Лекции "Синхронные машшины"

1 Устройство и принцип действия синхронных машин

Синхронные машины — это бесколлекторные машины переменного тока. По своему устройству они отличаются от асинхронных машин лишь конструкцией ротора, который может быть явнополюсным или неявнополюсным (рис. 1).

Рисунок 1 – Роторы синхронных машин

Синхронные машины отличаются синхронной частотой вращения ротора при любой нагрузке, а также возможностью регулирования коэффициента мощности, устанавливая такое его значение, при котором работа синхронной машины становится наиболее экономичной. Синхронные машины обратимы и могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Синхронные генераторы составляют основу электротехнического оборудования электростанций, т. е. практически вся электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами.

Единичная мощность современных синхронных генераторов достигает миллиона киловатт и более. Синхронные двигатели применяются главным образом для привода устройств большой мощности. Такие двигатели по своим технико-экономическим показателям превосходят двигатели других типов. В крупных электроэнергетических установках синхронные машины иногда используются в качестве компенсаторов — генераторов реактивной мощности, позволяющих повысить коэффициент мощности всей установки. В данном разделе рассмотрены главным образом трехфазные синхронные машины. Приведены также сведения по некоторым типам синхронных двигателей весьма малой мощности, применяемым в устройствах автоматики и приборной техники.

2 Устройство синхронных машин

Синхронная машина состоит из неподвижной части статора и вращающейся части ротора.

Статоры синхронных машин в принципе не отличаются от статоров асинхронных двигателей, т. е. состоят из корпуса, сердечника и обмотки. Конструктивное исполнение статора синхронной машины может быть различным в зависимости от назначения и габаритов машины. Так, в многополюсных машинах большой мощности при наружном диаметре сердечника статора более 900 мм пластины сердечника делают из отдельных сегментов, которые при сборке образуют цилиндр сердечника статора. Корпуса статоров крупногабаритных машин делают разъемными, что необходимо для удобства транспортировки и монтажа этих машин

3 Режимы работы синхронных машин

Режим генератора

В режиме генератора синхронная машина преобразует механическую энергию в электрическую. Она подключается к внешней нагрузке, которая потребляет электрическую энергию. Роторная обмотка синхронной машины вращается под действием внешнего источника энергии, например, паровой турбины или газового двигателя. При вращении ротора создается переменное магнитное поле, которое индуцирует переменное напряжение в статорных обмотках. Это напряжение подается на внешнюю нагрузку.

Режим двигателя

В режиме двигателя синхронная машина преобразует электрическую энергию в механическую. Она подключается к источнику электрической энергии, который подает переменное напряжение на статорные обмотки. Под действием этого напряжения в роторе создается переменное магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем статора и вызывает вращение ротора. Таким образом, синхронная машина работает как электрический двигатель.

Режим синхронного конденсатора

В режиме синхронного конденсатора синхронная машина используется для компенсации реактивной мощности в электрической сети. Она подключается параллельно к сети и работает в режиме генератора с нулевой активной мощностью. Роторная обмотка синхронной машины вращается под действием внешнего источника энергии, а статорная обмотка создает переменное магнитное поле, которое компенсирует реактивную мощность в сети.

Режим регулирования напряжения

Синхронные машины также могут использоваться для регулирования напряжения в электрической сети. В этом режиме они работают как генераторы, подключенные параллельно к сети. Путем изменения возбуждения роторной обмотки можно регулировать напряжение, подаваемое на сеть. Это позволяет поддерживать стабильное напряжение в электрической сети даже при изменении нагрузки.

4 Сравнение АМ и СМ

С виду внешне они похожи: у обоих электродвигателей есть неподвижный статор, состоящий из обмоток (катушек), которые уложены в пазы сердечника, набранного из пластин, выполненных из электротехнической стали, и подвижный ротор. Кроме того, функция этих типов электродвигателей одна и та же — создание вращающегося магнитного поля статора.

Ротор синхронного двигателя имеет обмотку возбуждения с независимым питанием. Статоры синхронного и асинхронного двигателя устроены одинаково, функция в каждом случае одна и та же — создание вращающегося магнитного поля статора.

Обороты асинхронного двигателя под нагрузкой всегда на величину скольжения отстают от вращения магнитного поля статора, в то время как обороты синхронного двигателя равны по частоте «оборотам» магнитного поля статора. И поэтому у асинхронного двигателя есть такой параметр - как скольжение - разность скоростей вращения ротора и вращающегося магнитного поля в статоре. У синхронного электродвигателя частота вращения ротора всегда равна частоте вращения электромагнитного поля.

У этих двух типов двигателей разные области применения: синхронные электродвигатели отличаются гораздо большей мощностью и полезной нагрузкой, но они дороже и сложней. И поэтому асинхронные двигатели востребованы там, где достаточно их характеристик, ведь они дешевле и проще в изготовлении.

Асинхронный двигатель в отличие от синхронных машин более чувствителен к колебаниям напряжения и не может сохранять номинальную скорость вращения, при увеличении нагрузки. В большинстве случаев недостатки компенсируются путем применения преобразователей частоты и других устройств пуска. Но простота конструкции, длительный срок эксплуатации, универсальность применения, способность работать в режиме частых включений и остановок делают эти машины наиболее распространенными в промышленном и бытовом секторе. 

5 Способы возбуждения синхронных двигателей

Синхронные двигатели конструктивно почти не отличаются от синхронных генераторов. Они также состоят из статора с обмоткой и ротора. Поэтому независимо от режима работы любая синхронная машина нуждается в процессе возбуждения - наведения в ней магнитного поля.

Основным способом возбуждения синхронных машин является электромагнитное возбуждение, сущность которого состоит в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения. При прохождении по этой обмотке постоянного тока возникает МДС возбуждения, которая наводит в магнитной системе машины магнитное поле.

До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 2 а), обмотка возбуждения которого (ОВ) получала питание постоянного тока от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронной машины и якоря возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронной машины поступает через контактные кольца и щетки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя (r₁) и подвозбудителя (r₂). В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют. В синхронных генераторах большой мощности — турбогенераторах— иногда в качестве возбудителя применяют генераторы переменного тока индукторного типа. На выходе такого генератора включают полупроводниковый выпрямитель.

Рисунок 2 – Контактная (а) и бесконтактная (б) системы электромагнитного возбуждения синхронных генераторов

Регулировка тока возбуждения синхронного генератора в этом случае осуществляется изменением возбуждения индукторного генератора.

6 Характеристики синхронного генератора

Существуют четыре характеристики синхронных генераторов – Характеристика холостого хода (х.х), внешняя характеристика, характеристика короткого замыкания (к.з) и регулировочная характеристика.

Характеристика холостого хода - график зависимости напряжения на выходе генератора в режиме х.х. Схема включения синхронного генератора для снятия характеристики х.х. приведена на (рис. 3, а). Если характеристики х.х. различных синхронных генераторов изобразить в относительных единицах Е_*= f(I_в*), то эти характеристики мало отличаются друг от друга и будут очень схожи с нормальной характеристикой х.х. (риc. 3, б), которую используют при расчетах синхронных машин

Рисунок 3 – Опыт холостого хода синхронного генератора

Характеристика короткого замыкания – Характеристику трехфазного к.з. получают следующим образом: выводы обмотки статора замыкают накоротко (рис. 4, а) и при вращении ротора с частотой вращения n₁ постепенно увеличивают ток возбуждения до значения, при котором ток к.з. превышает номинальный рабочий ток статорной обмотки не более чем на 25%. Так как в этом случае ЭДС обмотки статора имеет значение, в несколько раз меньшее, чем в рабочем режиме генератора, и, следовательно, основной магнитный поток весьма мал, то магнитная цепь машины оказывается ненасыщенной. По этой причине характеристика к.з. представляет собой прямую линию (рис. 4 б).

Рисунок 4 – Опыт короткого замыкания синхронного генератора

Внешняя характеристика. Представляет собой зависимость напряжения на выводах обмотки статора от тока нагрузки: U₁ = f(I₁) при I_в = const; соsφ₁, = const; n₁ = n_ном = const. На рис. 3, а представлены внешние характеристики, соответствующие различным по характеру нагрузкам синхронного генератора.

При активной нагрузке (соsφ₁ = 1) уменьшение тока нагрузки I₁ сопровождается ростом напряжения U₁, что объясняется уменьшением падения напряжения в обмотке статора и ослабле­нием размагничивающего действия реакции якоря по поперечной оси. При индуктивной нагрузке (cosφ₁ U₁ при сбросе нагрузки более интенсивно, так как с уменьшением тока I₁ ослабляется размагничивающее действие продольной составляющей реакции якоря. Однако в случае емкостной нагрузки генератора (cosφ₁ I₁ со­провождается уменьшением напряжения U₁, что объясняется ослаблением подмагничивающего действия продольной составляющей реакции якоря.

Регулировочная характеристика. Она показывает, как следует изменять ток возбуждения генератора при изменениях нагрузки, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось неизменно равным номинальному: I_в = f(I₁) при U₁ = U_1ном = const; n₁= n_ном = const и cosφ₁ = const. На рис. 5, б представлены регулировочные характеристики синхронного генератора. При активной нагрузке (соsφ1 = 1) увеличение тока нагрузки I₁сопровождается уменьшением напряжения U₁, поэтому для поддержания этого напряжения неизменным по мере увеличения тока нагрузки I₁следует повышать ток возбуждения. Индуктивный характер нагрузки (cosφ₁ U₁ (рис. 5, а), поэтому ток возбуждения I_в, необходимый для поддержания U₁ = U_1ном следует повышать в большей степени. При емкостном же характере нагрузки (cosφ₁ U₁, поэтому для поддержания U₁ = U_1ном ток возбуждения следует уменьшать.

Рисунок 5 – Внешние (а) и регулировочные (б) характеристики син­хронного генератора

7 Потери и КПД синхронных машин

Основные потери СМ складываются из: Механических, магнитных, электрических и потерь на возбуждения.

Механические потери - возникают в результате трения: в подшипниках, щеток по коллектору, деталей машины о воздух в процессе вентиляции. Эти потери вызывают нагрев подшипников, коллектора и щеток, с увеличением нагрузки они возрастают незначительно. При повышении частоты вращения якоря электрической машины механические потери резко возрастают.

Электрические потери - появляются в результате того, что каждая обмотка обладает определенным сопротивлением, препятствующим прохождению по ней электрического тока. Они пропорциональны сопротивлению данной обмотки и квадрату протекающего по ней тока, т. е. сильно возрастают с увеличением нагрузки машины. Электрические потери вызывают нагрев проводов обмоток. К электрическим потерям относятся также потери, возникающие при протекании тока через щетки и через переходное сопротивление между щетками и коллектором они вызывают, нагрев коллектора и щеток.

Магнитные потери - Потери встали возникают в сердечниках якоря и полюсов в результате перемагничивания стали этих сердечников и образования в них вихревых токов. Перемагничивание стали сердечника якоря происходит потому, что при вращении якоря каждая его точка попеременно проходит то под северным, то под южным полюсом. Перемагничивание стали полюсных наконечников вызывается в результате изменения магнитной индукции в воздушном зазоре машины при вращении зубчатого якоря.

Потери на возбуждение - Потери на возбуждение в основном
обусловлены нагревом в обмотке возбуждения

Так же в синхронных машинах существуют так называемые – добавочные потери. Они обусловливаются различными вторичными явлениями, имеющими место при работе электрических машин под нагрузкой: возникновением вихревых токов в проводниках обмотки якоря, неравномерным распределением тока по сечению проводников и индукции в воздушном зазоре машины, воздействием коммутационных токов (в машинах постоянного тока) и переменных потоков рассеяния (в машинах переменного тока), которые индуцируют вихревые токи в крепежных деталях, и др.

КПД синхронных машин

КПД синхронной машины зависит от величины нагрузки (β = Р₂/ Р_ном) и от ее характера (соsφ₁). КПД синхронных машин мощностью до 100 кВт составляет 80-90%, у более мощных машин – 92-99%. Более высокие значения КПД относятся к турбо- и гидрогенераторами мощностью в десятки и даже сотни тысяч киловатт.

Рисунок 6 – График зависимости КПД синхронных машин от нагрузки

8 Параллельная работа синхронных машин

Практически все мощные генераторы работают параллельно. Обмотки якорей генераторов одной электрической станции через повышающие трансформаторы включены в общую сеть, связанную линиями электропередачи с электрической системой. Современные энергетические системы объединяют сотни генераторов, установленных на различных электростанциях, с суммарной мощностью 104 МВт и более.

Параллельная работа генераторов повышает надежность электроснабжения, так как авария, какого-либо одного генератора или отключение его для ремонта не вызывают перерыва в питании потребителей. Появляется возможность рационального использования энергоресурсов за счет перераспределения нагрузок между генераторами. Но наиболее важно повышение качества электроэнергии: в мощных энергосистемах частота и напряжение практически постоянны и не зависят от условий работы каждого генератора в отдельности.

Включение генератора на параллельную работу с сетью - одна из наиболее ответственных операций, так как в общем случае напряжения, частоты и чередование фаз сети и генератора могут отличаться. При включении возможны значительные броски токов, электромагнитных сил и моментов, которые могут вызвать аварию генератора и другого оборудования или нарушить режим работы энергосистемы. Поэтому необходимо подготовить генератор к включению на холостом ходу. Совокупность операций, требуемых для безаварийного включения генератора в сеть, называют синхронизацией. Различают два вида включения: способом точной синхронизации и самосинхронизации (грубой синхронизации).

Включение генератора в сеть способом точной синхронизации

Простейшая схема точной синхронизации с помощью лампового синхроноскопа изображена на рисунке 7. Устройство из ламп Л₁, Л₂, Л₃, включенных в рассечку фаз параллельно контактам выключателя K называется синхроноскоп. Гасительное сопротивления R_Г и контакты выключателей K₁, K₂ составляют автомат гашения поля АГП.

При включении генератора в сеть необходимо выполнить следующие условия точной синхронизации:

1) чередование фаз генератора А, В, С и сети А_С, В_С, С_С одинаково;

2) напряжение генератора U (ЭДС E_f ) равно напряжению сети U_C;

3) частота ЭДС генератора f равна частоте напряжения сети f_C;

4) в момент включения разность потенциалов между соединяемыми точками сети и генератора ΔU = U_C + U должна быть равна нулю.

Правильность чередования фаз проверяют только при первом включении генератора после монтажа или ремонта.

При разомкнутых контактах выключателя K (рис. 7, а) приводным двигателем или турбиной разворачивают ротор генератора до частоты вращения n, близкой к синхронной n₁. Контакты АГП K₂ замыкают, K₁ размыкают и присоединяют обмотку возбуждения к возбудителю.

П оддерживая частоту вращения ротора n ≈ n₁ постоянной, регулируют ток возбуждения I _f так, чтобы напряжение U (ЭДС холостого хода E _f обмотки якоря генератора стало равно напряжению сети U_С.

Рисунки 7 – Схема включения синхронного генератора в сеть с помощью точной синхронизации с помощью лампового синхроноскопа на “потухание” (а), на “Вращение света” (б)

До включения обмотки якоря в сеть невозможно обеспечить постоянство частоты вращения ротора n = n₁, и частота вращения ротора n медленно изменяется. Частота напряжений генератора f = pn также медленно изменяется, тогда как частота сети f_с = const. Поэтому угол между векторами ЭДС якоря Ė_f и напряжения сети U каждой фазы периодически изменяется от 0 до 360°, а мгновенная разность потенциалов ΔU_с = Ė_f + U_с между контактами каждой фазы выключателя K - от 0 (рис. 7 а, б) до 2U_с (рис. 7 в, г) c частотой пульсаций |f – f_C|.

Лампы синхроноскопа Л1–Л3, включенные параллельно контактам выключателя K, одновременно мигают с той же частотой, загораясь наиболее ярко при ΔU = 2U_С (рис. 7, г) и потухая при ΔU = (0,3-0,6)U_С. Параллельно одной из ламп включают нулевой вольтметр рV, служащий для более точного определения ΔU и выбора момента включения. Регулируют частоту вращения ротора так, чтобы период мигания ламп был достаточно большим (3-40 секунд) и можно было успеть включить контакты выключателя K в течение отрезка времени пока ΔU близко к нулю.

Когда лампы погаснут и нулевой вольтметр покажет ΔU = 0, замыкают контакты выключателя K и включают генератор в сеть.

Если все условия точной синхронизации выполнены идеально, токов в обмотке якоря генератора не возникает. Генератор будет работать в режиме холостого хода при включенной в сеть обмотке якоря.

Наиболее опасно ошибочное включение при ΔU = 2U_С. В этом случае при неблагоприятной фазе включения амплитуда тока включения значительно превышать амплитуду номинального тока якоря.

где х*_d – сверхпереходное продольное индуктивное сопротивление фазы якоря, о.е.; х*_К – сопротивление короткого замыкания трансформатора и других элементов подключения обмотки якоря генератора к сети, о.е.

Включение генератора в сеть способом грубой синхронизации

Элементы схемы (рис. 8) включения синхронного генератора способом грубой синхронизации имеют такое же назначение, как и в схеме включения способом точной синхронизации (рис. 8).

При включении генератора в сеть необходимо выполнить следующие условия грубой синхронизации (самосинхронизации):

1) чередование фаз сети и генератора одинаково;

2) частоты напряжений сети f_С и генератора f примерно равны.

Перед включением с помощью АГП (контакты K1 замкнут, K2 разомкнут) в цепь обмотки возбуждения включают гасительное сопротивление R_Г. Приводным двигателем или турбиной разгоняют ротор генератора до скорости, близкой к синхронной n = (0,95–0,99)n₁. Устанавливают такое напряжение возбудителя U_f , при котором ЭДС обмотки якоря на холостом ходу E_f будет равна напряжению сети U_C или немного больше.

Рисунок 8 – Схема включения синхронного генератора способом грубой синхронизации

Замыкают контакты выключателя K и включают обмотку якоря в сеть. Под действием напряжения сети в обмотке якоря появится ток, который образует МДС якоря F_a, вращающуюся с частотой n₁ = f₁/p.

Практически одновременно после замыкания контактов K включают АГП (контакты K₂ замыкают, K₁ размыкают) и обмотку возбуждения генератора соединяют с возбудителем. Под действием напряжения U_f в обмотке возбуждения появится ток I_f , который образ нет МДС возбуждения F_f, вращающуюся с частотой близкой к синхронной n ≈ n₁. 

При взаимодействии вращающихся с близкими скоростями МДС F_a и  F_f возникает синхронный момент За счет этого момента частота вращения ротора достигает частоты  вращения МДС якоря (n = n₁) и генератор втягивается в синхронизм. Более быстрому втягиванию в синхронизм способствует асинхронный момент, образуемый демпферной обмоткой при несинхронном вращении ротора (n ≠ n₁).

Самосинхронизация требует значительно меньше времени, чем точная синхронизация, так как не нужно дожидаться уравновешивания напряжений сети и генератора.

Вследствие того, что при грубой синхронизации не контролируют фазу напряжения сети, а ЭДС генератора в момент включения E_f = 0, разность потенциалов в момент включения ΔU равна напряжению сети U_C. Включение невозбужденного генератора на напряжение сети U_C равносильно внезапному короткому замыканию обмотки якоря с режима холостого хода при ЭДС якоря Е_f = U_C. В обмотке якоря возникают токи в несколько раз превышающие номинальный ток генератора, что является основным недостатком самосинхронизации.

Максимально возможная амплитуда тока включения при номинальном напряжении сети и неблагоприятной фазе включения наступает через половину периода Т/2 ≈ 0,01 с от момента замыкания контактов K

Синхронные машины специального назначения

Синхронные машины с постоянными магнита­ми (магнитоэлектрические) не имеют обмотки воз­буждения на роторе, а возбуждающий магнитный поток у них создается постоянными магнитами, рас­положенными на роторе. Статор этих машин обыч­ной конструкции с двух- или трехфазной обмоткой.

Применяют эти машины чаще всего в качестве двигателей небольшой мощности. Синхронные ге­нераторы с постоянными магнитами применяют ре­же, главным образом в качестве автономно рабо­тающих генераторов повышенной частоты, малой и средней мощности.

Синхронные магнитоэлектрические двигате­ли. Эти двигатели получили распространение в двух конструктивных исполнениях: с радиальным и акси­альным расположением постоянных магнитов.

При радиальном расположении по­стоянных магнитов пакет ротора с пусковой клет­кой, выполненный в виде полого цилиндра, закреп­ляют на наружной поверхности явно выраженных полюсов постоянного магнита 3. В цилиндре делают межполюсные прорези, предотвращающие замыка­ние потока постоянного магнита в этом цилиндре (рис. 9).

При аксиальном расположении маг­нитов конструкция ротора аналогична конструкции ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя. К торцам этого ротора прижаты кольцевые постоян­ные магниты (рис. 9).

Конструкции с аксиальным расположением маг­нита применяют в двигателях малого диаметра мощностью до 100 Вт; конструкции с радиальным расположением магнитов применяют в двигателях большего диаметра мощностью до 500 Вт и более.

Физические процессы, протекающие при асин­хронном пуске этих двигателей, имеют некоторую осо­бенность, обусловленную тем, что магнитоэлектриче­ские двигатели пускают в возбужденном состоянии. Поле постоянного магнита в процессе разгона ротора наводит в обмотке статора ЭДС   , частота которой увеличивается пропор­ционально частоте вращения ротора. Эта ЭДС наводит в обмотке статора ток, взаимодействующий с полем постоянных магнитов и создающий тормозной момент   , направленный встречно вращению ротора.

Рисунок 9 – Магнитоэлектрические синхронные двигатели с радиальным (а) и

аксиальным (б) расположением постоянных магнитов:

1 — статор, 2 — короткозамкнутый ротор, 3 — постоянный магнит

Таким образом, при разгоне двигателя с постоянными магни­тами на его ротор действуют два асинхронных момента (рис. 23.2): вращающий (от тока , поступающего в обмотку статора из сети) и тормозной (от тока   , наведенного в обмотке статора полем постоянного магнита).

Однако зависимость этих моментов от частоты вращения ро­тора (скольжения) различна: максимум вращающего момента соответствует значительной частоте (небольшому скольжению), а максимум тормозного момента М_Т - малой частоте вращения (большому скольжению). Разгон ротора происходит под действи­ем результирующего момента   , который имеет зна­чительный «провал» в зоне малых частот вращения. Из приведен­ных на рисунке кривых видно, что влияние момента на пусковые свойства двигателя, в частности на момент входа в син­хронизм М_вх, значительно.

Для обеспечения надежного пуска двигателя необходимо, чтобы минимальный результирующий момент в асинхронном ре­жиме   и момент входа в синхронизм М_вх, были больше момента нагрузки. Форма кривой асинхронного момента магнитоэлектри­ческого.

Положительные свойства магнитоэлектрических синхронных двигателей — повышенная устойчивость работы в синхронном режиме и равномерность частоты вращения, а также способность синфазного вращения нескольких двигателей, включенных в одну сеть. Эти двигатели имеют сравнительно высокие энергетические показатели.

Недостатки магнитоэлектрических синхронных двигателей — повышенная стоимость по сравнению с синхронными двигателями других типов, обусловленная высокой стоимостью и сложностью обработки постоянных магнитов, выполняемых из сплавов, обла­дающих большой коэрцитивной силой (ални, алнико, магнико и др.). Эти двигатели обычно изго­товляют на небольшие мощности и применяют в приборостроении и в устройствах автоматики для привода механизмов, требующих по­стоянства частоты вращения.

Синхронные магнитоэлек­трические генераторы

Ротор та­кого генератора выполняют при малой мощности в виде «звездоч­ки» (рис. 9, а), при средней мощности — с когтеобразными полюсами и цилиндрическим постоянным магнитом (рис. 9, б). Ротор с когтеобразными полюсами дает возможность получить генератор с рассеянием полюсов, ограничивающим ударный ток при внезапном коротком замыкании генератора. Этот ток представляет большую опасность для постоянного магнита ввиду сильного размагничивающего действия.

Помимо недостатков, отмеченных при рассмотрении магнитоэлектрических синхронных двигателей, генераторы с постоянны­ми магнитами имеют еще один недостаток, обусловленный отсутствием обмотки возбуждения, а поэтому регулировка напряжения в магнитоэлектрических генераторах практически невозможна. Это затрудняет стабилизацию напряжения генератора при измене­ниях нагрузки.

Р ис.9 Роторы магнитоэлектрических синхронных генераторов:1 – вал; 2 – постоянный магнит; 3 – полюс; 4 – немагнитная втулка

Синхронные компенсаторы

Синхронные компенсатор (СК) – это синхронная машина, предназначенная для генерирования реактивной мощности. Он включается 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. 10 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 вырабатывает 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 повышению технико-экономических показателей всей электрической системы.

Рисунок 10 - Схема включения синхронного компенсатора (СК) в электрическую систему

Рисунок 11 - 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. 11, ) 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. 11,  ) в сети появится ток  , опережающий по фазе напряжение   на угол 90°. Результи­рующий ток в сети.

Фазовый сдвиг этого тока относительно напряжения сети   (угол  ) намного меньше угла фазового сдвига до включения СК(угол  ). Кроме того, ток станет меньше . В этом можно убедиться 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.

приравнять к активной мощности сети после подключения СК:

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.

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.

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.