Способы возбуждения синхронных генераторов
Самым распространенным способом создания основного магнитного потока синхронных генераторов является электромагнитное возбуждение, состоящее в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения, при прохождении по которой постоянного тока, возникает МДС, создающая в генераторе магнитное поле.
До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись преимущественно специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.3, а). Обмотка возбуждения (ОВ) получает питание от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ).
Ротор синхронного генератора, возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронного генератора поступает через контактные кольца и щётки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя r1 и подвозбудителя r2 .
В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.
В синхронных генераторах получила применение также бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе. В качестве возбудителя в этом случае применяют обращенный синхронный генератор переменного тока В (рис. 1.3, б). Трехфазная обмотка 2 возбудителя, в которой наводится переменная ЭДС, расположена на роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора и их электрическое соединение осуществляется через вращающийся выпрямитель 3 непосредственно, без контактных колец и щёток. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя В осуществляется от подвозбудителя ПВ – генератора постоянного
тока. Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронного генератора позволяет повысить её эксплуатационную надёжность и увеличить КПД.
В синхронных генераторах, в этом числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.4, а), когда
энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий
трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь ПП преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счёт остаточного магнетизма машины.
На рис. 1.4, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подаётся в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на входе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты (БЗ), обеспечивающий защиту обмотки возбуждения (ОВ) от перенапряжения и токовой перегрузки.
Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5 % полезной мощности (меньшее значение относится к генераторам большой мощности).
В генераторах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, расположенными на роторе машины. Такой способ возбуждения даёт возможность избавить генератор от обмотки возбуждения. В результате конструкция генератора существенно упрощается, становится более экономичной и надёжной. Однако, из-за высокой стоимости материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничено машинами мощностью не более нескольких киловатт.
Синхронные генераторы составляют основу электроэнергетики, так как практически вся электроэнергия во всём мире вырабатывается посредством синхронных турбо- или гидрогенераторов.
Так же синхронные генераторы находят широкое применение в составе стационарных и передвижных электроустановок или станций в комплекте с дизельными и бензиновыми двигателями.
Устройство синхронного электродвигателя
Строение агрегата данного вида типично. Двигатель состоит из:
- Неподвижной части (якорь или статор).
- Подвижной части (ротор или индуктор).
- Вентилятора.
- Контактных колец.
- Щеток.
- Возбудителя.
Статор представляет собой сердечник, состоящий из обмоток, который заключен в корпус. Индуктор комплектуется электромагнитами постоянного тока (полюсами). Конструкция индуктора может быть двух видов – явнополюсная и неявнополюсная. В статоре и роторе расположены ферромагнитные сердечники, изготовленные из специальной электротехнической стали. Они необходимы для уменьшения магнитного сопротивления и улучшения прохождения магнитного потока.
Частота вращения ротора в синхронном двигателе равна частоте вращения магнитного поля. Независимо от подключаемой нагрузки частота ротора неизменна, так как число пар полюсов магнитного поля и ротора совпадают. Их взаимодействие обеспечивает постоянную угловую скорость, не зависящую от момента, приложенного к валу.
Принцип работы синхронного электродвигателя
Самые распространенные типы такого рода агрегатов – однофазный и трехфазный. Принцип работы синхронного электродвигателя в обоих случаях примерно одинаков. После подключения обмотки якоря к сети ротор остается неподвижным, в то время как постоянный ток поступает в обмотку возбуждения. Направление электромагнитного момента меняется дважды за время одного изменения напряжения. При значении среднего момента равном нулю, ротор под влиянием внешнего момента (механического воздействия) разгоняется до частоты, близкой по значению частоте вращения магнитного поля в зазоре, после чего двигатель переходит в синхронный режим.
В трехфазном устройстве проводники расположены под определенным углом относительно друг друга. В них возбуждается вращающееся с синхронной скоростью электромагнитное поле.
Разгон двигателя может осуществляться в двух режимах:
- Асинхронный. Обмотки индуктора замыкаются с помощью реостата. Вращающееся магнитное поле, возникающее при включении напряжения, пересекает короткозамкнутую обмотку, установленную на роторе. В ней индуцируются токи, взаимодействующие с вращающимся полем статора. По достижении синхронной скорости крутящий момент начинает уменьшаться и сводится к нулю после замыкания магнитного поля.
- С помощью вспомогательного двигателя. Для этого синхронный двигатель механически соединяется со вспомогательным (двигателем постоянного тока либо трехфазным индукционным двигателем). Постоянный ток подается только после того, как вращение двигателя достигает скорости, близкой к синхронной. Магнитное поле замыкается, и связь со вспомогательным двигателем прекращается.
Характеристики синхронного электродвигателя
Хотя асинхронные двигатели считаются более надежными и дешевыми, их синхронные «собратья» имеют некоторые преимущества и широко применяются в различных областях промышленности. К отличительным характеристикам синхронного электродвигателя можно отнести:
- Работу при высоком значении коэффициента мощности.
- Высокий КПД по сравнению с асинхронным устройством той же мощности.
- Сохранение нагрузочной способности даже при снижении напряжения в сети.
- Неизменность частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.
- Экономичность.
Синхронным двигателям также присущи некоторые недостатки:
- Достаточно сложная конструкция, делающая их производство дороже.
- Необходимость источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя).
- Сложность пуска.
- Необходимость корректировать угловую частоту вращения путем изменения частоты питающего напряжения.
Однако в некоторых случаях использование синхронных двигателей предпочтительнее:
- Для улучшения коэффициента мощности.
- В длительных технологических процессах, где нет необходимости в частых запусках и остановках.
Таким образом, «плюсы» двигателей такого типа значительно превосходят «минусы», поэтому на данный момент они высоко востребованы.
Изучив синхронный двигатель, устройство и принцип его действия и учтя условия, в которых он будет эксплуатироваться, вы сможете быстро и с легкостью подобрать оптимально подходящий для ваших целей тип агрегата (защищенный, закрытый, открытый) и использовать его с максимальной эффективностью.
Области применения, особые свойства и преимущества
Использовать как синхронный конденсатор
V-образная кривая синхронной машины
Изменяя возбуждение синхронного двигателя, он может работать с запаздывающим, опережающим и единичным коэффициентами мощности. Возбуждение, при котором коэффициент мощности равен единице, называется нормальным напряжением возбуждения . Величина тока при таком возбуждении минимальна. Напряжение возбуждения, большее, чем нормальное возбуждение, называется избыточным напряжением возбуждения, напряжение возбуждения, меньшее, чем нормальное возбуждение, называется избыточным напряжением возбуждения. Когда двигатель чрезмерно возбужден, противо-ЭДС будет больше, чем напряжение на клеммах двигателя. Это вызывает эффект размагничивания из-за реакции якоря.
Кривая V синхронной машины показывает зависимость тока якоря от тока возбуждения. С увеличением тока возбуждения ток якоря сначала уменьшается, затем достигает минимума, затем увеличивается. Минимальная точка — это также точка, при которой коэффициент мощности равен единице.
Эта возможность выборочного управления коэффициентом мощности может использоваться для коррекции коэффициента мощности системы питания, к которой подключен двигатель. Поскольку большинство энергосистем любого значительного размера имеют чистый запаздывающий коэффициент мощности, присутствие перевозбужденных синхронных двигателей приближает коэффициент полезной мощности системы к единице, повышая эффективность. Такая коррекция коэффициента мощности обычно является побочным эффектом двигателей, уже присутствующих в системе, для обеспечения механической работы, хотя двигатели могут работать без механической нагрузки просто для обеспечения коррекции коэффициента мощности. На крупных промышленных предприятиях, таких как заводы, взаимодействие между синхронными двигателями и другими отстающими нагрузками может явным образом учитываться при проектировании электрических систем предприятия.
Предел устойчивости установившегося состояния
- Тзнак равноТМаксимумгрех(δ){\ Displaystyle \ mathbf {T} = \ mathbf {T} _ {\ text {max}} \ sin (\ delta)}
куда,
- Т{\ displaystyle \ mathbf {T}} крутящий момент
- δ{\ displaystyle \ delta} угол крутящего момента
- ТМаксимум{\ displaystyle \ mathbf {T} _ {\ text {max}}} максимальный крутящий момент
здесь,
- ТМаксимумзнак равно3VEИксsωs{\ displaystyle \ mathbf {T} _ {\ text {max}} = {\ frac {{\ mathbf {3}} {\ mathbf {V}} {\ mathbf {E}}} {{\ mathbf {X_ { s}}} {\ omega _ {s}}}}}
При приложении нагрузки угол крутящего момента увеличивается. При = 90 ° крутящий момент будет максимальным. Если нагрузка будет приложена и дальше, двигатель потеряет синхронизм, поскольку крутящий момент двигателя будет меньше момента нагрузки. Максимальный момент нагрузки, который может быть приложен к двигателю без потери его синхронизма, называется пределом устойчивости синхронного двигателя в установившемся режиме.
δ{\ displaystyle \ delta}δ{\ displaystyle \ delta}
Другой
Синхронные двигатели особенно полезны в приложениях, требующих точного управления скоростью или положением:
- Скорость не зависит от нагрузки во всем рабочем диапазоне двигателя.
- Скорость и положение можно точно контролировать с помощью элементов управления разомкнутым контуром (например, шаговых двигателей ).
- Приложения с низким энергопотреблением включают в себя позиционирующие машины, где требуется высокая точность, и приводы роботов .
- Они сохранят свое положение, когда постоянный ток подается как на статор, так и на обмотки ротора.
- Часы, приводимые в действие синхронным двигателем, в принципе так же точны, как частота сети его источника питания. (Хотя небольшие отклонения частоты будут происходить в течение любых заданных нескольких часов, операторы сети активно регулируют частоту сети в более поздние периоды для компенсации, тем самым поддерживая точность тактовых импульсов с приводом от двигателя; см. электросети .)
- Повышенная эффективность в низкоскоростных приложениях (например, в шаровых мельницах ).
Управление синхронным двигателем с постоянными магнитами
Управление синхронными машинами осуществляется при помощи частотных преобразователей и сервоконтроллеров. Существует насколько принципов управления СДПМ. Выбор схемы осуществляется исходя из требований к электроприводу и экономической целесообразности. Наиболее распространенные схемы реализации управления синхронным электроприводом:
Скалярное
Такая схема отличатся простотой и дешевизной. При низких скоростях вращения и переменной нагрузке на валу, такой метод не подходит. При превышении нагрузки предельного момента силы на валу, электрическая машина выходит из синхронного режима и становится неуправляемой.
Разновидности
В современной промышленности и бытовых приборах синхронные электродвигатели используются для решения самых разнообразных задач. Как результат, существенно разнятся и их конструктивные особенности. На практике выделяют несколько критериев, по которым разделяются виды синхронных агрегатов. В соответствии с ГОСТ 16264.2-85 могут подразделяться по таким техническим характеристикам:
- питающему напряжению;
- частоте рабочего напряжения;
- количеству оборотов.
В зависимости от способа получения поля ротора выделяют такие типы синхронных электродвигателей:
- С обмоткой возбуждения на роторе – синхронизирующее усилие создается за счет подачи питания от преобразователя.
- С магнитным ротором – на валу устанавливается постоянный магнит, выполняющий те же функции, что и обмотка возбуждении, но без необходимости подпитки (см. рисунок 6).
Рис. 6. Синхронный электродвигатель с постоянными магнитамиС реактивным ротором — конструкция выполнена таким образом, что в его сердечнике происходит преломление магнитных линий, приводящее всю конструкцию в движение (см. рисунок 7). Под воздействием силового поля поперечные и продольные составляющие в роторе не равны за счет чего пластины поворачиваются вслед за полем.
Рис. 7. Пример реактивного ротора
В зависимости от наличия полюсов все синхронные электродвигатели можно подразделить на:
- явнополюсные – в конструкции четко видны обособленные полюса с обмотками, применяются для малых скоростей;
- неявнополюсные – полюс не выделяется, такие модели устанавливают для высоких скоростей;
В зависимости от расположения рабочих обмоток различают прямые (на статоре) и обращенные (рабочие обмотки на роторе).
Преимущества и недостатки
К преимуществам такого электродвигателя следует отнести:
- высокий cosφ, приближающийся по величине к 1, что в значительной мере превосходит асинхронные электродвигатели;
- более высокая механическая прочность за счет особенностей конструкции электродвигателя;
- зависимость момента вращения от напряжения линейная, а не квадратичная, поэтому колебания электродвигателя пропорционально снижаются;
- на валу электродвигателя присутствует постоянная скорость, не зависящая от прикладываемой нагрузки;
- может применяться для уменьшения реактивной составляющей в сети.
Среди недостатков синхронных электродвигателей выделяют:
- сложную конструкцию;
- более сложный пуск;
- необходимость использования вспомогательных устройств и блоков;
- такие электродвигатели сложнее регулировать по числу оборотов;
- ремонт и обслуживание также обойдется дороже, чем асинхронные электродвигатели.
Униполярные и шаговые варианты
Однако есть такие конструкции электромоторов постоянного тока, в которых коллектора нет. Это униполярные электромоторы.
В этих электродвигателях ротор выполнен в виде диска, расположенного между полюсами постоянных магнитов. Щётки расположенные диаметрально противоположно питают током диск – ротор. Под воздействием силы Лоренца диск вращается. Несмотря на привлекательную простоту конструкции, такой электромотор не имеет широкого практического использования, поскольку требует слишком больших значений тока и магнитного поля. Тем не менее, существуют уникальные лабораторные разработки униполярных электромоторов со щётками из жидкого металла, которые развивают обороты немыслимые для иных конструкций двигателей.
Шаговый двигатель это ещё одна конструкция, работающая на постоянном токе.
В целом этот двигатель подобен синхронному электромотору с ротором из постоянных магнитов. Отличие в том, что число обмоток здесь больше, и они управляются ключами, которые подают на каждую обмотку питающее напряжение. В результате ротор меняет своё положение, притягиваясь к подключенной обмотке. Число обмоток определяет минимальный угол поворота ротора, а коммутаторы – скорость вращения ротора. В шаговом двигателе ротор может вращаться почти как угодно, поскольку ключи связаны с электронной схемой управления.
Рассмотренные конструкции электромоторов являются базовыми. На их основе для решения определённых задач создано много специальных разновидностей электромоторов. Но это уже совсем другая история…
В быту, коммунальном хозяйстве, на любом производстве двигатели электрические являются неотъемлемой составляющей: насосы, кондиционеры, вентиляторы и пр
Поэтому важно знать типы наиболее часто встречающихся электродвигателей
Электродвигатель является машиной, которая преобразует в механическую энергию электрическую. При этом выделяется тепло, являющееся побочным эффектом.
Видео: Классфикация электродвигателей
Все электродвигатели разделить можно на две большие группы:
- Электродвигатели постоянного тока
- Электродвигатели переменного тока.
Электродвигатели, питание которых осуществляется переменным током, называются двигателями переменного тока, которые имеют две разновидности:
- Синхронные – это те, у которых ротор и магнитное поле питающего напряжения вращаются синхронно.
- Асинхронные. У них отличается частота вращения ротора от частоты, создаваемого питающим напряжением магнитного поля. Бывают они многофазными, а также одно-, двух- и трехфазными.
- Электродвигатели шаговые отличаются тем, что имеют конечное число положений ротора. Фиксирование заданного положения ротора происходит за счет подачи питания на определенную обмотку. Путем снятия напряжения с одной обмотки и передачи его на другую осуществляется переход в другое положение.
К электродвигателям постоянного тока относят те, которые питаются постоянным током. Они, в зависимости от того, имею или нет щёточно-коллекторный узел, подразделяются на:
Коллекторные также, в зависимости от типа возбуждения, бывают нескольких видов:
- С возбуждением постоянными магнитами.
- С параллельным соединением обмоток соединения и якоря.
- С последовательным соединением якоря и обмоток.
- Со смешанным их соединением.
Электродвигатель постоянного тока в разрезе. Коллектор со щетками – справа
Устройство синхронного двигателя
Конструкция синхронного двигателя состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор является неподвижной частью агрегата, а ротор – подвижной. В состав якоря входят одна или несколько обмоток переменного тока. При работе двигателя токи, поступающие в якорь, приводят к вращению магнитного поля, пересекающегося с полем индуктора и преобразующего энергию. Поле якоря носит другое название – поле реакции якоря. В генераторе такое поле создается с помощью индуктора.
В состав индуктора входят электромагниты постоянного тока, называемые полюсами. Во всех синхронных электродвигателях индукторы бывают двух конструкций – явнополюсная и не явнополюсная, отличающиеся расположением полюсов. Конструкция статора включает в себя корпус и сердечник, в состав которого входят двух- и трехфазные обмотки. Сами обмотки могут быть распределенными и сосредоточенными.
Чтобы уменьшить магнитное сопротивление и улучшить прохождение магнитного потока, используются ферромагнитные сердечники, расположенные в роторе и статоре, для изготовления которых используется электротехническая сталь. Она обладает интересными свойствами, например, повышенным содержанием кремния, с целью повышения ее электрического сопротивления и уменьшения вихревых токов.
Каждый синхронный электродвигатель обладает важным параметром – электромагнитным моментом. Он возникает в том случае, когда магнитный поток ротора начинает взаимодействовать с вращающимся магнитным полем. Данное поле образуется под влиянием трехфазного тока, протекающего по обмотке якоря.
В режиме холостого хода происходит совпадение осей магнитных полей ротора и статора. Поэтому электромагнитные силы, возникающие между их полюсами, принимают радиальное направление и значение электромагнитного момента агрегата становится равным нулю. При переходе устройства в двигательный режим, на ротор начинает воздействовать внешние нагрузочный момент, приложенный к валу. В результате, происходит смещение ротора на величину определенного угла против направления вращения.
Подобное электромагнитное взаимодействие между ротором и статором приводит к созданию электромагнитных сил, направленных в сторону вращения. Таким образом, действие вращающегося электромагнитного момента стремится к преодолению действия внешнего момента. Максимальное значение электромагнитного момента образует угол 90 градусов, при расположении полюсов ротора между осями полюсов статора.
Если значение нагрузочного момента, приложенного к валу двигателя, превысит максимальный электромагнитный момент, в этом случае двигатель остановится под влиянием внешнего момента. Из-за этого в неподвижном двигателе по обмотке якоря будет проходить очень высокий ток. Данный режим является аварийным, он представляет собой выпадение из синхронизма и на практике не должен допускаться.
Разновидности движков
Конструкция ротора и принцип действия синхронной машины-двигателя напрямую связана
- с мощностью, которую надо создать на его вале,
- необходимой для этого величиной магнитного потока,
- параметрами напряжения питания статора.
Устройство синхронных машин небольшой мощности получается более простым при изготовлении магнитного ротора из специальных материалов. Так же применяется явно полюсный ротор с малой начальной намагниченностью. В результате получаются конструкции с постоянными магнитами, а также гистерезисные и синхронные реактивные двигатели. На статор этих движков подается переменное напряжение. Число фаз и частота соответствуют конструкции двигателя. В однофазных движках может быть использован конденсатор, через который подключается одна из двух обмоток статора. Но может быть применена схема из показанных далее вариантов.
Варианты устройства синхронных двигателей
Разновидности роторов
Принцип работы ротора
Один из вариантов конструкции двигателя
Ротор с постоянными магнитами
Гистерезисный движок
Три разновидности конструкции ротора реактивного двигателя
Гистерезисный движок похож на синхронный реактивный двигатель. Эти синхронные машины переменного тока характеризует одинаковый принцип действия. Его определяет магнитное поле статора, намагничивающее ротор. Гистерезисный движок и синхронный реактивный электродвигатель своей надежностью не уступают асинхронным двигателям. Однако роторы этих синхронных машин всегда бывают существенно дороже роторов асинхронных движков.
С целью получения максимального силового взаимодействия и больших по величине крутящих моментов в роторе используется принцип электромагнита. При этом его называют индуктором с обмоткой возбуждения. Для ее питания применяется постоянное напряжение, которое подается на щетки. Они расположены на статоре и скользят по кольцам, установленным на роторе. Через эту пару скользящих контактов течет постоянный ток возбуждения.
Классический движок с индуктором
Такое классическое устройство синхронной машины существует и в наши дни, но преимущественно в наиболее мощных моделях. Для запуска движков обычно используются конструктивные решения со скольжением магнитных полей, характерные для асинхронных двигателей. При наличии индуктора для этого достаточно накоротко замкнуть щетки. В синхронных электрических машинах движки без щеток в роторе делаются с пусковыми обмотками типа беличьей клетки. Могут быть иные конструктивные решения для асинхронного старта.
Важной особенностью рассматриваемых двигателей, питаемых переменным напряжением, является их польза при работе без механической нагрузки или при ее небольшой величине. В таком режиме работы при небольшом возбуждении реактивная мощность из сети потребляется, а при значительном — отдается в сеть. Тем самым увеличивается эффективность электроснабжения
Для этой цели делаются специальные движки, называемые синхронными компенсаторами
Тем самым увеличивается эффективность электроснабжения. Для этой цели делаются специальные движки, называемые синхронными компенсаторами.
Движки-компенсаторы на подстанции
Развитие полупроводниковых приборов позволило создавать вращающееся магнитное поле путем преобразования постоянного напряжения. Очевидно то, что такое техническое решение расширило возможности управления электрическими двигателями. Регулирование частоты питающего напряжения и бесконтактный индуктор — это главные достижения полупроводниковых моделей. Но при этом существуют ограничения, определяемые возможностями электронных ключей.
По этой причине наиболее мощные из всех существующих движков по-прежнему являются трехфазными индукторными конструкциями со щетками и кольцами.
