Как регулируется коэффициент мощности синхронного двигателя

Регулирование коэффициента мощности синхронного двигателя

Постоянство напряжения сети, от которой работает синхронный двигатель, обусловливает постоянство в нем результирующего потокосцепления. Поэтому регулирование тока возбуждения ротора при М = const приводит к изменению значения тока статора двигателя и его фазы (см. параграф 4.7). Таким образом, коэффициент мощности синхронных двигателей можно регулировать, что является их важной особенностью.

Изменение тока статора и его фазы при изменении тока возбуждения двигателя можно показать, построив векторные диаграммы (рис. 4.11.1), так же, как это было сделано для генератора.

Рис. 4.11.1. Векторные диаграммы синхронного двигателя при регулировании гока возбуждения

Рис. 4.11.2. V-образные характеристики синхронного двигателя

На угловых характеристиках (см. рис. 4.10.1) отмечены точки 1, 2,3, соответствующие трем векторным диаграммам на рис. 4.11.1.

Зависимость тока статора от тока ротора при заданном моменте па вату синхронного двигателя представляют V-образные характеристики (рис. 4.11.2).

Перевозбужденный двигатель работает с опережающей реактивной составляющей тока (см. рис. 4.11.1), недовозбужденный — с отстающей. На V-образных характеристиках (см. рис. 4.11.2) отмечены точки 1,2,3, соответствующие тем же точкам на угловых характеристиках (см. рис. 4.10.1).

На рис. 4.11.3 приведены три V-образные характеристики для разных значений момента на валу, полученные на компьютерной модели синхронного двигателя (см. параграф 5.2). Каждая из V-образных характеристик получена путем изменения тока ротора при постоянном значении момента на валу.

Рис. 4.113. V-образные характеристики синхронного двигателя (Модель)

Обычно синхронные двигатели работают с перевозбуждением при coscp = 0,8. При этом емкостные составляющие токов статора компенсируют в линии индуктивные составляющие токов асинхронных двигателей, трансформаторов и других индуктивных приемников, уменьшая токи и потери энергии в линиях.

Перевозбужденный синхронный двигатель, работающий без нагрузки на валу, называется синхронным компенсатором — потребителем емкостного тока. Векторная диаграмма компенсатора дана на рис. 4.11.4.

Синхронные компенсаторы используют для «улучшения» коэффициента мощности и стабилизации напряжения промышленных сетей. Мощности синхронных компенсаторов достигают 100—160 Мвар.

Рис. 4.11.4. Векторная диаграмма синхронного компенсатора

Задание 4.11.1. В цехе установлено несколько трехфазных асинхронных двигателей. Их общие параметры: cosip = 0,6 (инд); Р_пш = 124 кВт; 1/_шш = 380 В. Предполагается увеличить активную мощность приводов в 1,8 раза, но так, чтобы ток в линии увеличился не более чем на 20%. Для этого установлен синхронный двигатель со следующими номинальным и данными: Р_шт =100 кВт; U_HOM = = 380 В; coscp = 0,8 (емк).

Определить коэффициент мощности и ток в линии до и после установки синхронного двигателя.

1. Определим мощности всех асинхронных двигателей и ток до установки синхронного двигателя.

Коэффициент мощности cosip = 0,6.

2. Реактивная мощность синхронного двигателя

3. После установки синхронного двигателя получаем следующие значения. Общая активная мощность

Общая реактивная мощность

Общая полная мощность

Ток в линии (общий ток)

Ток увеличился всего на 17%.

Установка синхронного двигателя привела к «улучшению» коэффициента мощности.

§ 22.4. Синхронный компенсатор

Синхронный компенсатор (СК) представляет собой синхронную машину, предназначенную для генерирования реактивной мощности. Синхронный компенсатор включают в электрическую систему с целью повышения ее коэффициента мощности.

Принцип происходящих при этом явлений состоит в том, что необходимую для работы некоторых потребителей реактивную мощность вырабатывает не синхронный генератор, установленный на электростанции, а синхронный компенсатор, установленный в непосредственной близости к потребителю. К числу потребителей переменного тока, требующих значительной реактивной мощности, в первую очередь относятся асинхронные двигатели. На рис. 22.7 показана система, состоящая из синхронного генератора (СГ), повышающего ТрI и понижающего ТрII трансформаторов, линии электропередачи (ЛЭП), потребителя Z и синхронного компенсатора (СК), включенного непосредственно на входе потребителя. Синхронный компенсатор, включенный в сеть, работает как синхронный двигатель без нагрузки , т. е. в режиме х. х., и привырабатывает реактивную мощность , необходимую для работы потребителя Z, например группы асинхронных двигателей. Благодаря этому реактивная мощность в СГ и ЛЭП доведена до неко­торого минимального значения . Это способствует повышениютехнико-экономических показателей всей электрической системы.

Рис. 22.7. Схема включения синхронного

компенсатора (СК) в электрическую систему

Рис. 22.8. Применение синхронного компенсатора для по­вышения коэффициента мощности сети

Для пояснения явлений, связанных с подключением СК к электрической системе, рассмотрим рис. 22.8. При подключении потребителя Z к сети с напряжением (рис. 22.8,) в сети возникает ток , отстающий по фазе от напряжения на угол , обусловленный значительной индуктивной составляющей тока.При подключении СК параллельно потребителю Z и создании в СК режима перевозбуждения (рис. 22.8, ) в сети появится ток , опережающий по фазе напряжение на угол 90°. Результи­рующий ток в сети

(22.1)

Фазовый сдвиг этого тока относительно напряжения сети (угол ) намного меньше угла фазового сдвига до включения СК(угол ). Кроме того, токстанет меньше. В этом можноубедиться исходя из следующих соображений. Так как СК работа­ет без нагрузки на валу, то его активная мощность не велика и определяется потерями х.х. в компенсаторе. Пренебрегая этими потерями, можно активную мощность в сети до подключения СК

(22.2)

приравнять к активной мощности сети после подключения СК:

(22.3)

Но так как , а , то. В результатесинхронный генератор и линия электропередачи разгружаются, и потери мощности в них уменьшаются.

В некоторых случаях СК работают с недовозбуждением. Необхо­димость в этом возникает, если ток в системе содержит значительную емкостную составляющую, которая не компенсируется индуктивной составляющей тока потребителей. Обычно степень возбуждения СК регулируют посредством автоматических устройств.

Синхронные компенсаторы применяют также для стабилиза­ции напряжения в сети при передаче энергии по линиям большой протяженности. При больших индуктивных нагрузках напряжение в конце линии (у потребителей) оказывается намного меньше, чем в начале; при малых нагрузках, наоборот, под влиянием емкост­ных сопротивлений линии напряжение в конце линии может даже повышаться по сравнению с напряжением в начале. Если же в конце линии (у потребителей) включить СК, работающий при больших нагрузках с перевозбуждением и при малых нагрузках с недовозбуждением, то это позволит поддерживать напряжение в конце линии практически неизменным.

Условия нагревания СК при опережающем токе (при перевоз­буждении) более тяжелые, чем при отстающем (при недовозбуждении), поэтому номинальной мощностью компенсатора считают мощность при перевозбуждении.

Пример 22.1. Потребитель, включенный в сеть переменного тока напряже­нием = 6,3 кВ, потребляет мощность 1500 кВ·А при коэффициенте мощности = 0,7 . Определить мощность синхронного компенсатора, необходимого для повышения коэффициента мощности в сети до = 0,95 (= 0,31). Определить также силу тока нагрузки в сети до и после компенсации.

Решение. До включения СК реактивная мощность сети кВ∙Ар, ток нагрузки в сети

А;

активная составляющая этого тока А.

После включения СК реактивная мощность уменьшилась до

кВ∙Ар.

Таким образом, для повышения коэффициента мощности установки от = 0,7 до = 0,95 требуется включить СК мощностью

кВ∙Ар.

При этом активная составляющая тока сети не изменится (= 97 А), а реактивная составляющая этого тока станет равной

А.

Следовательно, ток в сети после включения СК

А.

Обычно коэффициент мощности увеличивают до 0,92—0,95, так как экономия, получаемая от повышения коэффициента мощности до единицы, не оправдывает увеличивающихся расходов, обусловленных возросшей мощностью синхронного компенсато­ра. Так, если в рассматриваемом примере потребовалось бы уве­личить коэффициент мощности в сети до единицы, то пришлось бы применить синхронный компенсатор мощностью 1050 кВ∙Ар, т. е. почти в два раза больше, чем при = 0,95.

Синхронные компенсаторы — это электрические машины большой мощности: от 10 до 160 тыс. кВ∙А. Выполняют их обыч­но с горизонтальным расположением вала на напряжение от 6,6 до 16 кВ, частотой 50 Гц. Число полюсов в СК обычно составляет = 6 и 8, что соответствует частоте вращения ротора 1000 и 750 об/мин. В синхронных компенсаторах современных серий применен асинхронный пуск, поэтому ротор СК снабжен пусковой клеткой.

Вал компенсатора не передает вращающего момента, и поэто­му при его расчете учитывают лишь силу тяжести ротора и силу магнитного притяжения. В итоге вал СК по сравнению с валом синхронного двигателя имеет уменьшенное сечение. Это способ­ствует уменьшению габаритов и облегчению СК. Так как вал СК не имеет выступающего конца, то СК сравнительно легко герме­тизировать с целью применения в нем водородного охлаждения (см. § 19.3).

Наиболее важными характеристиками СК являются U-образные характеристики, определяющие основные параметры компен­сатора: значения токов в обмотке статора и в обмотке возбужде­ния. В принципе эти характеристики не отличаются от U-образной характеристики синхронного двигателя в режиме х.х. (= 0). Указанные характеристики строят для разных напряжений сети.

Синхронный компенсатор не несет активной нагрузки (его электромагнитная мощность ) и работает при значении уг­ла , что обеспечивает СК большую перегрузочную способ­ность.

Контрольные вопросы.

1. Чем ограничивается область устойчивой работы синхронного двигателя?

2. Объясните процесс пуска синхронного двигателя?

3. Как регулируется коэффициент мощности синхронного двигателя?

4. Каково назначение синхронного компенсатора?

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

Регулирование коэффициента мощности

Синхронный двигатель позволяет регулировать реактивную мощность, отдаваемую в сеть, что является очень ценным качеством.

Пусть двигатель работает с неизменной механической нагрузкой на валу, т. е. М_с = const при U = const.

При изменении тока возбуждения I_в будут изменяться противоЭДС E₀ и ток якоря I_я, однако вращающий момент М и активная мощность двигателя в установившемся режиме останутся неизменными. Это означает, что изменение тока I_в не изменяет для E; (₀ его горизонтальной проекции E₀sinθ на рис. 3.48, б, т. е. приводит к перемещению вершины E; (₀ по вертикальной прямой b₁–b₂. Аналогично изменение тока I_в не изменяет для тока якоря вертикальной проекции I_яcosφ, т. е. приводит к перемещению вершины вектора İ_я по горизонтальной прямой а₁–а₂. На рис. б E; (₀ находится в точке b₁. При этом İ_я, ортогональный вектору jX_снİ_я, отстает от U; ( на угол φ₁ (φ₁ > 0). Такой режим называют режимом недовозбуждения, в этом режиме двигатель для сети представляет активно-индуктивную нагрузку и отдает в сеть положительную реактивную мощность Q = UI_яsinφ₁ > 0.

Увеличив I_в до значения, при котором вершина E; (₀ станет на одной горизонтали с вершиной U; (, т. е. в точке b₀, получим номинальный режим (I_в = I_в,ном). В этом режиме İ_я находится в точке а₀ и совпадает по фазе с напряжением U; ( (φ₀ = 0), двигатель является чисто активной нагрузкой с cosφ₀ = 1. Продолжим увеличение тока I_в. Пусть I_в > I_в,ном, чему соответствует положение вершины вектора E; (₀ в точке b₂. Такой режим называют режимом перевозбуждения. Точке b₂ соответствует положение вершины I; (_я в точке а₂. Тогда в режиме перевозбуждения I; (_я опережает по фазе напряжение U; ( на угол φ₂ < 0. Двигатель в перевозбужденном режиме представляет для сети активно-емкостную нагрузку и отдает в сеть отрицательную реактивную мощность Q = UIsinφ₂ < 0. Эта мощность может использоваться для компенсации положительной реактивной мощности других потребителей (например, АД). В итоге можно значительно повысить суммарный коэффициент мощности всех потребителей. Изменяя ток I_в и пользуясь диаграммой б, можно получить зависимость I_я = f(I_в) для разных значений M_c. Эти зависимости называют V-образными характеристиками .

Сделаем выводы по V-образным характеристикам. При значительных токах I_в > I_в,ном рост тока якоря замедляется в связи с насыщением магнитной цепи. Пунктирная линия cosφ = 1 показывает, что с ростом момента сопротивления M_c для сохранения номинального режима нужно увеличивать ток возбуждения. Чем меньше ток I_в в режиме недовозбуждения, тем ближе двигатель к границе устойчивости (выпадение из синхронизма). Режим перевозбуждения выгоден и тем, что увеличивает запас K_м по моменту, так как уменьшается угол нагрузки θ (рис. б). Поскольку в режиме перевозбуждения рост I_в ведет к росту I_я, то при номинальной нагрузке двигателя (М_с = М_ном) возможность введения перевозбуждения ограничена, так как оно приводит к перегреву обмоток двигателя. Для увеличения резерва перевозбуждения нужно снижать М_с. В наибольшей мере эта возможность реализована в синхронных компенсаторах. Синхронный компенсатор – синхронная машина облегченной конструкции, работающая без нагрузки на валу в перевозбужденном режиме. По отношению к сети он практически эквивалентен конденсатору и используется для повышения cosφ за счет компенсации положительной реактивной мощности асинхронных двигателей.

Регулирование коэффициента мощности с помощью синхронного двигателя

Существенной особенностью синхронных двигателей является то, что они, работая с механической нагрузкой, позволяют в широких пределах изменять потребляемый из сети реактивный ток и реактивную мощность. Осуществляется это путем изменения тока возбуждения I _в с помощью реостата r _р (см. рис. 11.8).

Предположим, что двигатель работает при постоянном моменте статического сопротивления (М _с = const) и что некоторому току возбуждения I _в1 соответствуют ЭДС Е ₀₁, ток I ₁, углы φ₁ и θ₁(рис. 11.12, а).

Прямым следствием изменения тока I _в является изменение магнитного потока Ф₀, а значит, и ЭДС E ₀; последнее приводит к изменению тока якоря I. Так как М = const, то при различных I _вмомент двигателя М и мощность Р _эм будут оставаться также неизменными, поскольку при установившихся режимах работы с различными токами M = M _c = const, а Р _эм = M ω. Если не учитывать потерь мощности I 2 r, то можно считать неизменной и мощность Р _φ.

Из выражения Р эм = М ω и (11.14) следует, что Р эм = 3 U	E 0	sin θ.
x c

Очевидно, мощность Р _эм будет постоянной при изменении тока возбуждения, если Е ₀ sin θ = const. Последнее означает, что геометрическим местом концов векторов ЭДС при изменении тока I _в является линия АБ, параллельная вектору напряжения U.

На основании выражения Р _φ = 3 UI cos φ можно сделать вывод о том, что мощность Р _φ будет постоянной, если I cos φ = const, т. е. если остается постоянной активная составляющая тока. Геометрическим местом концов вектора тока I при изменении тока I _в является, очевидно, линия ВГ, перпендикулярная вектору напряжения U.

Чтобы составить представление о влиянии тока I _в на реактивный ток и реактивную мощность двигателя, на рис. 11.12, а совмещено несколько векторных диаграмм для различных токов возбуждения.

Рис. 11.12. Векторные диаграммы синхронного двигателя при различных токах возбуждения (а) и U-образные характеристики при различных мощностях (б)

Рис. 11.13 Векторная диаграмма синхронного компенсатора

При некотором токе возбуждения I _в2 > I _в1 двигатель имеет ЭДС Е ₀₂ и ток I ₂, совпадающий по фазе с напряжением (φ₂ = 0). Реактивные составляющие тока якоря и потребляемой двигателем мощности в этом случае равны нулю. При недовозбуждении (I _в1 < I _в2 и Е ₀₁ < Е ₀₂) двигатель имеет индуктивные составляющие тока (φ₁ > 0) и потребляемой мощности, а при перевозбуждении (I _в3 > I _в2 и Е ₀₃ > Е ₀₂) — емкостные составляющие тока (φ₃ < 0) и потребляемой мощности.

При недовозбуждении под действием индуктивной составляющей тока двигатель дополнительно подмагничивается, при перевозбуждении под действием емкостной составляющей тока размагничивается. Степень подмагиичивания или размагничивания двигателя такова, что при всех значениях тока возбуждения в обмотке якоря возникает результирующая ЭДС Е, действующее значение которой остается неизменным, так как Е = U.

Зависимость I (I _в), показывающая, как изменяется ток якоря I при изменении тока возбуждения I _в в случае постоянной мощности, называется U-образной характеристикой синхронного двигателя. Несколько таких характеристик для различных значений мощностей приведены на рис. 11.12, б. Минимальные значения токов I получаются при cos φ = l. Область, расположенная слева от пунктирной линии, соответствует работе с токами, отстающими по фазе от напряжения, справа — с токами, опережающими напряжение.

Свойство перевозбужденного синхронного двигателя потреблять кроме активной составляющей тока и активной мощности емкостную составляющую тока и емкостную мощность, используют для повышения (компенсации) коэффициента мощности других потребителей, создающих активно-индуктивную нагрузку системы. Используя указанное свойство синхронных двигателей, оказалось возможным создавать синхронные машины, называемые синхронными компенсаторами. Синхронный компенсатор представляет собой по существу синхронный двигатель, рассчитанный на работу с перевозбуждением без механической нагрузки и предназначенный специально для улучшения коэффициента мощности. Если не учитывать относительно небольших потерь мощности в синхронном компенсаторе, можно считать, что им потребляются из сети трехфазного тока чисто емкостный ток и емкостная мощность. Векторная диаграмма синхронного компенсатора при таком допущении приведена на рис. 11.13.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: