потери в стали зависят от значения магнитной индукции, марки и толщины листов стали из которой набран сердечник якоря и частоты перемагничивания.

4. Электрические потери имеют место в обмотках статора

5. Добавочные потери ΔРдоп учитывают потери на пульсацию магнитного потока, потери, вызванные поверхностным эффектом и др. Они равны 0,25 – 0,5% полезной мощности генератора

Механические и магнитные не зависят от нагрузки. Их называют постоянными. Электрические потери зависят от нагрузки машины, поэтому эти потери называются переменными.

На рисунке приведены энергетические диаграммы синхронных генераторов и двигателей при возбуждении от возбудителя (рис. а), а также от сети переменного тока (рис. а).

К генераторам подводится механическая мощность Р1= Мврω1, за счет которой покрываются потери холостого хода, состоящие из механических потерь ΔРмех, потерь в стали ΔРст и добавочных потерь ΔРдоп. Если возбудитель приводится от вала генератора, то потери в возбудителе и в цепи возбуждения ΔРв также покрываются за счет механической мощности. Остаток — электромагнитная мощность Рэм= Мэмω1 передается магнитным полем индуктора якорю и преобразуется в его обмотке в электрическую мощность. Часть этой мощности идет на потери в обмотке якоря ΔРэ, а остальная мощность передается на зажимы генератора и является полезной мощностью
Р2 =mU1I1 cosφ1 (рис. а). Если генератор выполнен с самовозбуждением, то с его зажимов снимается мощность ΔРв, часть которой идет на потери в цепи возбуждения (рис. б), а остаток — полезная мощность Р2 отдается в сеть.

Коэффициент полезного действия:

У двигателей потребляемая мощность Р1 =mU1I1 cosφ1 поступает из электрической сети. За ее счет покрываются электрические потери ΔРэ в обмотке якоря и мощность возбуждения ΔРв при возбуждении от сети переменного тока. Оставшаяся часть преобразуется в электромагнитную мощность Рэм= Мэмω1, связанную с вращающимся магнитным полем. За счет этого поля покрываются потери в стали ΔРст и добавочные потери ΔРдоп, а остальное передается ротору в виде механической мощности Рмех. Механическая мощность должна покрыть механические потери ΔРмех и мощность ΔРв, потребляемую возбудителем. Оставшаяся часть механической мощности — мощность на валу является полезной мощностью двигателя Р2= Мврω1.

Энергетические диаграммы показывают, что преобразование энергии в синхронной машине более сложно, чем это описывалось простейшими формулами и векторными диаграммами. Подключения синхронного двигателя к сети и синхронизации еще недостаточно, чтобы машина создала вращающий момент на валу — сначала должны быть покрыты потери в обмотке якоря и в стали. Если к валу генератора, синхронизированного с сетью, подведена механическая мощность, то это еще не значит, что эта машина стала отдавать в сеть электрическую мощность — генератор сначала должен покрыть потери в своей обмотке якоря.

Учет всех факторов, включая потери в стали, существенно усложняет и векторные диаграммы, и расчетные формулы. Поэтому в инженерных расчетах обычно пользуются упрощенной теорией синхронной машины, лишь по мере необходимости вводя дополнительные факторы, уточняющие и одновременно усложняющие эту теорию.

Качания синхронных машин

Допустим, что машина работает при некоторой нагрузке и развивает электромагнитный момент M1 =Mвн1, соответствующий углу Θ1 (рис. 6.59, а и б). Если резко увеличить внешний момент до величины Mвн2, то нагрузочный угол будет увеличиваться до величины Θ2, соответствующей новому значению электромагнитного момента M2 =Mвн2. Однако из-за инерции ротора нагрузочный угол, увеличиваясь, достигает значения Θ3 > Θ2, а затем под действием синхронизирующего момента начинает уменьшаться до величины Θ4

Пуск синхронных двигателей

Пуск синхронного двигателя непосредственным включением в сеть невозможен, так как ротор из-за своей значительной инерции не может быть сразу увлечен вращающимся полем статора, часто­та вращения которого устанавливается мгновенно. В результате устойчивая магнитная связь между статором и ротором не возни­кает. Для пуска синхронного двигателя приходится применять специальные способы, сущность которых состоит в предваритель­ном приведении ротора во вращение до синхронной или близкой к ней частоте, при которой между статором и ротором устанавлива­ется устойчивая магнитная связь.

В настоящее время практическое применение имеет способ пуска, получивший название асинхронного. Этот способ пуска возможен при наличии в полюсных наконечниках ротора пусковой обмотки (клетки). Схема включения двигателя при этом способе пуска приведена на рис. 6.3, а. Невозбужденный синхронный двигатель включают в сеть. Возникшее при этом вращающееся магнитное поле статора наводит в стержнях пусковой клетки ЭДС, которые создают токи . Взаимодействие этих токов с полем статора вызывает появление на стержнях пусковой клетки электромагнитных сил . Под действием этих сил ротор приводится во вращение (рис. 6.3, б).

Рисунок 6.3 — Асинхронный пуск синхронного двигателя

После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной , обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока. Обра­зующийся при этом синхронный момент втягивает ротор двигателя в синхронизм. После этого пусковая обмотка дви­гателя выполняет функцию успокоительной обмотки, ограничивая качания ротора.

Чем меньше нагрузка на валу двигателя, тем легче его вхож­дение в синхронизм. Явно полюсные двигатели малой мощности, пускаемые без нагрузки на валу, иногда входят в синхронизм лишь за счет реактивного момента, т. е. даже без включения обмотки возбуждения.

С увеличением нагрузочного момента на валу вхождение дви­гателя в синхронизм затрудняется. Наибольший нагрузочный мо­мент, при котором ротор синхронного двигателя еще втягивается в синхронизм, называют моментом входа двигателя в синхронизм Величина асинхронного момента при частоте вращения , зависит от активного сопротивления пусковой клетки, т. е. от сечения стержней и удельного электрического сопротивле­ния металла, из которого они изготовлены.

Рисунок 6.4 — Асинхронные моменты при пуске синхронного двигателя:

– основной момент; – дополнительный момент, – момент входа в синхронизм

В процессе асинхронного пуска обмотку возбуждения нельзя ос­тавлять разомкнутой, так как магнитный поток статора, пересекаю­щий ее в начальный период пуска с синхронной скоростью, наводит в ней ЭДС. Вследствие большого числа витков обмотки возбуждения эта ЭДС достигает значений, опасных как для целости изоляции са­мой обмотки, так и для обслуживающего персонала. Для предотвра­щения этого обмотку возбуждения на период разгона ротора замыка­ют на активное сопротивление , примерно в десять раз большее сопротивления обмотки возбуждения. Переключение зажимов И1 и И2 обмотки возбуждения с сопротивления г на зажимы возбудителя осуществляют переключателем П (см. рис. 6.3, а).

Замыкание накоротко обмотки возбуждения на время пуска двигателя нежелательно, так как при этом обмотка ротора образу­ет однофазный замкнутый контур, взаимодействие которого с вращающимся полем статора также создает дополнительный асинхронный момент . Однако при частоте вращения, равной половине синхронной, этот момент становится тормозящим (рис. 6.4) и создает «провал» в характеристике пускового (асинхронно­го) момента (пунктирная кривая). Это заметно ухудшает пусковые свойства синхронного двигателя.

При асинхронном пуске синхронного двигателя возникает значительный пусковой ток. Поэтому пуск синхронных двигателей непосредственным включением в сеть на номинальное напряже­ние применяют при достаточной мощности сети, способной вы­держивать без заметного падения напряжения броски пускового тока пяти- или семикратного значения (по сравнению с номиналь­ным током). Если же мощность сети недостаточна, то можно при­менить пуск двигателя при пониженном напряжении: автотрансформаторный, реакторный или через тиристорный регулятор напряжения.

СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Синхронные двигатели – это машины переменного тока, преобразующие электрическую энергию в механическое вращение приводного вала.

Их особенность проявляется в синхронном взаимодействии вращающейся ЭДС неподвижного статора с электромагнитным полем подвижного ротора.

Для понимания принципа этого взаимодействия важно ознакомиться с существующими разновидностями синхронных агрегатов и их устройством.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

При рассмотрении устройства двигателей синхронного типа выделяются следующие основные части:

  • литой корпус агрегата;
  • неподвижный статор с комплектом обмоток;
  • подвижный ротор с приводным валом;
  • контактно-щеточный узел.

Статор или якорь электродвигателя набран из листов электротехнической стали, позволяющей усилить создаваемые в нем магнитные потоки.

В специальных пазах размещаются рабочие обмотки, создающие вращающееся магнитное поле. Кроме того, ротор электродвигателя оснащается обмоткой возбуждения, обеспечивающей электромагнитное взаимодействие с вращающимся полем статора.

При подаче напряжения в подвижном узле формируется собственное э/м поле, приводящее к вращению ротора с приводным валом. Контактные кольца с комплектом щеток необходимы для подачи питания на его обмотки.

Роторные обмотки имеют два исполнения. Первое представлено образцами с явно выраженными полюсами, а второе имеет катушки распределенного типа (в этом варианте они укладываются в пазы ротора). Помимо этого описываемый узел может выполняться в виде короткозамкнутого витка (так называемая «беличья клетка»).

ВИДЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ СИНХРОННОГО ТИПА

По числу обмоток, используемых для создания вращающегося поля статора, все известные модели синхронных двигателей делятся на:

  • однофазные;
  • трехфазные устройства.

Последние предназначаются для работы в условиях повышенных напряжений и нагрузок, что характерно для условий промышленного производства. Их полезная мощность порой достигает сотен кВт.

В отличие от них однофазные электродвигатели могут подключаться к бытовым электрическим сетям переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 Вольт. Как правило, эти устройства имеют мощность в пределах от 5 Вт до 10 кВт.

По рабочей эффективности они существенно уступают своим трехфазным аналогам. Однофазная схема включения заметно снижает КПД двигателя и величину его пускового момента. Вместе с тем агрегаты этого типа способны выдерживать большие перегрузки на валу.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

В сравнении с другими образцами машин переменного тока синхронные имеют следующие бесспорные преимущества:

  • постоянство скорости вращения приводного вала при нагрузке, меняющейся в широких пределах;
  • высокие показатели кпд и передачи полезной мощности в нагрузку;
  • сравнительно низкий коэффициент реактивной составляющей;
  • возможность длительной работы в режиме перегрузки;
  • меньшая зависимость от колебаний напряжения в питающей сети.

Указанные преимущества и определяют области их применения: мощные вентиляционные системы, конвейерные линии, компрессоры и прокатные станы.

К числу существенных недостатков электродвигателей синхронного типа относят:

  • сложность конструкции и сравнительно высокая стоимость;
  • технические сложности с запуском электродвигателя в работу;
  • потребность в дополнительном источнике постоянного напряжения;
  • сложность управления основными параметрами двигателя (скоростью вращения и моментом на валу).

Все перечисленные недостатки синхронных машин переменного тока устраняются за счет использования дополнительных систем плавного запуска. Хорошего результата удается добиться, если для управления работой двигателя используются электронные устройства (частотные преобразователи).

СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ПЛАВНОГО ПУСКА И УПРАВЛЕНИЯ

Добиться плавного пуска удается за счет использования дополнительного двигателя или же посредством асинхронного запуска.

Первый случай не требует пояснений, а во втором используется принцип асинхронности вращения э/м полей, приводящих к эффекту скольжения на начальном этапе работы. У каждого из этих вариантов имеются свои достоинства и недостатки.

Для эффективного управления режимами работы синхронного двигателя используется зависимость частоты вращения ротора от питающего напряжения.

При заданном значении токовой составляющей такое управление сводится к изменению мощности на валу. Реализовать его удается различными способами, но наиболее эффективными считаются электронные устройства (преобразователи).

Для управления режимами работы применяются современные полупроводниковые компоненты. К последним относятся транзисторы, тиристоры и симисторы.

С помощью этих быстродействующих элементов удается менять величину мощности в нагрузке, используя принципы широтно-импульсного или фазоимпульсного регулирования.

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

голоса
Рейтинг статьи
Читать еще:  Двигатель а41 давление масла
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector