Синхронные двигатели

Основные способы пуска СД: прямой пуск от полного напряжения сети и реакторный при сниженном напряжении на выводах двигателя.

Прямой пуск СД сопровождается существенным увеличением потребления из электрической сети реактивной мощности, а следовательно, и снижением напряжения на шинах РУ, к которым подключен СД. Снижение напряжения в период пуска СД оказывает неблагоприятное воздействие как на двигатель (разгоняющий электромагнитный момент пропорционален квадрату напряже­ния), так и на другие потребители электроэнергии, подключенные к этому РУ.

При реакторном способе пуска неблагоприятное воздействие пуска СД на другие потребители электроэнергии существенно меньше, однако более зна­чительное снижение напряжения на выводах СД приводит к затягиванию процесса пуска, а в ряде случаев и к невозможности синхронизации. Поэто­му необходимы расчеты условий пуска СД.

Самозапуском СД узла промышленной нагрузки называют режим, возника­ющий после кратковременного перерыва и последующего восстановления электроснабжения. Поскольку самозапуск групповой, снижение напряжения электрической сети больше, чем при пуске СД. В ряде случаев возникает не­обходимость управления процессом самозапуска в результате изменения чис­ла включенных СД.

Определение возможности группового самозапуска СД складывается из следующих этапов: 1) расчет предшествующего установившегося режима узла нагрузки; 2) определение параметров режима группового выбега СД за время перерыва питания; 3) разгон двигателей до подсинхронной скорости и син­хронизация после восстановления электроснабжения.

Расчет предшествующего самозапуску СД установившегося режима узла на­грузки. Общая схема узла промышленной нагрузки для определения устано­вившегося режима и расчетных условий пуска или группового самозапуска СД аналогична рис. 11.6 с заменой АД на СД.

Расчеты пуска или группового самозапуска СД целесообразно осуществ­лять в относительных единицах.

Уравнения, характеризующие режим напряжений узла нагрузки:

U_y=E_c-ZJ_y; l_y = _Lv+i_Li.^, U_BA = U_y-Z_BJ. (11.30)

'=1 •'h(i)

Глава П. Пуск и самозапуск электрических двигателей

Параметры СД характеризуются уравнениями (11.9)—(11.16), которые для переходных режимов следует дополнить уравнениями электромеханических переходных процессов

^ = 2я/₀(1-со); (Ц.31) Ъ^=М₃-М_т, (11.32)

где Tj — электромеханическая постоянная времени агрегата СД — механизм. Момент сопротивления механизма

M_Mtx = M₀ + (M_y-M₀)df^c. (11.33)

Исходные данные для расчета установившегося режима помимо парамет­ров схем замещения узла нагрузки и СД, определяемых по каталожным дан­ным, следующие: коэффициенты загрузки СД по моменту на валу двигателя К_г = M_ycJ; прочая нагрузка Р_{н пр}, Q_{K пр}, напряжение на шинах РУ узла нагрузки U.

В установившемся режиме СД уравнение (11.32) принимает вид М_ъ = Л/_мех.

Определение параметров режима группового выбега СД за время перерыва пи­тания узла нагрузки. Групповой выбег СД происходит при одновременном от­ключении нескольких двигателей, связанных друг с другом через общие ши­ны. За счет обмена электромагнитной энергией через секцию РУ их выбег происходит с синхронной частотой со_с, которая по аналогии с групповым вы­бегом АД может быть рассчитана путем интегрирования уравнения

" _Т ^Shqm( о da, _ d(Q_c,,,,.

.V*Ju., л -^y" dt ^(11J4)

из состояния установившегося режима до времени Т_П восстановления пита­ния.

Эквивалентная мощность СД узла нагрузки S_{H0M э} — эквивалентная элект­ромеханическая постоянная времени агрегатов двигатель — механизм Т_л мо­гут быть вычислены по формулам (11.25) и (11.26).

Начальное скольжение к моменту самозапуска определяется по соотноше­нию

*„_ач=1-со_с. (11.35)

Существующее на шинах РУ узла нагрузки напряжение U при выбеге СД уменьшается по величине и частоте по мере уменьшения синхронной часто­ты со_с. С снижением U синхронный выбег двигателей нарушается и при на­пряжении примерно 0,25t/_HOH полностью прекращается и дальше идет как ин­дивидуальный для каждого СД.

Синхронные двигатели в установившемся режиме работают, как правило, с перевозбуждением. При этом ЭДС превышает напряжение сети, и в случае отключения двигателя в первый момент напряжение на его выводах возраста-

11.2. Пуск и самозапуск асинхронных и синхронных двигателей

Рис. 11.7. Изменение ЭДС свободно выбегающего синхронного ,-, £

двигателя

ет. Если свободно выбегающий АД не имеет источни­ка намагничивающего тока, то в синхронном двигате­ле возбуждение сохраняется. Поэтому ЭДС синхрон­ного двигателя снижается значительно медленнее.

Электродвижущая сила £_Д свободно выбегающего СД непрерывно меняется не только по модулю, но и по фазе относительно ЭДС электрической системы Е_с (и напряжения электрической сети). Если вектор Е_с принять неподвижным в пространстве, то вектор Е_а двигателя будет вращаться относительно него, описывая своим концом затухающую спираль (рис. 11.7). Угол 5 положения ротора отключенного от электрической сети СД определяется соотношением, вытекающем из уравнения электромеханических переходных процессов

6 = 6_{0 +} я/₀А^², (П.36)

где б₀ — угол в режиме предшествующем нарушению электроснабжения; АЛ/= = М_мех-Л/_э.

Разгон синхронных двигателей до подсинхронной скорости и синхронизация по­сле восстановления электроснабжения. Самозапуск СД по характеру протека­ния переходных процессов можно разделить на два вида: 1) при сохранении динамической устойчивости; 2) при нарушении устойчивости (выпадение из синхронизма) с последующей ресинхронизацией двигателя.

Первый вид самозапуска предпочтительнее, так как связан с более благо­приятными последствиями. Однако для своего обеспечения он требует доста­точно жестких условий, которые далеко не всегда выполняются. Практически самозапуск двигателя при сохранении динамической устойчивости будет обес­печен, если за время нарушения нормального электроснабжения (к моменту его восстановления) угол 5, характеризующий положение ротора (11.36), не превысит критического значения 8_кр = 140°-г-150°. Время, за которое угол 5 до­стигает величины 5_кр при авариях в системах электроснабжения, в среднем составляет /_кр = 0,2-К),3 с, t недостаточно для традиционных средств проти-воаварийной автоматики, поэтому более распространен второй из указанных видов самозапуска.

При подключении синхронных двигателей к электрической сети после свободного выбега в обмотках статора СД возникают токи, называемые тока­ми включения, величина которых зависит от положения ротора (угла 5) и зна­чения электродвижущей силы Е_й.

Наибольшей величины ток включения достигает при 8 = 180°, /_вкл опреде­ляется по соотношению

/ = ^Ес ~^£д (11.37)

^вш x_Q+x]

Глава 11. Пуск и самозапуск электрических двигателей

и может существенно превысить пусковой ток; X_Q — реактивная составляю­щая сопротивления Z_c (см. рис. 11.6), X"_d — сверхпереходное индуктивное со­противление СД по продольной оси,

*;=*_{e +} fJ_ + _i- ₊ -J-V (П.38)

Значительные по величине токи включения могут вызывать в обмотках статора усилия, приводящие к деформациям изоляции и механическому по­вреждению лобовых частей обмоток.

Ограничение токов включения возможно при правильном выборе момен­та включения, когда угол 5 = 15-^20° (синфазное включение), что требует спе­циальных устройств автоматики, или гашения поля СД, например на пуско­вое сопротивление (см. рис. 11.4, в), когда ЭДС Е_й снижается до нуля или безопасных значений. Время эффективного гашения поля в этом случае со­ставляет около 2—3 с.

Разгон СД при восстановлении электроснабжения происходит в соответст­вии с уравнениями движения (11.31) и (11.32), однако ввиду особенностей конструкции в отличие от АД осуществляется в два этапа: разворот до под-синхронной скорости и синхронизация после подачи возбуждения.

Под термином «подсинхронная скорость» понимается такое установивше­еся ее значение, до которого двигатель разгоняется под действием асинхрон­ного момента при данной загрузке и отсутствии возбуждения, т. е. подсин­хронная скорость — установившееся значение угловой скорости асинхронного режима СД.

После разгона двигателя до подсинхронной скорости и подачи возбужде­ния наряду с асинхронным электромагнитным моментом появляется син­хронный момент

M_c = ^^sin6, (11.39)

X

значение которого в зависимости от угла 9 между векторами Е ЭДС двигате­ля и напряжением сети £/ _д будет то знакоположительным, то знакоотрица-тельным (рис. 11.8, кривая /).

и^г(х,-ху

я

Помимо синхронного электромагнитного момента при расчете процесса синхронизации СД необходимо учитывать момент явнополюсности, который не зависит от наличия возбуждения, не исчезает в синхронном режиме двига­теля и имеет двойную частоту по сравнению с моментом М_с (рис. 11.8, кри­вая 2):

М.

XX

sin 29. (11.40)

Общий синхронизирующий момент СД определяется суммой моментов М_с и М. (рис 11.8, кривая 3). Максимальное значение момента Л/ невелико (не

11.2. Пуск и самозапуск асинхронных и синхронных двигателей

0,25 1,0 2,0 3,0 Рис. 11.9.Расчетные осциллограммы пуска СТД-8000 от трансформатора 25 МВА

рад 0,5

т, отн ед.

2,0-	1г*%с^3
1,0-	/^2 \
о-	я/2 п\	Зя/2~	|2я 5л/2 зяЛ
1,0-
2,0-	3^

Рис. 11.8. Синхронизирующие моменты СД: 1 — синхронный М_с; 2 — явнополюсности М„; 3 -результирующий

более 0,3) и на процесс втягивания в синхронизм существенного влияния не оказывает.

По причине знакопеременности синхронизирующего электромагнитного момента при подаче возбуждения возникают колебания скорости вращения ротора СД около подсинхронного значения, и втягивание в синхронизм дви­гателя будет возможным, если в период действия положительной полуволны синхронизирующего момента двигатель достигает синхронной угловой скоро­сти.

На рис. П.9 приведены расчетные осциллограммы процесса пуска и син­хронизации двигателя СТД-8000-2 от трансформатора с номинальной мощно­стью S_M0M = 25 МВА.

Вопросы для самопроверки

1. Назовите характеристики АД с короткозамкнутым ротором, необходимые при расчетах их пуска и самозапуска в системах электроснабжения.

2. Графически изобразите пусковые характеристики АД.

3. Сформулируйте условия пуска и самозапуска асинхронного и синхронного двигателей и оцените ограничения.

Глава 12. Качество электрической энергии

Дата добавления: 2015-07-17