Основи Windows XP
1 Збудження синхронних машин
Ротор синхронної машини повинен харчуватися регульованим постійним струмом. Для машин високої потужності цей струм I e може досягати декількох сотень ампер; оскільки важко безпосередньо керувати струмом такої інтенсивності, збудження отримується від пристрою з декількома ступенями.
1.1 Використання збудника
Найбільш часто використовуваним пристроєм є генератор постійного струму, який називається збудником. , встановлений на валу синхронної машини. Якір машини з'єднаний з щітками, що натирають на живлячих кільцях ротора синхронної машини.
Для машин середньої потужності збудник встановлений в шунтовому збудженні, а струм збудження I e регулюється реостатом збудження збудника.
Для машин більшої потужності використовуються дві машини збудника, встановлені в каскаді. Основний збудник Exp забезпечує ротор синхронної машини, а власне збудження забезпечується якорем вторинного збудника Exs. Струм I e регулюється ланцюгом збудження Exs, регулятори якого працюють на малій потужності.
Наприклад, генератор змінного струму 10 кВ; 245 А; 42,5 МВА має ланцюг збудження, що живиться від I e = 750 А під
V e = 120 В, тобто номінальна потужність збудження 90 кВт. Основний збудник забезпечує від 750 до
1200 А при напрузі від 120 до 190 В; його індуктор подається на 120 В з інтенсивністю 20 А. Вторинний збудник забезпечує струм від 20 до 50 А при 120 В, тобто потужність лише 6 кВт.
Для великих потужностей подача сильного струму щітками та кільцями утруднена
досягати; можна вдосконалити пристрій збудження, використовуючи пристрій на рис. 1:
Арматури верстатів представлені штрихуванням, а індуктори в квадраті.
Вторинний збудник Exs - це трифазний генератор змінного струму, збуджуваний постійними магнітами на роторі. Основним збудником Exp є ще один трифазний генератор змінного струму, статор якого є індуктивністю. Його збудження регулюється тиристорним випрямлячем, розміщеним між Exs і Exp. Арматура Exp постачає діодний випрямляч PD3, інтегрований з ротором синхронної машини, звідси і назва обертових діодів. дається цьому випрямлячу. Цей пристрій дозволяє уникнути використання кілець та щіток.
2 Ефективність роботи синхронних машин
Як і в безперервних машинах, втрати розбиваються на:
втрати в залізі
статор машини піддається обертовому полю, що виникає внаслідок складу ампер-поворотів статора і ротора; поле в кожній точці змінюється на частоті f і створює втрати при гістерезисі та вихрових струмах. Розрахунок цих втрат складний через потік витоків, форму зубів та вирізів та наявність гармонік. Емпірична формула p залізо = a. (F 1.5). (B max 2.2) дає досить хорошу апроксимацію цих втрат.
їх розбивають на вентиляційні втрати, пропорційні квадрату швидкості та втрати на тертя, пропорційні швидкості.
втрати ефектом Джоуля в якорі
для трифазної машини зі струмом інтенсивності I в лінії та J на фазу ці втрати складають
p js = 3.R.J ² = 3.R app .I ²/2 з використанням опору R однієї фази або опору R app між лінійними клемами. Насправді розрахунок є більш складним, особливо у машинах великої потужності; арматурні прутки великого перерізу піддаються шкірному ефекту, що змінює опір; розподіл потоку в виїмках не є рівномірним, викликаючи ЕРС паразити, що створюють циркуляційні струми в барах.
втрати ефектом Джоуля в індукторі
до втрат в індукторі p jr = R e .I e ², ми повинні додати втрати в регулюючих елементах;
наприклад, коли на індуктор подається збудник ефективності h ех,
ці втрати враховують усі паразитичні явища, які ми не знаємо, як змоделювати.
Для роботи генератора ефективність використовується для машини з незалежним збудженням:
коли машина збуджується одним або кількома збудниками на валу, втрати на збудження враховуються в механічній потужності.
Для роботи двигуна ефективність призначена для незалежного збудження:
а для машини, що працює від збудників:
Що стосується машини постійного струму, ми можемо визначити приблизну ефективність, обчисливши електричну потужність P = Ö 3.U.I.cos j, потім вирахувавши механічну потужність шляхом додавання або віднімання вимірюваних та обчислюваних втрат; ця врожайність не враховує додаткових втрат.
Ми виключаємо прямі вимірювання, які неможливо провести для машин великої потужності і які не дуже точні у всіх випадках. Ми проведемо непряме вимірювання для визначення ефективності в робочій точці як двигуна або як генератора, з електричними величинами U, I, j та I e на швидкості n.
Метод окремих втрат
Синхронна машина приводиться в дію каліброваним двигуном постійного струму, тобто ефективність якого відома. Проводиться три випробування:
v випробування на обрив ротора та статора: потужність, що подається двигуном постійного струму, дорівнює механічним втратам; це випробування повинно проводитися зі швидкістю n.
v випробування генератора без холостого ходу: потужність, що подається двигуном постійного струму, є сумою механічних втрат і втрат у прасці. Щоб мати механічні втрати при роботі під навантаженням, ми повинні мати швидкість n. Щоб мати втрати в робочому чавуні під навантаженням, ми повинні мати однаковий потік; струм збудження буде встановлений на I e, якщо використовується лінійна модель або, переважно, на I ec, еквівалентний струм методу Потьє.
v тест на коротке замикання генератора: ЕРС при короткому замиканні мало, втрати в залізі незначні; потужність, що подається безперервним двигуном, є сумою механічних втрат та втрат ефектом Джоуля на статорі.
Ці три тести дають можливість окремо визначити механічні втрати заліза та ефект Джоуля в якорі. Розраховуються втрати збудження.
Цей метод простий у реалізації, але має недолік вимірювання втрат при непрямих випробуваннях, тобто в умовах, відмінних від роботи під навантаженням.
Метод вакуумного двигуна
Машина працює з двигуном без навантаження і з незалежним збудженням; потужність, яка поглинається якорем, є сумою механічних втрат заліза та ефекту Джоуля. Швидкість дорівнює n, струм збудження регулюється, як і в попередньому способі, для отримання механічних втрат і втрат заліза при навантаженні; їх сума дорівнює поглиненій потужності мінус втрати від ефекту Джоуля без навантаження.
Розраховуються втрати збудження та ефект Джоуля під навантаженням.
3 Мережеве з'єднання
Ми розглядаємо пряму збалансовану трифазну мережу, яка може забезпечити дуже велику потужність порівняно з номінальною потужністю синхронної машини. Ми хочемо змусити синхронну машину працювати в цій мережі; коли з'єднання здійснено, мережа буде накладати свою лінійну напругу u r і частоту f r. Тому швидкість машини, пропорційна частоті, буде накладена мережею.
Синхронна машина MS приводиться в рух зі швидкістю n, збуджується струмом I e. Мережа та машина утворюють два джерела напруги, їх не можна підключати без запобіжних заходів. При розімкненому перемикачі K з’єднання ми можемо закрити його лише в тому випадку, якщо лінійні напруги u для MS та u r для мережі одночасно рівні на всіх трьох фазах. Ця рівність миттєвих значень передбачає для фази:
Ø рівність частот: синхронна машина повинна рухатися зі швидкістю n = 60.f r/p.
Ø рівність ефективних значень: напруга якоря U пропорційна ЕРС на фазу E;
(U = E. Ö 3 у зірці та U = E у дельті); отже, рівність U = U r буде отримана шляхом регулювання струму індуктивності.
Ø фазова рівність: фаза U, пов'язана з фазою E, залежить від положення ротора; закриття K повинно виконуватися при рівності фаз, тобто коли ротор знаходиться в квадратурі з віссю фази.
Рівність, яка отримується на фазі збалансованої системи, вона буде отримана одночасно, якщо порядок фаз (прямий чи зворотний) однаковий для мережі та для MS. Порядок фаз MS може бути змінений або шляхом зміни напряму обертання, або шляхом заміни двох фаз.
Отже, закриття K передбачає одночасне виконання чотирьох умов
Щоб перевірити, що умови дотримані, ми можемо розмістити три лампи, кожна з яких знаходиться паралельно на лопаті трифазного вимикача. Напруга на кожній лампі дорівнює u - u r. Визначимо напругу на клемах кожної лампи; ми маємо два випадки:
Ø мережа та синхронна машина забезпечують трифазні системи одного порядку, наприклад пряму (рис. 3.а). Дві системи мають однакове середньоквадратичне значення, але різні частоти.
Фазовий зсув a = (u r1, u 1) дорівнює 2. p. (f - f r) t. Напруги u L на затискачах трьох ламп мають однакове середньоквадратичне значення, що коливається від 0 до 2.U і частота биття f b = | f - f r |. Три лампи вмикаються і вимикаються одночасно на цій частоті; ми скажемо, що у нас пожежа .
Допускається сполучення; ми регулюємо швидкість n МС, щоб мати повільний такт (період порядку секунди), щоб зрівняти частоти. Ми повинні закрити K, коли напруга знаходиться в фазі, а отже, коли лампи вимкнені.
Ø мережа пряма, і MS подає напруги зворотного порядку (рис. 3.b). Напруги на клемах трьох ламп різні, лампи гаснуть послідовно; ми скажемо, що у нас обертається вогонь . Сполучення заборонено.
Цей метод дає задовільні результати для машин низької потужності, для яких ми не дуже вимогливі до точного виконання умов зчеплення. Для машин високої потужності це занадто неточно; насправді лампи вимикаються при напрузі від 0 до
20% від номінальної напруги, тому важко знайти точний момент зчеплення, коли u L дорівнює нулю. Ми можемо підвищити точність: отримавши пожежу, ми поміняємо місцями зв'язку з L2 і L3 на мережу; маємо u L1 = u 1 - u r 1; u L2 = u 2 - u r3; u L3 = u 3 - u r3; ми отримуємо обертовий вогонь. Ми повинні з’єднуватися, коли u 1 = u r1, отже, коли L1 вимер; Рис. 3.b показує нам, що на даний момент
u L2 = u L3. Тому ми закриваємо K, коли L1 вимкнено і коли L2 і L3 мають однакове освітлення.
Для машин з дуже великою потужністю цей метод все ще занадто неточний; ми повинні використовувати синхроскоп який точно вимірює зсув фази (u, u r).
Якби умови сполучення були досконало виконані, закриття K не призвело б до будь-яких змін в роботі, зокрема струм MS залишався б нульовим. Давайте розглянемо вплив різниці між напругами мережі та синхронної машини. Ми використовуємо спрощену модель.
Ø давайте спочатку розглянемо, що фази рівні, але ефективні значення різні.
Перед зчепленням напруга фази до нейтралі MS дорівнює ЕРС. E. На момент зчеплення векторна діаграма показана на рис. 4. Після зчеплення V = V r; різниця між V та E, представлена O'A, дорівнює X s .J. Нерівномірність напруг під час з'єднання створює струм якоря J, який може бути достатньо високим, щоб захист спрацював. Вісь ротора залишається в квадратурі з ЕРС. тому немає механічного перехідного режиму.
Ø тепер подумайте, що ефективні значення рівні, але фази різні.
На момент зчеплення векторною діаграмою є схема, зображена на рис. 5. Фазовий зсув створює такий струм, що X s. J представлений AO '. Отже, існує перехідний електричний режим, як і раніше. Внутрішній кут q = (e, v r) створює синхронізуючий момент, який прагне привести поле ротора в квадратуру з напругою. Отже, існує механічний перехідний режим, який створюватиме коливання ротора; втручається клітина амортизатора Леблана, щоб обмежити ці коливання.
Встановлення робочої точки
Після того, як муфта зроблена, які регулювання потрібно зробити, щоб привести машину до заданої робочої точки як генератор змінного струму чи як двигун? Для відповіді використаємо спрощену лінійну модель.
Умови зчеплення, які ідеально реалізовані, на момент зв’язку маємо V = E = V r, представлене OO '.
è Якщо ми хочемо працювати з машиною як генератор змінного струму в точці A 'g з поданою потужністю: активна потужність P g, що відповідає обладнанню Dpg, та реактивна потужність, представлена O'K g .
За винятком втрат, P g дорівнює механічній потужності, що подається на машину на валу. Якщо ми збільшимо цю потужність, діючи на приводний пристрій, зберігаючи постійний струм збудження, робоча точка описує дугу кола O'A g з центром O.
Підтримуючи крутний момент двигуна постійним і змінюючи струм збудження, ми описуємо еквівалентність A g в A 'g .
è Якщо ми хочемо змусити машину працювати як двигун в точці A 'm, метод той самий: при постійному струмі збудження збільшення резистивного моменту змушує робочу точку описувати дугу кола O'A m. Бажана потужність, що відповідає досягнутій потужності Dpm, зменшення струму збудження змушує A m A 'm описувати прибуття до робочої точки.
Коли синхронна машина з'єднана з мережею, що накладає її
налаштування напруги та частоти, активної та реактивної потужності
незалежні. Активна потужність регулюється крутним моментом
на валу та реактивної потужності струмом збудження .
4 Запуск синхронного двигуна
Синхронний двигун зупинений, його крутний момент дорівнює нулю; ми повинні довести машину до синхронної швидкості, щоб отримати крутний момент.
Двигун постійного струму низької потужності з'єднаний з валом синхронної машини. Останній відключений від мережі, ми приводимо його на номінальну швидкість безперервною машиною, а потім підключаємо синхронний двигун до мережі. Потім ми можемо від'єднати машину продовжує. Щоб обмежити потужність допоміжного двигуна, двигун запускають без навантаження.
Маса ротора і заслінок Леблана утворюють еквівалент асинхронного ротора машини; або асинхронний двигун має ненульовий пусковий момент.
Ми можемо використовувати цю операцію для запуску синхронної машини з деякими запобіжними заходами:
Ø крутний момент низький, ми повинні починати порожніми
Ø пусковий струм асинхронної машини високий; ми повинні обмежити його, поступово збільшуючи напругу живлення статора.
Ø під час пуску ротор обертається зі швидкістю, нижчою за швидкість обертового поля статора; отже, це місце проживання ЕРС індуковані. Якщо ми залишимо ротор у розімкнутому контурі, ми ризикуємо зламати ізоляцію обмотки, піддаючи його занадто великій напрузі. Під час пуску ротор буде короткозамкнений.
Робота в якості асинхронного двигуна приводить машину до швидкості, трохи нижчої за швидкість синхронізму; ми можемо тоді відкрити ротор, а потім подати його постійним струмом збудження. Отриманий крутний момент достатній для синхронізації ротора з обертовим полем.
5 синхронний компенсатор
Синхронна машина може працювати як двигун, поглинаючи або подаючи реактивну потужність. Якщо двигун працює порожній, активна потужність, рівна втратам, є низькою. Починаючи з нульового струму (E = V) збільшення струму збудження (перезбудження) робить реактивну потужність негативною. Машина працює з коефіцієнтом потужності, близьким до -90 °, і тому поводиться, видно з мережі, як трифазна конденсаторна батарея. Ця операція може бути використана для зчитування коефіцієнта потужності мережі; ми скажемо, що двигун працює в синхронному компенсаторі .
Синхронний компенсатор може замінити конденсаторну батарею; перевага синхронної машини полягає в тому, щоб бути еквівалентною великій потужності і змінюватися за струмом збудження.