Асинхронный режим работы синхронного двигателя

4.7. Режимы работы синхронного двигателя

4.7.1. Пуск синхронных двигателей

Поскольку синхронный двигатель имеет в синхронном режиме одну рабочую скорость, то пуск этих двигателей осуществляется в асинхронном режиме. Для этого в конструкции ротора предусмотрена короткозамкнутая обмотка, конструкция которой аналогична клетке ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя. Поэтому при разгоне до подсинхронной скорости двигатель работает как асинхронный короткозамкнутый с механической характеристикой 2 (см.рис.4.24). По достижении подсинхронной скорости, которая должна быть не менее, чем 0,95, в обмотку возбуждения подается постоянный ток, и двигатель втягивается в синхронизм, переходя на работу в точкеб, соответствующей синхронному режиму.

При работе в установившемся режиме с синхронной скоростью ток в пусковой клетке не протекает. Пусковая клетка ротора рассчитывается на кратковременный режим работы, и длительная (свыше 20-30с) работа в асинхронном режиме недопустима.

Кроме обеспечения режима пуска, пусковая клетка играет роль демпферной обмотки, стабилизируя переходные процессы при работе двигателя в синхронном режиме.

4.7.2.Возбуждение синхронных двигателей

Синхронные двигатели промышленного назначения имеют электромагнитное возбуждение от независимого источника постоянного тока, в качестве которых используются: генераторы постоянного тока (возбудители), которые могут располагаться на одном валу с синхронным двигателем (рис.4.27а) или приводиться во вращение отдельным двигателем (рис.4.27б), тиристорные управляемые выпрямители, которые могут получать питание от промышленной сети (рис.4.27в), либо от специального генератора переменного тока, располагаемого на одном валу с синхронным двигателем. В последнем случае (рис.4.27г) полупроводниковые выпрямители располагаются на роторе синхронной машины (система с вращающимися выпрямителями), вследствие чего не требуются щетки и кольца для подвода тока к обмотке возбуждения, т.е. синхронная машина становится бесконтактной.

Во время разгона, когда двигатель работает в асинхронном режиме, возбудитель может быть подключен к обмотке ротора при снятом напряжении возбудителя (схема с глухоподключенным возбудителем), а может быть отключен от обмотки возбуждения контактором КМ (см., например, схемы рис.4.22 и 4.27). В последнем случае обмотка возбуждения замыкается на сопротивление или замыкается накоротко. Оставлять концы обмотки возбуждения во время разгона разомкнутыми нельзя, т.к. в обмотке при больших скольжениях наводится значительная э.д.с. скольжения.

Рис.4.27. Схемы возбуждения синхронного двигателя

При использовании в качестве возбудителя тиристорного преобразователя или вращающихся выпрямителей во время пуска обмотка возбуждения закорачивается через шунтирующие тиристоры.

Рассмотрим схему 4.27в. При пуске двигателя в асинхронном режиме напряжение тиристорного преобразователя UD равно нулю. В обмотке возбуждения индуктируется переменная э.д.с. скольжения, под действием которой через стабилитроны VD открываются вспомогательные тиристоры VS, и обмотка возбуждения закорачивается на разрядное сопротивление R. Когда двигатель достигает подсинхронной скорости, э.д.с. скольжения становится малой, стабилитроны запираются и тиристоры VS отключают разрядное сопротивление, после чего в обмотку возбуждения подается постоянный ток от преобразователя UD.

В последние годы получили распространение возбудители, встроенные в конструкцию синхронной машины (рис.4.27г). Возбудитель состоит из синхронного генератора G, ротор которого расположен на валу синхронного двигателя М, неуправляемых выпрямителей, вспомогательных тиристоров и разрядных сопротивлений, также размещенных на валу синхронного двигателя. Регулирование тока возбуждения производится изменением тока возбуждения возбудителя G. По достижении подсинхронной скорости цепи, шунтирующие обмотку возбуждения, размыкаются и в обмотку подается постоянный ток, после чего двигатель втягивается в синхронизм, его скорость достигает синхронной, и в дальнейшем он работает в синхронном режиме.

Работа синхронной машины в асинхронном режиме

Практически все синхронные машины имеют демпферную систему. В явнополюсных машинах это короткозамкнутая обмотка типа «беличья клетка», уложенная в пазах на полюсных наконечников ротора. Обычно она неполная, т.к. в междуполюсных промежутках стержней демпферной обмотки нет. В неявнополюсных машинах роль демпферной системы выполняет массивное тело ротора, в котором в переходных режимах индуктируются вихревые токи. Они и создают демпферный эффект. Поскольку ротор неявнополюсных машин цилиндрический, то демпферная система у них практически симметричная, несмотря на наличие пазов, в которых располагают витки обмотки возбуждения.

При параллельной работе синхронных генераторов или при работе синхронной машины в режиме двигателя вполне возможны случаи выпадения машины из синхронизма с сетью. Причинами этого явления могут быть:

— резкое снижение напряжения сети U_с;

— уменьшение тока возбуждения машины и как следствие этого – уменьшение ЭДС машины Е_г;

— резкое увеличение вращающего момента первичного двигателя при работе машины генератором или резкое увеличение момента сопротивления на валу при работе двигателем.

Выпадение из синхронизма произойдет, если будет нарушено условие устойчивости, в частности, если внешний момент (момент первичного двигателя) превзойдет максимальное значение синхронного момента или при увеличении угла θ свыше значения критического угла θ_В. После выпадения из синхронизма угловая скорость ротора под действием внешнего момента станет больше синхронной, если машина работала генератором, или меньше синхронной, если машина работала двигателем. Естественно, что возникнет скольжение ротора относительно поля статора, сущность которого аналогична скольжению ротора асинхронного двигателя или асинхронного генератора. По мере отклонения скорости ротора от скорости поля статора это скольжение будет возрастать. Следовательно, синхронная машина станет работать в асинхронном режиме. При этом необходимо различать асинхронный режим возбужденной машины от асинхронного режима невозбужденной машины.

Допустим, что синхронная машина вышла из синхронизма за счет прекращения подачи питания в обмотку возбуждения. Допустим также, что машина работала генератором. При отсутствии тока возбуждения станет равным нулю электромагнитный тормозной момент генератора, он перестанет отдавать в сеть активную и реактивную мощность, а первичный двигатель увеличит частоту вращения ротора.

По мере увеличения частоты вращения возникнет скольжение так как |n| > |n₁|. Следовательно, возникнет асинхронный электромагнитный тормозной момент как в генераторном режиме асинхронной машины. Работа синхронной машины в этом режиме соответствует начальной части асинхронной характеристики в третьем квадрате, как показано на рисунке 2. По мере увеличения скольжения электромагнитный тормозной момент возрастает и при некоторых условиях может уравновесить вращающий момент первичного двигателя. То есть будет отдавать в сеть активную мощность, практически равную мощности исходного синхронного режима. Однако ток в обмотке статора будет значительно больше, чем в исходном режиме, поскольку машина будет потреблять из сети реактивную мощность, необходимую для создания магнитного поля машины. Кроме того, в демпферной обмотке или в массиве неявнополюсного ротора будут протекать достаточно большие токи. Эффективность и возможная длительность этого режима зависит от конструкции ротора. Неявнополюсные машины имеют весьма мощную и симметричную демпферную систему, что обеспечивает им большой максимальный асинхронный момент, который в 2 – 3 раза превышает номинальный внешний момент синхронного режима. В явнополюсных машинах демпферная обмотка несимметрична, поэтому ее асинхронный момент невелик. Кроме того, он является пульсирующим Следовательно, эффективность асинхронного момента еще более снижается.

Таким образом, неявнополюсные синхронные машины в асинхронном режиме могут работать даже при номинальной мощности достаточно долго – около 30минут. Длительная работа в асинхронном режиме невозможна и у них, поскольку реактивная мощность и повышенные токи в обмотках статора и ротора ведут к перегреву машины и к необходимости снижения отдаваемой в сеть активной мощности. В явнополюсных асинхронный режим значительно более напряженный, поэтому длительность работы в этом режиме меньше и требует снижения отдаваемой в сеть активной мощности. Практически при отсутствии возбуждения в течение 10 – 15 сек.. машину необходимо отключить от сети.

Следует отметить, что в любом случае при асинхронном режиме и отсутствии возбуждения обмотка возбуждения должна быть замкнута на гасительное (разрядное) сопротивление или замкнута накоротко для предотвращения пробоя изоляции.

Асинхронный режим при наличии питания обмотки возбуждения аналогичен режиму грубой синхронизации и сопровождается резкими бросками тока в обмотках, провалами напряжения особенно при больших скольжениях ротора относительно поля статора. Поэтому в случае выхода из синхронизма синхронной машины необходимо перевести ее в режим ресинхронизации в зависимости от конструкции машины и причины выхода в асинхронный режим. Во многих случаях ресинхронизация происходит автоматически, если выход из синхронизма произошел из-за кратковременного провала напряжения сети, а питание обмотки возбуждения не прерывалось. Иначе говоря, процесс самосинхронизации проходит после восстановления напряжения сети.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Работа — синхронный двигатель

Работа синхронного двигателя в качестве БМПТ в соответствии с условиями ( 3 — 3) и ( 3 — 4) обеспечивает полное отсутствие опасности выхода двигателя из синхронизма. Изменение скорости вращения и соответственно частоты тока в обмотке с изменением напряжения сети или нагрузки на валу обусловливает возможность плавного регулирования скорости двигателя в широких пределах. Рабочие характеристики БМПТ подобны соответствующим характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока, а угол 9 эквивалентен углу сдвига щеток с геометрической нейтрали. [1]

Работа синхронного двигателя в асинхронном режиме опасна, для самого двигателя, поскольку при этом в обмотках статора и ротора появляются дополнительные пульсирующие токи, которые вызывают перегрев двигателя. Поэтому на синхронных двигателях предусматривается защита от асинхронного режима. [2]

Работу синхронного двигателя образно можно представить в виде следующей механической аналогии: полюсы ротора связаны с вращающимися полюсами поля статора как бы упругими нитями ( линиями маг нитного поля), создающими необходимое натяжение, которые с увеличением нагрузки могут растягиваться не обрываясь. Если же эти нити при перегрузке машины обрываются, то двигатель выпадает из синхронизма и имеет место аварийный режим. [3]

Работу синхронного двигателя образно можно представить в виде следующей механической аналогии: полюсы ротора связаны с вращающимися полюсами поля статора как бы упругими нитями ( линиями магнитного поля), создающими необходимое натяжение, которые с увеличением нагрузки могут растягиваться, не обрываясь. [4]

Условия работы синхронных двигателей при понижениях напряжения оказываются другими, чем для асинхронных. Установившийся синхронный режим двигателя характеризуется потребляемой им активной мощностью Рс Шсозф, ЭДС Ed за синхронным активным сопротивлением в продольной оси Ха и поперечной оси Xq и углом сдвига 8 между Ed и напряжением на зажимах U. С другой стороны, PC определяется статическим противодействующим моментом Мпр. Устойчивая работа имеет место в том случае, когда нагрузка механизма меньше максимально возможного значения Рс max. При дальнейшем уменьшении EdU возникают качания и возможность выпадения Двигателя из синхронизма. Таким образом, выпадение двигателя из синхронизма может определяться снижением U, уменьшением тока возбуждения и недопустимым увеличением нагрузки. С другой стороны, форсировка возбуждения, широко используемая в отечественной практике, существенно влияет на повышение устойчивой работы. Внезапные резкие снижения напряжения, опасные с точки зрения выпадения двигателя из синхронизма, обычно возникают в результате КЗ в питающей сети. [5]

Условия работы синхронных двигателей при понижениях напряжения оказываются другими, чем для асинхронных. Установившийся синхронный режим двигателя хараи — теризуется потребляемой им активной мощностью Р Шcos ф, ЭДС Еа за синхронным активным сопротивлением в продольной оси Ха и поперечной оси Xq: углом сдвига 5 между Ed и напряжением на зажимах U. С другой стороны, Рс определяется статическим противодействующим моментом Mnf. Устойчивая работа имеет месте в том случае, когда нагрузка механизма меньше максимально возможного значения Рс max. При дальнейшем уменьшении EdU возникают качания и возможность выпадения Двигателя из синхронизма. [6]

Анализ работы синхронных двигателей ( СД) кустовых насосных станций ( КНС) АО Татнефть, устройств их возбуждения и защиты показал, что ежегодно выходят из строя около 6 % двигателей. Из рассмотренных двигателей 30 % имеют тиристорные схемы возбуждения собственного ( непромышленного) изготовления, которые имеют ряд существенных недостатков: отсутствие режима форсировки и защиты цепей возбуждения, невозможность интенсивного гашения поля двигателя при аварийных режимах. [7]

Длительность работы синхронных двигателей в асинхронном режиме ограничивается, и для ускорения разгона двигателя до подсинхронных оборотов при необходимости производится разгрузка двигателя при самозапуске. В системах электроснабжения промышленных предприятий обычно предусматривается АВР на секционных выключателях и АПВ на выключателях питающих линий. Пусковым органом АВР при самозапуске асинхронных двигателей служит реле минимального напряжения. Если имеются и синхронные двигатели, то применяется схема АВР с комбинированным пусковым органом по частоте и напряжению. [8]

Обеспечение работы синхронных двигателей с cos ср 1 ( или даже опережающим) можно достигнуть регулировкой тока возбуждения, что является большим преимуществом синхронных двигателей перед асинхронными. [9]

Анализ работы синхронных двигателей ( СД) кустовых насосных станций ( КНС) АО Татнефть, устройств их возбуждения и защиты показал, что ежегодно выходят из строя около 6 % двигателей. [10]

Принцип работы синхронных двигателей с постоянными магнитами основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля обмотки статора с полем постоянных магнитов, расположенных на роторе. [12]

Обеспечение работы синхронных двигателей с cos ср 1 ( или даже опережающим) можно достигнуть регулировкой тока возбуждения, что является большим преимуществом синхронных двигателей перед асинхронными. [13]

При работе синхронного двигателя в режиме перевозбуждения он отдает в сеть реактивную энергию. Это свойство синхронных двигателей широко используют на предприятиях для улучшения коэффициента мощности электроустановок. [14]

Асинхронный режим. Причины возникновения и признаки асинхронного режима

Страницы работы

Содержание работы

Асинхронный режим. Причины возникновения и признаки асинхронного режима.

Асинхронные режимы – режимы работы электрической системы при большом отклонении скорости вращения роторов генераторов или двигателей от синхронной: работа синхронной машины при потере возбуждения, процессы ресинхронизации после нарушения устойчивости, самосинхронизация генераторов, автоматическое повторное включение с самосинхронизацией или без контроля синхронизма, асинхронный пуск двигателей, компенсаторов, самозапуск двигателей.

Причины выпадения из синхронизма генераторов:

1. Потеря возбуждения генератора.

2. Нарушение динамической устойчивости.

3. Нарушение статической устойчивости.

Следует различать большие качания и асинхронный ход. При больших качаниях угол d достигает определенного величины начинает уменьшаться. При асинхронном ходе вектор Е хотя бы одной из станций изменяться на угол больше 360°. При больших качаниях характерен провал в кривой мощности, появляющийся при переходе угла за 90°, а для асинхронного хода характерно периодическое изменение знака мощности

Рис.3 – Режим больших качаний

Рис.3 – Режим асинхронного хода

Процесс выпадения из синхронизма.

Вследствие, например, отключения линии происходит переход с характеристики Р I на характеристику Р II (точки 1-2). В точке 2 на ротор генератора действует избыточный ускоряющий момент под действием которого увеличивается скорость вращения генератора и появляется скольжение.

В точке 3 снова включается линия и происходит переход с характеристики Р II на Р I (точки 3-4).

В точке 4 на ротор генератора начинает действовать избыточный тормозящий момент и w начинает уменьшаться. Поскольку площадка ускорения больше площадки возможного торможения, то к моменту достижения d_кр (точка5) скорость не успевает уменьшиться до синхронной и следовательно скольжение не достигает нулевого значения, после точки 5 на ротор генератора снова действует избыточный ускоряющий момент и следовательно увеличивается w и s. При скорости вращения больше синхронной, генератор, работая как асинхронный, выдает также активную асинхронную мощность, т.е. с появлением скольжения появляется асинхронная мощность.

C увеличением w вступает в действие регулятор скорости вращения турбины, который перекрывает клапаны пускопаротурбины и следовательно уменьшает мощность турбины. В точке 6 мощность турбины равна асинхронной мощности, после чего наступает установившейся асинхронный ход, т.е. увеличение угла d происходит с одной и той же средней скоростью.

Переходной процесс асинхронного режима описывается следующим уравнением:

Исходя из схемы замещения асинхронной машины:

Из-за наличия синхронной мощности S не будет величиной постоянной, оно будет пульсировать около S_cр.

Асинхронная мощность также пульсирует около некоторого среднего значения из-за наличия нессиметрии (явнополюсность, одноосная обмотка возбуждения).

Рис.8

Для большинства синхронных машин асинхронный ход не представляет опасности, турбогенераторы могут развивать мощность, соизмеримую с номинальной. Недопустимость асинхронного режима связана с опасностью нарушения устойчивости остальной части системы, в которой генераторы работают синхронно. В этом режим асинхронно работающий генератор обычно поглощает из системы значительную реактивную мощность, что может приводить к снижению напряжения всей системы, создавая опасность нарушения устойчивости остальных генераторов и двигателей.

Во время асинхронного хода изменяется не только мощность, но ток статора и ротора, а также результирующее потокосцепление обмотки возбуждения.

Возможность асинхронного хода и его длительность зависят от условий работы системы и опасности повреждения самого генератора (механические усилия, нагрев ротора и статора). Турбогенератору при потере возбуждения разрешается работать от 15 до 30 мин, без потери возбуждения несколько меньше. Если за это время синхронную работу восстановить не удастся, то генератор должен быть отключен от сети.

Наличие асинхронного хода может оказать воздействие на поведение системы, т.е. необходимо проверить режим остальной системы, выяснить его влияние на работу нагрузки, проанализировать поведение РЗ и устройств автоматики (могут работать неправильно).