Потери и коэффициент полезного действия синхронных машин

Преобразование механической энергии в электрическую в генераторе и электрической энергии в механическую в двигателе сопровождается некоторыми потерями энергии, которые выделяются в виде тепла, нагревая электрическую машину.

Электрические потери ΔРэл появляются в результате того, что каждая обмотка обладает определенным сопротивлением, препятствующим прохождению по ней электрического тока. Они пропорциональны сопротивлению данной обмотки и квадрату протекающего по ней тока, т. е. сильно возрастают с увеличением нагрузки машины. Электрические потери вызывают нагрев проводов обмоток. К электрическим потерям относятся также потери, возникающие при протекании тока через щетки и через переходное сопротивление между щетками и коллектором; они вызывают нагрев коллектора и щеток.

Магнитные потери ΔРМ (потери в стали) возникают в сердечниках якоря и полюсов в результате перемагничивания стали этих сердечников и образования в них вихревых токов. Перемагничивание стали сердечника якоря происходит потому, что при вращении якоря каждая его точка попеременно проходит то под северным, то под южным полюсам. Перемагничивание стали полюсных наконечников вызывается в результате изменения магнитной индукции в воздушном зазоре машины в пределах ±ΔВ при вращении зубчатого якоря.

В машинах, имеющих зубцы на статоре и роторе (машины постоянного тока с компенсационной обмоткой, асинхронные и синхронные), при вращении ротора создаются заметные пульсации индукции в зубцах, что также приводит к образованию вихревых токов и соответствующим потерям мощности. Магнитные потери вызывают нагрев сердечника якоря и полюсов, они почти не зависят от нагрузки машины, но резко возрастают с увеличением частоты перемагничивания, т. е. частоты вращения якоря.

Механические потери ΔPМХ возникают в результате трения: в подшипниках, щеток по коллектору, деталей машины о воздух в процессе вентиляции. Эти потери вызывают нагрев подшипников, коллектора и щеток, с увеличением нагрузки они возрастают незначительно. При повышении частоты вращения якоря электрической машины механические потери резко возрастают.

Добавочные потери ΔPдоб обусловливаются различными вторичными явлениями, имеющими место при работе электрических машин под нагрузкой: возникновением вихревых токов в проводниках обмотки якоря, неравномерным распределением тока по сечению проводников и индукции в воздушном зазоре машины, воздействием коммутационных токов (в машинах постоянного тока) и переменных потоков рассеяния (в машинах переменного тока), которые индуцируют вихревые токи в крепежных деталях, и др.

КПД синхронной машины зависит от величины нагрузки (β = Р2/ Рном) и от ее характера (соs φ1).

h = Р2 / Р2 + ΔP

Вопрос 60. Параллельная работа синхронных генераторов. Необходимость и условия включения на параллельную работу синхронных генераторов. Способы включения синхронных генераторов на параллельную работу.

Применение нескольких параллельно включенных синхронных генераторов вместо одного генератора суммарной мощности необходимо для обеспечения бесперебойного энергоснабжения в случае аварии в каком-либо генераторе или отключения его для ремонта.

Для включения синхронного генератора на параллельную работу необходимо выполнить следующие условия:
1. Напряжение подключаемой машины должно быть равно напряжению сети или работающей машины.
2. Частота подключаемого генератора должна быть равна частоте сети.
3. Напряжения всех фаз подключаемой машины должны быть противоположны по фазе напряжениям соответствующих фаз сети или работающей машины.
4. Для подключения на параллельную работу трехфазного синхронного генератора необходимо также обеспечить одинаковое чередование фаз подключаемой машины и сети.

Приведение генератора в состояние, удовлетво­ряющее всем указанным условиям, называют син­хронизацией. Несоблюдение любого из условий син­хронизации приводит к появлению в обмотке статора больших уравнительных токов, чрезмерное значение которых может явиться причиной аварии.

Включить генератор в сеть с параллельно рабо­тающими генераторами можно или способом точной синхронизации, или способом самосинхронизации

Способ точной синхронизации. Сущность это­го способа состоит в том, что, прежде чем включить генератор в сеть, его приводят в состояние, удовле­творяющее всем вышеперечисленным условиям. Момент соблюдения этих условий, т. е. момент син­хронизации, определяют прибором, называемым синхроноскопом.

Способ самосин­хронизации. Ротор не­возбужденного генера­тора приводят во вра­щение первичным дви­гателем до частоты вращения, отличающейся от синхронной не более чем на 2—5%, затем генератор подключают к сети. Для того чтобы избежать перенапряжений в обмотке ротора в момент подключения генератора к сети, ее замыкают на некоторое активное Сопротивление. Так как в момент подключения генератора к сети его ЭДС равна нулю (генератор не возбужден), то под действием напряжения сети в обмотке статора наблюдается резкий бросок тока, превышающий номинальное значение тока генератора. Вслед за включением обмотки статора в сеть подключают обмотку возбуждения к источнику постоянного тока и синхронный генера­тор под действием электромагнитного момента, действующего на его ротор, втягивается в синхронизм, т. е. частота вращения ротора становится синхронной. При этом ток статора быстро уменьшается.

Вопрос 61. Синхронные двигатели. Основные сведения и принцип работы. Пуск синхронных двигателей. Рабочие и U-образные характеристики синхронных двигателей. Синхронный компенсатор. Назначение и устройство.

Синхронная машина состоит из двух основных частей: неподвижной – статора и вращающейся – ротора, и имеет две основные обмотки. Одна обмотка подключается к источнику постоянного тока. Протекающий по этой обмотке ток создает основное магнитное поле машины. Эта обмотка располагается на полюсах и называется обмоткой возбуждения. Иногда у машин небольшой мощ­ности обмотка возбуждения отсутствует, а магнитное поле создается постоянными магнитами. Другая обмотка является обмоткой якоря. В ней индуктируется основная ЭДС машины. Она укладывается в пазы якоря и состоит из одной, двух или трех обмоток фаз.

Если через обмотку возбуждения протекает постоянный ток, то он создает постоянное во времени магнитное поле с чередующейся полярностью. При вращении полюсов и, следовательно, магнитного поля относительно проводников обмотки якоря в них индуктируются переменные ЭДС, которые, суммируясь, определяют результирующие ЭДС фаз. Если на якоре уложены три одинаковые обмотки, магнитные оси которых сдвинуты в пространстве на электрический угол, равный 120°, то в этих обмотках индуктируются ЭДС, образующие трехфазную систему. Частота индук­тируемых в обмотках ЭДС зависит от числа пар полюсов р и частоты вращения ротора п:

f1 = pn/60.

Для получения ЭДС необходимой частоты число пар полюсов и частота вращения должны находиться в определенной зависимости между собой. Так, для получения стандартной частоты f1= 50 Гц при р=1 нужно иметь частоту вращения n = 3000 об/мин, а при р = 24 n = 125 об/мин.

Если к трехфазной обмотке якоря синхронного генератора подсоединить нагрузку, то возникший ток создаст вра­щающееся магнитное поле якоря. Частота вращения этого поля относительно статора

n1 = 60 f1/p.

n1 = n.

Равенство частот вращения ротора п и поля якоря n1 является характерной особенностью синхронной машины, обусловившей ее название.

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.

Одним из главных недостатков синхронных двигателей является сложность их пуска в ход. Пуск синхронных двигателей может быть осуществлен при помощи вспомогательного пускового двигателя или путем асинхронного пуска.

Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя. Если ротор синхронного двигателя с возбужденными полюсами развернуть другим, вспомогательным двигателем до скорости вращения поля статора, то магнитные полюсы статора, взаимодействуя с полюсами ротора, заставят ротор вращаться далее самостоятельно без посторонней помощи, в такт с полем статора, т. е. синхронно. Для осуществления пуска необходимо, чтобы число пар полюсов асинхронного двигателя было меньше числа пар полюсов синхронного двигателя, ибо при этих условиях вспомогательный асинхронный двигатель может развернуть ротор синхронного двигателя до синхронной скорости. Сложность пуска и необходимость вспомогательного двигателя являются существенными недостатками этого способа пуска синхронных двигателей. Поэтому в настоящее время он применяется редко.

Асинхронный пуск синхронного двигателя. Для осуществления этого способа пуска в полюсных наконечниках полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкнутая обмотка. Так как во время пуска в обмотке возбуждения двигателя наводится большая э. д. с, то по соображениям безопасности она замыкается рубильником на сопротивление. При включении напряжения трехфазной сети в обмотку статора синхронного двигателя возникает вращающееся магнитное поле, которое, пересекая короткозамкнутую (пусковую) обмотку, заложенную в полюсных наконечниках ротора, индуктирует в ней токи. Эти токи, взаимодействуя с вращающимся полем статора, приведут ротор во вращение. При достижении ротором наибольшего числа оборотов (95—97% синхронной скорости) рубильник переключают так, чтобы обмотку ротора включить в сеть постоянного напряжения.
Недостатком асинхронного пуска является большой пусковой ток (в 5—7 раз больший рабочего тока). Пусковой ток вызывает падение напряжения в сети, а это отражается на работе других потребителей. Для уменьшения пускового тока применяют пуск при пониженном напряжении с помощью реактора или автотрансформатора. В настоящее время применяют почти исключительно асинхронный пуск синхронных двигателей ввиду его простоты и надежности. Существуют также схемы автоматического асинхронного пуска синхронных двигателей.

Зависимость тока якоря от тока возбуждения называется U-образной характеристикой синхронной машины. Анализируя эти характеристики, видим, что минимальное значение тока якоря имеет место при некотором определенном значении тока возбуждения, соответствующем работе с cosφ = 1. При любом изменении (увеличении или уменьшении) тока возбуждения ток якоря Ia возрастает вследствие увеличения реактивной составляющей.

Рабочие характеристики синхрон­ного двигателя представляют собой зависимость частоты враще­ния ротора , потребляемой мощности , полезного момента , коэффициента мощности , и тока в обмотке статора от полезной мощности двигателя (рис. 22. ). Частота вращения рото­ра всегда равна синхронной частоте , поэтому гра­фик имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс. Полезный момент на валу синхронного двигателя . Так как рабочие характеристики снимают при условии , то график имеет вид прямой, выходящей из начала координат. Мощность на входе двигателя . С ростом нагрузки на валу двигателя увеличиваются также и потери , поэтому потребляемая мощность растет быстрее полезной мощ­ности и график имеет несколько криволинейный вид. Вид графика зависит от вида настройки тока возбуждения.

Синхронные компенсаторы применяют для регулирования режимов работы энергетических систем, для поддержания оптимального уровня напряжения, снижения потерь электроэнергии в сетях, увеличения пропускной способности и обеспечения устойчивости энергосистем.

Синхронные компенсаторы представляют собой синхронные машины, работающие в режиме двигателя без активной нагрузки и генерирующие в сеть реактивный опережающий (емкостный) или отстающий (индуктивный) ток.



Преобразование энергии в синхронной машине связано с по­терями энергии. Все виды потерь в синхронной машине разделя­ются на основные и добавочные.

Основные потери в синхронной машине слагаются из электрических потерь в обмотке статора, потерь на возбуждение, магнитных потерь и механических потерь.

Электрические потери в обмотке статора (Вт)

Рэ1 = m1 I12 r1 (20.37)

где r1 — активное сопротивление одной фазы обмотки статора при расчетной рабочей температуре, Ом.

Потери на возбуждение (Вт):

а) при возбуждении от отдельного возбудительного устройства

Рв = Iв2 rв + ΔUщ Iв (20.38)

где rв — активное сопротивление обмотки возбуждения при рас­четной рабочей температуре, Ом; ΔUщ = 2 В — падение напряже­ния в щеточном контакте щеток;

б) при возбуждении от генератора постоянного тока (возбуди­теля), сочлененного с валом синхронной машины,

Рв = (Iв2 rв + ΔUщ Iв)/ ηв. (20.39)

где ηв. = 0,80 ÷ 0,85 — КПД возбудителя.

Магнитные потери синхронной машины происходят в сердеч­нике статора, который подвержен перемагничиванию вращаю­щимся магнитным полем. Эти потери состоят из потерь от гисте­резиса Рг и потерь от вихревых токов Рв.т:

Рм = Рг + Рв.т. (20.40)

Механические потери (Вт), равные сумме потерь на трение в под­шипниках и потерь на вентиляцию (при самовентиляции машины),

Рмех ≈ 3,68р ( ) 3(20.41)

где

v2 = π (D1 – 2δ)n1/ 60 (20.42)

— окружная скорость на поверхности полюсного наконечника ротора, м/с; l1 — конструктивная длина сердечника статора, мм.

Добавочные потери в синхронных машинах разделя­ются на два вида: пульсационные потери в полюсных наконечниках ротора и потери при нагрузке.

Добавочные пульсационные потери Рп в полюсных наконеч­никах ротора обусловлены пульсацией магнитной индукции в зазоре из-за зубчатости внутренней поверхности статора. Значение этих потерь (Вт)

Рп = kп р bп l1 (10-4 Z1 n1)1,5 [Bδ (kδ1 – 1 )t1]2 10-6, (20.43)

где kп – коэффициент, учитывающий толщину листов полюсов ротора (при толщине листов 1 мм kп = 4,6; при толщине листов 2 мм kп = 8,6; при массивных полюсных наконечниках kп = 23,3); bр — ширина полюсного наконечника, мм; Z1 — число пазов на статоре;

Bδ – магнитная индукция в зазоре, Тл; kδ1- коэффициент воздушного зазора статора; t1 – зубцовое деление статора, мм.

Добавочные потери при нагрузке Pдоб в синхронных машинах определяют в процентах от подводимой мощности двигателей или от полезной мощности генераторов. Для синхронных машин мощ­ностью до 1000 кВт добавочные потери при нагрузке принимают рав­ными 0,5%, а для машин мощностью более 1000 кВт — 0,25—0,4%. Суммарные потери в синхронной машине (кВт)

∑Р = (Рэ1 + Рв + Рм1 + Рмех + Рп + Рдоб) 10-3 (20 44)

Коэффициент полезного действия: для синхронного генератора

ηг = 1 – ∑Р / (Рном+ ∑Р ) (20.45)

где

Рном = m1 U1ном I1ном cos φ1 10-3 (20.46)

– активная мощность, отбираемая от генератора при его номи­нальной нагрузке, кВт;

для синхронного двигателя

ηд = 1 – ∑Р / Р1ном (20.47)

Здесь U1ном и I1ном — фазные значения напряжения и тока статора.

КПД синхронной машины зависит от величины нагрузки (β = Р2/ Рном) и от ее характера (соs φ1). Графики этой зависимости аналогичны изображенным на рис. 1.41. КПД синхронных машин мощностью до 100 кВт составляет 80—90%, у более мощных ма­шин КПД достигает 92—99%. Более высокие значения КПД отно­сятся к турбо- и гидрогенераторам мощностью в десятки и даже сотни тысяч киловатт.

Контрольные вопросы

1.Из каких участков состоит магнитная цепь явнополюсной синхронной ма­шины?

2. В чем состоит явление реакции якоря?

3. Каково действие реакции якоря при активной, индуктивной и емкостной на­грузках синхронного генератора?

4. Какие ЭДС наводят в обмотке статора явнополюсного синхронного генера­тора магнитные потоки реакции якоря и каким индуктивным сопротивлени­ям эти ЭДС эквивалентны?

5. Почему характеристика к.з. синхронной машины имеет вид прямой линии?

6. Что такое ОКЗ и как влияет этот параметр на свойства синхронного генера­тора?

7. Что такое номинальное изменение напряжения при сбросе нагрузки и почему при емкостной нагрузке его величина отрицательна?.

8. Определите изменение напряжения при сбросе нагрузки для примера 20.2, если генератор работал с нагрузкой, равной половине номинальной.

9.Какие виды потерь имеют место в синхронной машине?

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: