Втрати потужності і коефіцієнт корисної дії синхронного генератора.

Перетворення в СГ механічної енергії в електричну неминуче супроводжується певними втратами потужності DР. Вони складаються з електричних втрат на нагрівання обмоток машини – так звані втрати в міді Р_м, магнітних втрат в стальному осерді – так звані втрати в сталі Р_с і механічних втрат Р_мех:

.

Втрати Р_м складаються з втрат на нагрівання статорних обмоток Р_м1 та обмотки ротора Р_м2. Їх величини визначаються діючими в обмотках струмами I₁, I₂ і можуть бути розраховані за формулою:

,

де m – число фаз статорної обмотки (для трифазного СГ m = 3); r₁ та r₂– активний опір, відповідно, статорних і роторної обмоток.

Враховуючи, що навантаження на генератор з боку мережі і ступені збудження генератора можуть бути різними I₁ = var і I₂ = var, то Р_м є величиною змінною.

Магнітні втрати Р_с складаються з втрат на гістерезис і вихрові струми. В СГ ці втрати мають місце тільки в осерді статора і не залежать від навантаження машини. У роторі магнітних втрат немає. Це тому, що магнітне поле статора обертається синхронно з ротором і не перетинає його осердя.

Механічні втрати Р_мех виникають від тертя у підшипниках і між щітками та кільцями; є також вентиляційні втрати, в зв’язку з пропусканням холодоносія для охолодження машини.

Коефіцієнт корисної дії СГ може бути визначений за формулою:

,

де P₁=3U₁I₁cosj₁ – корисна потужність, яку генератор віддає у мережу (споживачам), як добуток напруги U₁ струму I₁ і коефіцієнту потужності cosj₁ генератора. Сучасні СГ малої і середньої потужностей мають ККД у межах 0,92–0,94, а потужні до 0,96. Якісний вигляд залежностей ККД генератора від навантаження з боку мережі (споживача) при деяких значеннях коефіцієнту використання потужності показаний на рис. 4.42.

4.2.5. Принцип дії синхронного двигуна.

Нагадаємо, що за будовою статор синхронної машини практично не відрізняється від статора асинхронного двигуна, а ротор являє собою електромагніт до обмотки якого підводять постійний струм (напругу). Отже, якщо три статорні обмотки СМ, які зсунуті одна відносно одної по колу осердя статора на 120°, з’єднати у зірку або трикутник і приєднати до мережі трифазної змінної напруги, то отримуємо обертове магнітне поле статора. При підведенні до роторної обмотки постійного струму, внаслідок взаємодії постійного магнітного потоку Ф₂ ротора і обертового поля статора виникне електромагнітний момент.

Величину електромагнітного моменту СД розраховують за формулою (М_ем= сФ₂I₁cosj₁) такою ж як і момент СГ. Але ж, оскільки магнітний потік Ф₂ сталий, а струм I₁ змінний, то в СД момент М_ем змінюватиме напрям дії через кожну половину періоду струму мережі. У підсумку, при частоті струму f₁ = 50 Гц, ротор двигуна буде зазнавати 100 поштовхів за секунду (буде вібрувати), але обертатися не буде. Таким чином, СМ в режимі двигуна не має свого пускового моменту.

Щоб такий двигун міг працювати, його ротор потрібно розкрутити іншим двигуном до синхронної частоти, яка відповідає частоті струму мережі. Тоді одночасно із зміною напряму струму у статорній обмотці буде змінюється знак полюсу ротора, тобто напрям дії магнітного потоку ротора. Наприклад (рис. 4.43), якщо в якийсь момент часу проти провідника із струмом, що напрямлений від спостерігача, буде північний полюс N ротора, то через половину періоду в цьому провіднику струм буде напрямлений до спостерігача, а ротор повернеться на кут 90°. Напроти цього провідника стане південний полюс S, при цьому напрям дії обертаючого моменту залишиться тим самим. Таким чином, далі, в результаті зчеплення полюсів полів ротора і статора, ротор обертатиметься з синхронною швидкістю разом з обертовим магнітним полем статора (звідси випливає назва двигуна – синхронний) і розгінний двигун можна від’єднати.

Коли СМ працює як генератор, ведучою ланкою є ротор, вісь магнітного потоку якого випереджає вісь потоку статора на кут q. В цьому випадку СМ перетворює механічну енергію в електричну. Коли СМ працює в режимі двигуна, ведучою ланкою стає потік статора, а веденою – потік ротора. В СД поле ротора обертається з тією ж частотою, що і поле статора але відстає нього на кут q. При цьому електрична енергія перетворюється у механічну.

Спосіб пуску СД з використанням розгінного двигуна отримав назву синхронний пуск. Його недоліком є складність і висока вартість. Адже тут, крім розгінного двигуна (асинхронний або двигун постійного стуму потужністю до 10% від потужності СД) потрібні пристрої синхронізації. Крім цього, перед включенням статорних обмоток СД у мережу необхідно виконати всі заходи, що до синхронізації двигуна, такі ж як при включенні СГ на паралельну роботу. В зв’язку з цим для пуску сучасних СД застосовують інший, так званий асинхронний спосіб пуску. Він значно простіший у реалізації, але потребує внесення певних змін у конструкцію ротора СМ (рис. 4.44), яка призначена для роботи в режимі двигуна.

Так, у полюсні наконечники (башмаки) 1 ротора СД закладають сегменти пускової, короткозамкненої обмотки. Вони складаються з латунних стержнів 2, з’єднаних коротко з обох торців пластинами 3 (4 – обмотка полюсу ротора). У сукупності короткозамкнені обмотки полюсів утворюють “біляче колесо”, подібне як у КЗР АД, але не цільне, а складене з окремих сегментів за кількістю полюсів ротора.

Для пояснення асинхронного пуску використаємо електричну схему СД, яка наведена на рис. 4.45. Тут статорні обмотки СД з’єднані у зірку, а обмотка збудження (ротора) замкнена на активний опір R.

При підключені зірки статорних обмоток СД до мережі змінної трифазної напруги отримуємо обертове магнітне поле статора. Воно, як в АД, перетинає короткозамкнені витки пускової обмотки ротора і індукує в них струм. В результаті взаємодії цього струму з обертовим полем статора створюється пусковий обертальний момент, який розганяє ротор майже до синхронної частоти (до обертів холостого ходу в режимі АД). Потім обмотку збудження від’єднують від опору R і вмикають до джерела постійного струму. Взаємодія обертового поля статора і полюсів ротора створює синхронізуючі сили, які “підтягують” полюс ротора до полюсу поля статора (частота обертання ротора збільшується до синхронної – машина втягується в синхронізм) і далі ротор обертається з синхронною частотою. Після втягування двигуна у синхронізм немає змінного у часі перетину обертовим полем статора витків короткозамкненої обмотки ротора, струм там не індукується і, отже, тепер ця обмотка вже є непотрібною.

Необхідність використання при пуску СД опору R обумовлена наступним. В момент пуску в обмотці збудження двигуна індукується власна ЕРС. В розімкненому положенні обмотки величина цієї ЕРС являє небезпеку для обслуговуючого персоналу і може викликати пробій ізоляції обмотки. Вмикання же обмотки збудження на опір R, з одного боку, знижує напругу на її затискачах, а з другого – дозволяє використати цю обмотку у якості додаткової короткозамкненої. Замкненою, вона створює додатковий пусковий момент, який сприяє пуску двигуна.

Складена із сегментів пускова обмотка СД не може забезпечити створення пускового моменту такого ж за величиною, як цільне “біляче колесо” АД. Враховуючи, те що СД загального призначення мають гірші пускові властивості (М_п/М_н » 1,1), ніж АД, а також з метою полегшення процесу втягування двигуна у синхронізм, пуск СД бажано здійснювати без навантаження.

Кут q, на який при пуску двигуна ротор відстає від обертового поля статора визначає величину обертального (електромагнітного) моменту СД:

,

де с₁ – конструктивна стала машини.

Із цього рівняння випливає, що електромагнітний момент СД змінюється за законом синуса (рис. 4.46) і має максимальне значення М_ем= М_max при q = 90° –

.

Трифазні СД загального призначення проектують так, щоб при номінальному моменті М_н кут q_н не перебільшував би (15...30)°. Таким чином,ці двигуни звичайно мають перевантажувальну здібність М_max/М_н= (sinq_н)^-1, близько 2–2,5 і тільки в окремих випадках до 4.

Зі збільшенням навантаження з боку робочої машини, хоча частота обертання ротору і не змінюється, значення кута qзбільшується. Коли момент на валу двигуна з боку робочої машини стає більшим за М_max, тобто при q > 90°, полюси ротора починають відставати від обертового поля статора. За таких умов, вони (полюси ротора), проходячи своїми серединами мимо середин однойменних полюсів статора, будуть зазнавати сильних поштовхів в бік протилежний напрямку обертанню ротора. У кінцевому рахунку, це призводить до зменшення частоти обертання ротора (випаданню двигуна із синхронізму) і швидкої його зупинки. Якщо при цьому не відключити живлення обмоток, то СД вийде з ладу.

Необхідність відключення живлення обмоток при випаданні двигуна із синхронізму обумовлена наступним. По-перше, в результаті зупинки СД фактично потрапляє у пусковий режим і, отже, в обмотках статора буде діяти пусковий струм. Оскільки, так же як і в АД, пусковий струм СД набагато (у 5-8 разів) перебільшує номінальній, то статорні обмотки двигуна можуть згоріти. По-друге, під дією обертового поля статора у нерухомій обмотці ротора буде наводитися змінна, із значною амплітудою ЕРС, яка може викликати пробій ізоляції цієї обмотки.