ЛЕКЦІЯ 45

5.4.5 СИНХРОННИЙ КОМПЕНСАТОР

Синхронний компенсатор уявляє собою синхронну машину (можна розглядати як синхронний двигун, що працює без механічного навантаження на валу), призначену для генерування реактивної потужності. Його вмикають в електричну систему з метою підвищення її коефіцієнта потужності.

Принцип явищ, які при цьому відбуваються, полягає в тому, що необхідну для роботи деяких споживачів реактивну потужність виробляє не синхронний генератор, що установлений на електростанції, а синхронний компенсатор, що працює в безпосередній близькості зі споживачами, якими перш за все є асинхронні двигуни.

На (рис. 5.37, а) зображена схема ввімкнення синхронного компенсатора для покращання техніко-економічних показників роботи мережі. Дійсно, до ввімкнення синхронного компенсатора, струм мережі дорівнював струму навантаження ( І_м = І_н ), яке має активно-індуктивний характер (cos j_н < 1). При ввімкненні синхронного компенсатора паралельно навантаженню Z_н і створенні в компенсаторі режиму перезбудження, виникає струм синхронного компенсатора І_СК, що випереджує напругу мережі на кут 90 ⁰. Як видно з векторної діаграми (рис. 5.37, б), це призводить до зниження результатного струму, який протікає в мережі І_м, і підвищення коефіцієнта потужностіcos j_м (кут j_м < j_н).

І_м = І_н + І_СК (5.62)

Слід зазначити, що використанням синхронного компенсатора можна довести, щоб коефіцієнт потужності мережі cos j_м = 1, але при цьому потужність компенсатора має бути значно збільшеною, а отже, зростуть затрати на виготовлення компенсатора, тому коефіцієнт потужності після компенсації найчастіше залишається менше одиниці в межах 0,92 – 0,95.

В деяких випадках синхронні компенсатори можуть працювати і в недозбудженому стані. Необхідність в цьому виникає, коли струм у системі має значну ємнісну складову частину, яка не компенсується індуктивними струмами споживачів. Найчастіше ступінь збудження синхронного компенсатора регулюється за допомогою автоматичних пристроїв.

Умови нагрівання синхронних компенсаторів при перезбудженні більш важкі, ніж при недозбудженні, тому номінальною потужністю є потужність при перезбудженні; в сучасних компенсаторів вона сягає від 10 до 160 тис. квар при номінальній напрузі (6,6 – 16) кВ. Виконуються вони, як правило, з горизонтальним положенням ротора та числом полюсів 2 р = 6 і 2 р = 8, що відповідає 1000 та 750 об/хв., і з пусковою замкненою коротко обмоткою, яка забезпечує асинхронний пуск.

Вал ротора має менший переріз ніж вал синхронного двигуна такої ж потужності, тому що не передає обертового моменту (крім моменту НХ) і розраховується лише на силу тяжіння ротора і силу магнітного притягання. Так як вал синхронного компенсатора не має вільного виступаючого кінця, то машина досить легко герметизується для використання водневого охолодження.

Найбільш важливими характеристиками синхронного компенсатора є U -подібні характеристики, що будуються для різних значень напруги мережі. Так як синхронний компенсатор можна розглядати як синхронний двигун, що працює в режимі НХ, то характеристики Р₂ = 0 (рис. 5.35) є характеристикою синхронного компенсатора при номінальній напрузі мережі.

Синхронний компенсатор не несе активного навантаження, тому кут q = 0, що забезпечує йому значну перевантажувальну і максимальну синхронізуючу спроможності.

5.4.6 СИНХРОННІ РЕАКТИВНІ ДВИГУНИ

Як уже відзначалось, електромагнітний момент в явнополюсній синхронній машині може створюватись і без магнітного потоку з боку ротора (при відсутності в машині обмотки збудження).

Це лягло в основу створення спеціальних синхронних двигунів, які отримали назву синхронних реактивних двигунів. Щоб вияснити принцип дії такого двигуна звертаються до виразу (5.48), з якого витікає, що коли відімкнути обмотку збудження (Е₀ = 0), то основна складова моменту стає рівною нулю і на ротор машини діє лише додаткова (5.50) складова моменту:

М_д = [ m_{1 *} U₁² /(2 w)]_*(1/ Х_q – 1/ Х_d )_*sin(2 q).

Принцип дії синхронного реактивного двигуна полягає у взаємодії обертового магнітного поля, яке створюється трифазною чи двофазною обмоткою статора, з явнополюсною конструкцією ротора (рис. 5.38). Саме ця взаємодія (див. 5.3.3), і створює додатковий реактивний момент, що обертає, втягнувши у синхронізм, явнополюсний ротор.

Потужність синхронного реактивного двигуна значно менша, ніж у звичайного синхронного двигуна з обмоткою збудження, тому що при Е₀ = 0 відповідно відсутня основна складова електромагнітної потужності.

До недоліків реактивних синхронних двигунів слід також віднести незначні коефіцієнт потужності і ККД, що пояснюється значним намагнічувальних струмом, так як основне поле створюється лише струмом, який споживається з мережі.

В реактивних синхронних двигунах використовується асинхронний пуск, і для цього на роторі виконується короткозамкнена пускова обмотка, подібна до обмотки ротора асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором.

Простота конструкції і висока експлуатаційна надійність забезпечили реактивним синхронним двигунам малої потужності широке використання в пристроях автоматики, для приводу самописних приладів, в пристроях звукозапису та відеозапису – скрізь, де необхідна незмінна частота обертання.

Крокові двигуни. До реактивних синхронних двигунах можна віднести і крокові двигуни з реактивним (без обмотки збудження і виконаний з магніто-м’якого матеріалу) ротором, які перетворюють електричні сигнали(імпульсинапруги) в кутові чи лінійні дискретні переміщення (кроки) ротора. Обмоткакерування такого двигунарозташовується на статорі і виконується одно- чи багатофазною (три- або чотирифазною). Кут повороту ротора (крок) залежить від подачі сигналу на фазу статора: вісь ротора співпадає (або перпендикулярна) осі тієї фази, на яку подається сигнал. Якщо сигнал подається одночасно на дві сусідні фази, та вісь ротора розташовується між ними, що дає можливість вдвічі збільшити число кроків.

Найбільше застосування мають крокові двигуни в електроприводахверстатів з числовим програмним керуванням.

5.4.7 СИНХРОННІ МАШИНИ З ПОСТІЙНИМИ МАГНІТАМИ ТА КІГТЕПОДІБНИМИ ПОЛЮСАМИ

В сучасних автоматизованих електроприводах все частіше використовуються синхронні машини магнітоелектричного збудження, тобто машини з постійними магнітами. Такі машини не потребують джерела постійного струму, так як не мають обмотки збудження. Як правило, це машини прямої конструкції, тобто статорна обмотка вмикається до мережі, а постійний магніт розташований на роторі. Застосовуються вони найчастіше як двигуни незначної потужності. Синхронні генератори магнітоелектричного збудження застосовують досить рідко, головним чином як генератори підвищеної частоти, що працюють автономно, малої та середньої потужності.

Синхронні магнітоелектричні двигуни. Ці двигуни отримали поширення в двох конструктивних виконаннях: з радіальним та аксіальним розташуванням постійних магнітів.

При їх радіальному розташуванні пакет ротора з пусковою обмоткою, виготовлений у вигляді полого циліндра, закріплюється на зовнішній поверхні явновиражених полюсів постійного магніту 3 (рис. 5.39, а).

При аксіальному розташуванні магнітів конструкція ротора така, як і у асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором. До торців такого ротора притиснуті постійні магніти 3 (рис. 5.39, б).

Конструкції з аксіальним розташуванням магнітів застосовуються у двигунів потужністю до 100 Вт, а конструкції з радіальним розміщенням магнітів використовуються у двигунів більшого діаметра з потужністю до 500 Вт і більше.

Фізичні процеси, що відбуваються при асинхронному пуску цих двигунів мають деяку особливість, зумовлену тим, що їх пуск здійснюється у збудженому стані. Поле постійного магніту під час розгону ротора створюється в обмотці статора ЕРС Е_1П, частота якої зростає пропорційно частоті обертання ротора. Ця ЕРС викликає в обмотці статора струм, взаємодія якого з потоком постійних магнітів створює гальмівний момент М_г, зворотній напряму обертання ротора. Таким чином під час розгону на ротор діє два асинхронні моменти (рис.5.40) направлені в різні боки: М_а – обертовий, що створюється струмом І_{1 ,} який надходить з мережі і М_г – гальмівний, що утворюється струмом І_1П, викликаним ЕРС Е_1П.

Слід зазначити і те, що залежність цих моментів від частоти обертання ротора різна. Так обертовий момент М_а має максимальне значення при малих (0,2 – 0,25) ковзаннях ротора, тоді як гальмівний момент М_г досягає найбільшого значення при малій частоті обертання ротора і значних (0,6 – 0,7) ковзаннях. Ротор розганяється під дією результатного моменту М_рез = М_а + М_г, що має значний “провал” в зоні малої частоти обертання. Із наведених (рис.5.40) кривих видно, що гальмівний момент М_г суттєво впливає на пускові властивості двигуна, зокрема на момент входження в синхронізм М_вх.

Для забезпечення надійного пуску двигуна необхідно, щоб мінімальний результатний момент в асинхронному режимі М_рез і момент входу в синхронізм М_вх були більші, ніж момент навантаження на валу, тому пази ротора в таких двигунах поглиблюються, що забезпечує збільшення активного опору пускової обмотки за рахунок витіснення струму в її стрижнях під час пуску.

Електричні процеси в магнітоелектричних синхронних двигунах, як правило, аналогічні процесам в синхронних двигунах з обмоткою збудження. І все ж слід мати на увазі, що постійні магніти розмагнічуються дією реакції якоря, а пускова обмотка дещо знижує це розмагнічування, так як екранує постійні магніти при їх радіальному розміщенні.

Позитивні властивості цих двигунів – підвищена стійкість роботи в синхронному режимі (у порівнянні з синхронними реактивними двигунами), крім цього, як і синхронні реактивні двигуни, вони мають властивість синхронного обертання кількох двигунів, що ввімкненні в одну мережу. Ці двигуни мають порівняно високі енергетичні показники (ККД, cos j).

Недоліком таких двигунів є підвищена вартість в порівнянні з іншими синхронними двигунами, зумовлена високою вартістю і складністю обробки постійних магнітів, що виготовляються із сплавів, яким властива велика коерцитивна сила (алні, алніко, магніко тощо).

До синхронних двигунів з постійними магнітами відносяться і крокові двигуни з постійними магнітами на роторі, завдяки яким удається збільшити момент такого двигуна.

Використовуються синхронні двигуни з постійними магнітами в пристроях автоматики та для механізмів, що потребують незмінності частоти обертання.

Синхронні генератори магнітоелектричного збудження. Ротор такого генератора при малій потужності виконується з явновираженими полюсами у вигляді “зірочки” (рис. 5.41, а), а при середній – з циліндричним постійним магнітом та кігтеподібними полюсами (рис. 5.41, б). Належність останніх дає можливість отримати генератор з розсіюванням полюсів, що обмежує ударний струм при раптовому короткому замиканні генератора. Це суттєво, тому що такий струм є досить небезпечним для постійного магніту через його значну розмагнічувальну дію.

Крім недоліків властивих магнітоелектричним синхронним двигунам, генератори з постійними магнітами мають ще один недолік, зумовлений відсутністю обмотки збудження: неможливість регулювання напруги, що практично унеможливлює її стабілізацію при зміні навантаження.

Синхронні генератори електромагнітного збудження з кігтеподібними полюсами. Такі генератори широко використовуються в якості автомобільних генераторів, як джерело постійного струму завдяки ввімкненню в коло обмотки статора напівпровідникового випрямляча струму. Сама обмотка статора виконується двошаровою укороченою з q = 0,5. Ротор генератора має таку ж конструкцію, як і ротор (рис. 5.41, б), де замість постійного магніту використовується обмотка збудження. Така конструкція дозволяє створити дванадцятиполюсний ротор збуджуваний однією обмоткою, намотаною у вигляді котушки, що живиться через контактні кільця.

Простота конструкції, компактність та висока технологічність такого генератора дозволяє виготовляти генератори електромагнітного збудження з кігтеподібними полюсами незначної потужності (менше 1 кВТ) масовим виробництвом. У схемі електрообладнання, наприклад, автомобіля такий генератор вмикається паралельно з акумуляторною батареєю, і він працює з нею у буферному режимі,

тобто вони доповнюють один одного в залежності від навантаження та частоти обертання двигуна.

ЦЕ НЕОБХІДНО ЗАПАМ’ЯТАТИ:

– для компенсації реактивної потужності і підвищення економічних показників роботи електричних мереж використовуються синхронні компенсатори;

– регулювання реактивної потужності, що виробляється синхронним компенсатором, здійснюється зміною струму збудження;

– конструктивно синхронні компенсатори простіші від синхронних генераторів та двигунів;

– робота синхронного реактивного двигуна ґрунтується на

використанні додаткового електромагнітного моменту, що створюється завдяки явнополюсній конструкції ротора;

– крокові двигуни – це або реактивні синхронні двигуни, або двигуни з постійними магнітами, що здійснюють не обертовий, а дискретний (кроковий) рух ротора;

– в сучасних системах автоматики широко використовується магнітоелектричні синхронні машини, основне магнітне поле яких створюється постійними магнітами;

– електромагнітні синхронні генератори з кігтеподібними полюсами масово використовуються, як автомобільні генератори.

Дата добавления: 2015-07-14