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), аналогичной успокоительной обмотке синхрон­ного генератора. Схема включения двигателя при этом способе пуска приведена на рисунке 44, 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 (рисунок 44, б). После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной , обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока. Обра­зующийся при этом синхронный момент втягиваем 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. Явнополюсные двигатели малой мощности, пускаемые без нагрузки на валу, иногда входят в синхронизм лишь за счет реактивного момента, т. е. даже без включения обмотки возбуждения.

 

                        

Рисунок 44 – Асинхронный пуск синхронного двигателя

 

С увеличением нагрузочного момента на валу вхождение дви­гателя в синхронизм затрудняется. Наибольший нагрузочный момент, при котором ротор синхронного двигателя еще втягивается и 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.

Следует обратить внимание, что выбор сопротивления пуско­вой клетки , соответствующего значительному пусковому моменту , способствует уменьшению момента входа в синхронизм  и, наоборот, при сопротивлении , соответствующем небольшому пусковому моменту ( ), момент входа в синхронизм увеличивается  (рисунок 45).        

 

 – основной момент;  – дополнительный момент,

 – момент входа в синхронизм.

Рисунок 45 – Асинхронные моменты при пуске синхронного двигателя

 

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  на зажимы возбудителя осуществляют переключателем П (см. рисунок 44, 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 (рисунок 45) 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 или реакторный.

 

Рабочие характеристики.

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  (рисунок 46). 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.

 

 

 

Рисунок 46 –  Рабочие характеристики синхронного двигателя

 

Вид графика  зависит от вида настройки тока возбуждения: если в режиме х. х. ток возбуждения установлен та­ким, что = 1, то с ростом нагрузки коэффициент мощности снижается, если же установить =1 при номинальной на­грузке, то при недогрузке двигатель будет забирать из сети реак­тивный опережающий ток, а при перегрузке — отстающий. Обыч­но устанавливают ток возбуждения таким, чтобы =1 при средней нагрузке (рисунок 46). В этом случае коэффициент мощно­сти во всем диапазоне нагрузок остается достаточно высоким. Ес­ли же установить ток в обмотке возбуждения синхронного двига­теля таким, чтобы =1 был при нагрузке несколько превышающей номинальную, то при номинальной нагрузке   и двигатель будет потреблять из сети опережающий по отношению к напряжению сети ток, что приведет к повышению коэффициента мощности этой сети. В этом отношении синхрон­ные двигатели выгодно отличаются от асинхронных, работающих с отстающим по фазе током (особенно при недогрузке двигателя) и снижающих энергетические показатели питающей сети.

Ток в обмотке статора двигателя . Из этого выражения видно, что ток  с увеличением нагрузки на валу дви­гателя растет быстрее, чем потребляемая мощность , вследствие уменьшения .

Так как ротор синхронного двигателя вращается в ту же сторону, что и поле статора, то направление вращения ротора определяется порядком следования фаз линейных проводов, подведенных к обмотке статора, и порядком расположения фаз обмотки статора. Для изменения направления вращения трехфазного синхронного двигателя необходимо переключить два линейных привода, подведенных из сети к выводам обмотки статора.

В заключение необходимо отметить, что синхронные двигатели по сравнению с асинхронными имеют преимущество, заключающееся в том, что они могут работать с = 1, не создавая в щей сети индуктивных токов, вызывающих дополнительные потери энергии. Более того, при работе с перевозбуждением син­хронные двигатели создают в сети емкостный ток, чем способст­вуют повышению коэффициента мощности энергосистемы в це­лом. Другое достоинство синхронных двигателей состоит в том, что основная составляющая электро­магнитного момента пропорциональна напряжению сети , а у асинхронных двигателей электромагнитный момент пропорциона­лен . По этой причине при понижении напряжения в сети синхронные двигатели сохраняют большую перегрузочную способность, чем асинхронные.

К недостаткам синхронных двигателей относятся их более сложная конструкция и повышенная стоимость по сравнению с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Кроме того, для работы синхронного двигателя требуется устройство для питания постоянным током обмотки возбуждения.

Опыт эксплуатации показал, что применение синхронных двигателей общего назначения наиболее целесообразно при мощности 200 кВт и более в установках, не требующих частых пусков и регулирования частоты вращения (мощные насосы, вентиляторы, компрессоры и т. п.).

 

Порядок выполнения работы:

1. Выполнить задание лабораторной работы.

2. Составить отчет.

3. Ответить на контрольные вопросы.

Ход работы:

Состав электрической схемы соединений (рисунок 47):

G1 – трехфазный источник питания;

G2 – источник питания двигателя постоянного тока;

G3 – возбудитель синхронной машины;

G4 – машина постоянного тока;

G5 – преобразователь угловых перемещений;

М1 – машина переменного тока;

А2 – трехфазная трансформаторная групп;

А6, А8 – трехполюсный выключатель;

А9 – реостат для цепи ротора машины переменного тока;

А10 – активная нагрузка;

А14 – линейный реактор;

Р3 – указатель частоты вращения;

А4 – коннектор;

А5 – персональный компьютер;

А12 – блок датчиков тока и напряжения.

Источник G1 – источник синусоидального напряжения частотой 50 Гц.

Источник питания двигателя постоянного тока G2 используется для питания регулируемым напряжением обмотки возбуждения машины постоянного тока G4, работающей в режиме генератора с независимым возбуждением.

Активная нагрузка А10 используется для нагружения генератора G4.

Возбудитель G3 служит для питания обмотки возбуждения машины переменного тока М1, работающей в режиме синхронного двигателя.

Преобразователь угловых перемещений G5 генерирует импульсы, поступающие на вход указателя частоты вращения Р3 электромашинного агрегата.

Машина (синхронный двигатель) М1 получает питание от источника G1 через трехфазную трансформаторную группу А2 и выключатель А6.

Реостат А9 выполняет роль резистора синхронизации и подключается выключателем А8 к обмотке возбуждения синхронного двигателя М1 на этапе пуска последнего.

С помощью линейного реактора А14 моделируется сопротивление кабеля, питающего двигатель М1.

Датчики тока и напряжения в блоке А12 обеспечивают гальваническую развязку силовой и измерительной цепей и преобразуют ток и напряжение статорной обмотки испытуемого двигателя М1 в пропорциональные им нормированные напряжения.

Через аналоговые входы АСН0-АСН8, АСН1-АСН9, АСН2-АСН10 коннектора А4 напряжения, пропорциональные частоте вращения, току и напряжению статорной обмотки испытуемого двигателя М1, вводятся в компьютер А5.

 

Задание.

- Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.

- Соберите электрическую схему соединений тепловой защиты машины переменного тока.

- Соедините гнезда защитного заземления " " устройств, используемых в эксперименте, с гнездом «РЕ» источника G1.

- Соедините аппаратуру в соответствии с электрической схемой соединений.

- Переключатели режима работы источника G2, возбудителя G3 и выключателей А6 и А8 установите в положение «РУЧН.».

- Регулировочные рукоятки источника G2 и возбудителя G3 поверните против часовой стрелки до упора.

- Установите в каждой фазе активной нагрузки А10 её суммарную величину 100 %.

- В трехфазной трансформаторной группе А2 установите номинальное напряжение вторичных обмоток трансформаторов, равное 220 В.

- Установите в каждой фазе реостата А9 суммарное сопротивление 8 Ом.

- Приведите в рабочее состояние персональный компьютер А5, и запустите прикладную программу «Регистратор режимных параметров машины переменного тока».

- Включите выключатели «СЕТЬ» выключателей А6 и А8, указателя частоты вращения Р3 и блока А12 датчиков тока и напряжения.

- Включите выключатель А8 кнопкой «ВКЛ».

- Включите источник G1. О наличии напряжений фаз на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки.

- Включите выключатель «СЕТЬ» возбудителя G3 и, вращая его регулировочную рукоятку, установите на его выходе напряжение, равное 20 В.

- Включите выключатель «СЕТЬ» источника G2 и, вращая его регулировочную рукоятку, установите напряжение на его выходе, например, 50 В.

- Нажмите на виртуальную кнопку «Запустить» на экране компьютера.

 

Рисунок 47 – Электрическая схема соединений

 

- Нажмите последовательно кнопки «ВКЛ.» источника G2, выключателя А6, возбудителя G3 (после разгона двигателя М1), спустя, например, 5 с кнопку «ОТКЛ.» выключателя А8 и затем не позднее, чем через 10 с, остановите сканирование данных. В результате должен осуществиться пуск нагруженного синхронного двигателя М1 и должны записаться в компьютер данные о режимных параметрах на этапе пуска.

- Нажмите кнопку «ОТКЛ.» источника G1.

- Отключите выключатели «СЕТЬ» блоков, задействованных в эксперименте.

- Используя возможности программы «Регистратор режимных параметров машины переменного тока», проанализируйте отображенные на мониторе компьютера механическую характеристику и временные зависимости тока статорной обмотки, электромагнитного момента, частоты вращения синхронного двигателя при пуске его в ход.

Контрольные вопросы:

1. Какой род тока требуется для питания обмоток статора и ротора синхронного двигателя?

2. Почему синхронный двигатель нельзя запустить простым подключением к сети? Объясните процесс пуска синхронного двигателя.

3. Какую роль выполняет пусковая обмотка синхронного двигателя во время его работы?

4. При каком условии и почему синхронный двигатель начинает генерировать реактивный ток?

5. Как по внешнему виду отличить синхронный компенсатор от синхронного двигателя?

6. Чем ограничивается область устойчивой работы синхронного двигателя?

7. Как регулируется коэффициент мощности синхронного двигателя?

8. Каково назначение синхронного компенсатора?

9. Каковы достоинства и недостатки синхронных двигателей по сравнению         с асинхронными?

 

 

Лабораторная работа №9

⇐ Предыдущая78910111213141516Следующая ⇒

Поделиться: