Синхронные машины. Машины постоянного тока (стр. 13 из 42)
Использование мощности. При работе синхронного генератора на выпрямитель реализуемая мощность становится меньше номинальной мощности или, как говорят, использование генератора ухудшается. Рассмотрим этот вопрос применительно к двум наиболее распространенным схемам выпрямления, заменив для простоты реальную форму тока прямоугольной с высотой Id, как это показано на рис. 1.42, а штриховой линией.
При трехфазной нулевой схеме выпрямления (рис. 1.41, а) мощность одной фазы генератора
. (1.42)При прямоугольной форме тока действующее значение тока в любой фазе
, где τ = T/3-время прохождения тока через данную фазу; Т – период изменения тока. Следовательно, мощность фазы 
. (1.42)Поскольку мощность одной фазы синхронного генератора при работе без выпрямителя Рф = IaEacosφ, то коэффициент использования генератора при трехфазной нулевой схеме выпрямления
.Таким образом, при cosφ =l и α = 0, т.е. при отсутствии регулирования, мощность генератора, работающего на выпрямитель, снижается примерно на 1/3 по сравнению с мощностью генератора, работающего на чисто активную нагрузку. Объясняется это тем, что ток проходит через фазу только в течение 1/3 периода.
Лучшее использование генератора обеспечивается при применении трехфазной мостовой схемы выпрямления (рис. 1.41, б), при которой ток проходит через фазу в течение 2/3 периода. В этом случае мощность одной фазы генератора
, (1.42в)а действующее значение тока фазы Ia = Id√ 2/3. Следовательно, мощность фазы генератора
, (1.42 г.)а коэффициент использования
.При увеличении угла регулирования αиспользование ухудшается, так как уменьшается среднее значение выпрямленного напряжения. Одновременно в этом случае первая гармоника тока якоря İа все более отстает по фазе от э. д. с. Ėк, вследствие чего возрастает размагничивающее действие реакции якоря. При построении векторной диаграммы синхронного генератора, работающего на выпрямительную нагрузку, вектор якоря Iабудет отставать на угол α + 0,5γ от вектора э. д. с. Ėк, а величина cos (α + 0,5γ) будет играть приблизительно такую же роль, как и cosφ при работе генератора на активно-индуктивную нагрузку (без выпрямителя).
Потери мощности. Высшие гармоники тока якоря создают дополнительные электрические потери в проводниках обмотки якоря (из-за явления вытеснения тока), увеличивая на 5–8% основные электрические потери в ней. Дополнительные магнитные потери в стали магнитопровода, появляющиеся от высших гармоник поля, очень невелики, так как высшие гармоники м.д. с. существенно уменьшаются токами демпферной обмотки. Генераторы, работающие на выпрямитель, целесообразно снабжать мощными демпферными обмотками еще и потому, что это уменьшает сверхпереходные индуктивности (см. 1.18), от которых зависит угол коммутации γ, влияющий на использование генератора.
1.13 Синхронный двигатель
Как было показано ранее, синхронная машина, работающая параллельно с сетью, автоматически переходит в двигательный режим, если к валу ротора приложен тормозной момент. При этом машина начинает потреблять из сети активную мощность и возникает электромагнитный вращающий момент. Частота вращения ротора остается неизменной, жестко связанной с частотой сети соотношением n2, = n1 = 60f1/p, что является важнейшим эксплуатационным свойством синхронных двигателей.
Векторные диаграммы. По основным комплексным уравнениям синхронной машины (1.19в) и (1.23б) могут быть построены векторные диаграммы. Однако для синхронного двигателя в указанные уравнения вместо величины Ù надо подставить – Ùс, так как не принято говорить о «напряжении двигателя»; при этом для не-явнополюсной и явнополюсной машин будем иметь:
. (1.43)Построение векторных диаграмм (рис. 1.45, а, б) по формулам системы (1.43) рекомендуется начинать с изображения векторов Ùси – Ùс. Далее строится вектор тока İа, активная составляющая которого совпадает с направлением вектора Ùc, и определяют вектор Ė0. При построении диаграммы для явнополюсной машины (рис. 1.45, б) нужно так же, как это делалось в диаграмме для генератора (см. рис. 1.25, в), вначале определить направление вектора Ė0, прибавив к – Ùcвспомогательный вектор
Рис. 1.45–Упрощенные векторные диаграммы синхронного неявнополюсного (а) иявнополюсного (б) двигателя
Для выяснения свойств синхронного двигателя рассмотрим его работу при изменении нагрузочного момента Мвни постоянном токе возбуждения; при этом для простоты будем пользоваться векторной диаграммой неявнополюсной машины. Допустим, что двигатель работает при cosφ = l, чему на векторной диаграмме (рис. 1.46, а) соответствуют ток İа1 и угол θ1. С повышением нагрузки увеличивается угол между векторами Ė0и – Ùсдо какого-то значения θ2, так как согласно (1.35а) вращающий момент М = Мвнпропорционален sinθ. При этом конец вектора Ė0перемещается по окружности с радиусом, равным Е0, и при принятых условиях (Iв = const; E0 = const и Uc = const) вектор тока İа2 также поворачивается вокруг точки 0, располагаясь перпендикулярно вектору – jİа2xсн Из диаграммы видно, что в рассматриваемом случае ток двигателя İа2 будет иметь отстающую реактивную составляющую.
Если нагрузка двигателя снизится по сравнению с исходной, то угол θ уменьшится до значения θ3. При этом ток двигателя İа3будет иметь опережающую реактивную составляющую.
Следовательно, изменение активной мощности синхронного двигателя приводит к изменению его cosφ: при уменьшении нагрузки вектор тока поворачивается в сторону опережения и двигатель может работать с cosφ = 1 или с опережающим током; при увеличении нагрузки вектор тока поворачивается в сторону отставания.
Рис. 1.46–Упрощенные векторные диаграммы синхронного двигателя:
а – при изменении нагрузочного момента на валу; б – при изменении э. д. с. Е0путем регулирования тока возбуждения
Если при неизменной активной мощности менять ток возбуждения, то будет меняться только реактивная мощность, т.е. величина cosφ. Векторная диаграмма для этого случая изображена на рис. 1.46, б. Если двигатель работает при cosφ = l, то этому режиму соответствует э.д.с. Ė01и некоторый угол θ1. При уменьшении тока возбуждения э.д.с. Ė0снижается до Ė02. Поскольку активная мощность остается неизменной, из условия Р = Рэм= mUc(E0/xсн)sinθ = const получим, что Е01sin θ1 = Е02sinθ2 Отсюда следует, что конец вектора Ė0при изменении тока возбуждения будет перемещаться по прямой ВС, параллельной вектору Ùcи проходящей через конец вектора Ė01Из векторной диаграммы (рис. 1.46, б) видно, что угол θ2 будет больше θ1.
Аналогично строится диаграмма при увеличении тока возбуждения. В этом случае э д с Ė0возрастает до величины Ė03и угол θ3 становится меньшим θ1. Вектор – jİа3xснповорачивается вокруг точки А и соответственно ему изменяет направление вектор тока İa3, перпендикулярный вектору – jİa3xсн
При этом из условия равенства активных мощностей имеем: Ia1cosφ1 = Iа2cosφ2 = Ia3cosφ3, конец вектора тока İаперемещается по прямой DE, перпендикулярной вектору ÙcПо диаграмме, приведенной на рис 1.46, б, можно построить U-образные характеристики для двигателя Iа = f(Iв), которые будут иметь такую же форму, как и характеристики для генератора (см рис 1.40), с той лишь разницей, что для двигателя угол сдвига фаз φ принято отсчитывать от вектора напряжения сети ÙcПоэтому при недовоз-буждении ток İа будет отставать от напряжения сети Ùc,т.е. двигатель будет потреблять из сети реактивную мощность Q, а при перевозбуждении ток будет опережать напряжение сети Ùc,т.е. двигатель будет отдавать в сеть реактивную мощность
Рабочие характеристики (рис 1.47) Представляют собой зависимости тока Iа, электрической мощности P1поступающей в обмотку якоря, к п д η и соsφ от отдаваемой механической мощности Р2при Uc= const, fc = const и Iв = const Поскольку частота вращения двигателя постоянна, зависимость n = f(P2) обычно не приводится; не приводится также и зависимость M = f(P2), так как вращающий момент М пропорционален Р2. Зависимость Р1= f(Р2) имеет характер, близкий к линейному