Основы синхронных машин
Синхронные машины могут использоваться в качестве генераторов или двигателей. Они имеют трехфазную конструкцию, хотя некоторые специальные исключения можно найти. Основная часть приложений находится в диапазоне мощности, примерно от мегаваттного уровня до нескольких десятых (или даже сотен) мегаватт с номинальным напряжением от 3 кВ до 15 кВ.
Основы синхронных машин, которые вы ДОЛЖНЫ полностью понять (на фото: ABB Type AMS 900L6L BST 13700kW / 11688kVA Бесщеточный синхронный двигатель / генератор. 12470V, 60Hz, 1200RPM; кредит: phxequip.com)
Также были введены специальные конструкции синхронных машин HV, номинальное напряжение которых может составлять несколько десятых киловольт.
Более сложные требования к конструкции, управлению и защите синхронных машин, приводящие к увеличению удельных затрат, ограничивают использование синхронных машин при более низких уровнях выходной мощности.
С другой стороны, функции управления возбуждением обеспечивают более гибкие средства работы машины с оптимальным потоком реактивной мощности в соответствии с сетевыми условиями.
Рисунок 1 - Двигатель поршневого компрессора 24 МВт
Обмотка якоря обычно помещается в статор, конструкция которого имеет трехфазную конструкцию и весьма похожа на асинхронные машины. Обмотка возбуждения помещается в ротор, конструкция которого сильно отличается от конструкции в асинхронных машинах.
Можно разделить две различные основные конструкции: круглый или цилиндрический и выступающий полюс. Круглые или цилиндрические конструкции используются в машинах, работающих на высокой скорости, в то время как конструкция полюсного полюса используется в машинах, работающих на медленной или умеренной скорости.
Типичным примером медленных применений является генератор гидроэлектростанции, тогда как генератор паровой турбины будет представлять собой пример высокоскоростных применений.
Рисунок 2 - a) ротор с выступающим полюсом b) круглый или цилиндрический ротор
Ротор возбуждается через обмотку возбуждения с источником питания постоянного тока. В двигателях возбуждаемый ротор вращается в соответствии со скоростью трехфазного переменного поля в статоре.
При использовании генератора первичный движитель вращает возбужденный ротор, создавая ЭДС для обмоток статора, величина и частота которых соответствуют мощности возбуждения в роторе и скорости вращения первичного двигателя.
При нормальных условиях эксплуатации вращающееся поле в статоре и вращающемся роторе остается синхронным. В отличие от асинхронных машин разность между ротором и скоростью вращения поля в статоре является показателем ненормальной работы и должна решаться немедленно.
Синхронная скорость n s (об / мин) определяется уравнением (1) ниже:
Синхронная угловая скорость ω s (rad / s) задается уравнением (2):
где
- f - частота сети (Гц)
- p - количество полюсов в машине
Некоторые синхронные машины полагаются на щетки для подачи постоянного тока на ротор для возбуждения. Более современным решением является так называемая бесщеточная конструкция, где необходимая мощность передается на ротор индукцией, а выпрямление происходит в самом роторе.
Для некоторых применений, например, для очень низких скоростей вращения, подходит решение, использующее постоянные магниты в роторе.
Для генерации мощности для целей возбуждения обычно используются PMG. Кстати, PMG означает генератор постоянного магнита. PMG работает как пилотный генератор, подключенный к валу главного генератора, подавая питание на возбуждение основного генератора.
Рисунок 3 - Синхронный генератор переменного тока с возбуждением PMG
При использовании одной синхронной машины, работающей как генератор, управление выходным напряжением осуществляется путем управления возбуждением. Увеличенный ток возбуждения приведет к более высокому выходному напряжению и наоборот.
Регулирование частоты выходного напряжения осуществляется путем управления скоростью движения первичного двигателя.
Когда генератор подключен параллельно сильной сети, управление возбуждением изменяет только мощность реактивной мощности генератора. Увеличение тока возбуждения делает генератор более индуктивной реактивной мощностью, что компенсирует индуктивные нагрузки. Уменьшение возбуждения в конечном итоге приводит к ситуации, когда генератор начинает поглощать индуктивную реактивную мощность из сети.
Эта ситуация называется «недовозбуждением» и не является нормальным режимом работы генератора.
Увеличение крутящего момента первичного двигателя не может увеличить скорость вращения генератора, поскольку он электрически соединен с сильной сетью. Вместо этого он увеличивает активную мощность генератора. Если крутящий момент первичного двигателя уменьшается ниже уровня вращающихся потерь генератора, генератор начинает работать как двигатель, который пытается вращать первичный двигатель с синхронной скоростью.
Эта ситуация называется операцией обратного питания. Операция обратного питания вредна для генератора, а также для первичного двигателя, поэтому ситуация должна быть распознана реле защиты.
На следующем рисунке показан пример возможностей синхронного генератора и конструктивных ограничений для работы в разных условиях. Нормальная работа осуществляется с возбуждением, впрыском реактивной и активной мощности в сеть.
Когда запускается синхронный генератор, он ускоряется с первичным двигателем, близким к сетевой частоте, и ток возбуждения применяется для достижения номинального напряжения на клеммах.
Рисунок 4 - Синхронная кривая возможностей генератора
После этого автоматический синхронизатор берет на себя действительную процедуру подключения к сети. Синхронизатор настраивает ток возбуждения так, чтобы напряжение на клеммах генератора соответствовало сетевому напряжению. Синхронизатор также проверяет фазировку и регулирует скорость первичного двигателя в соответствии с частотой генератора с частотой сети.
Фактически, синхронизатор регулирует частоту генератора, чтобы подняться к сетевой частоте и закрывает выключатель, когда частоты встречаются, но частота генератора все еще поднимается. Это делается для того, чтобы генератор начал производить активную мощность сразу после того, как произошло сетевое соединение, иначе обратные реле защиты мощности отключили бы генератор от сети.
Конструкция синхронного генератора и двигателя в основном идентична, за исключением внешних соединений. Синхронный двигатель не синхронизирован с сетью аналогично синхронным генераторам.
Самый простой способ подключения синхронного двигателя к сети - это так называемый прямой он-лайн (DOL) запуск, когда двигатель запускается как асинхронный двигатель. Мотор «втягивается» в сеть с примерно 5% скольжением. На рисунке 5 также описаны другие методы запуска.
Выбор метода запуска зависит от нескольких критериев, таких как:
- Требуемый крутящий момент нагрузки во время начальной последовательности
- Падение напряжения в сети питания при запуске
- Допустимое время пуска (тепловое напряжение на ротор)
- Количество запусков за период
Рисунок 5 - Различные способы запуска синхронного двигателя
Возможность управления выходом реактивной мощности синхронной машины становится удобной функцией также в моторных приложениях. Контролируя возбуждение синхронного двигателя, можно компенсировать переменные потребности в реактивной мощности на промышленной установке, что сводит к минимуму потребность в дополнительных компенсационных устройствах.
Специальное применение синхронного двигателя - это установка, в которой двигатель не подает активной мощности с его приводного вала, но он используется только для впрыска реактивной мощности в сеть. Такая синхронная машина называется синхронным конденсатором.
Сегодня синхронные конденсаторы заменяются устройствами SVC:
- Бесщеточные синхронные машины
- Управление возбуждением / реактивной мощностью / напряжением
- Первичный двигатель / активное управление мощностью / частотой
- Двигатели постоянного тока (генераторы)
Синхронное возбуждение генератора
Синхронизация генераторов с сборкой шин
Ссылка // Справочник по автоматизации распространения от ABB