Запуск синхронного генератора

Для пуска современных синхронных двигателей используется метод асинхронного пуска. Для этого синхронные двигатели снабжены специальной короткозамкнутой бельичьей клеткой как у асинхронных машин. С помощью асинхронного пуска СД разгоняется до так называемой с подсинхронной скорости ω_ПС=0,95ω₀, то есть до скольжения уменьшившегося в процессе пуска до величины S=0.05. Момент, развиваемый СД при подсинхронной скорости (см. рис. 5.6) называется входным моментом (Мвх). Если при М = Мвх в обмотку возбуждения СД подано возбуждение, то двигатель втягивается в синхронизм, после чего исчезает пусковой ток в короткозамкнутой пусковой обмотке.

Как видно из рис. 5.6, при различном сопротивлении короткозамкнутой пусковой обмотки СД меняется жесткость механических асинхронных характеристик, при этом меняются значения входных (Мвх) и пусковых (Мпуск) моментов СД, причем уменьшение Мвх при менее жесткой механической характеристике 2 ведет к увеличению Мпуска и наоборот для более жесткой характеристики 1 большему значению М_вх1 соответствует меньшее значение М_пуска1.

Значения Мвх и Мпуска СД задаются в каталогах на эти машины, так как они влияют на пуск при различных моментах статической нагрузки Мс. Например, если, как показано на рис. 5.6., двигатель имеет пусковую характеристику 2 (по которой (М_пуск2 > Мс.), то разгон СД произойдет до точки "а". При этом, двигатель не втянется в синхронизм, а будет продолжать работать в асинхронном режиме. Если не отключить СД, то длительный асинхронный режим разогреет короткозамкнутую обмотку, рассчитанную лишь для работы в ограниченное время пуска, и выведет СД из строя.

При пуске СД по характеристике 1 "застревание " его в асинхронном режиме может произойти лишь в точке "б"
(при М = М_с.1). При этом, и СД при наличии возбуждения втянется в синхронизм. Из рассмотрения характеристик на рис.5.6. можно сделать вывод, что входной момент - это максимально возможное значение момента статической нагрузки (Мвх = Мс.макс), при котором еще возможно втягивание СД в синхронизм.

При любой схеме асинхронного пуска СД имеется защита от длительной работы короткозамкнутой пусковой обмотки, ведущей к аварии и выходу дорогостоящего СД из строя.

В зависимости от мощности питающей сети применяются пуски СД при полном и пониженном напряжениях.

В высоковольтных (3-10 кВ) СД для подключения статора к сети используются масляные выключатели. Подача возбуждения на обмотку ротора СД производится от возбудителя: либо от генератора постоянного тока (может быть на одном валу с СД), либо от тиристорного выпрямителя, что чаще всего применяется в последнее время.

Синхронизация СД с сетью происходит автоматически при подсинхронной скорости и поданном в ротор возбуждении.

В зависимости от момента подачи полного напряжения на обмотку статора СД в сочетании с подачей возбуждения в обмотку ротора существуют три вида (или три принципиальных схемы) пуска:

a) Прямой пуск СД. На обмотку статора СД подается полное напряжение сети, а цепь обмотки ротора подключается наглухо к якорю электромашинного возбудителя G (см. рис. 5.7, а) либо через разрядное сопротивление R₁ (рис. 5.7, б). Реализация наиболее простого и дешевого прямого пуска с наглухо подключенным возбудителем возможна при соблюдении 3-х условий:

- если сеть, питающая статор, имеет достаточно большую мощность и нет необходимости снижения напряжения для уменьшения пускового тока СД;

- если время разгона СД до подсинхронной скорости ω_ПС меньше времени самовозбуждения возбудителя (в этом случае подача тока возбуждения в ротор СД происходит после достижения скорости);

- если момент статической нагрузки на валу СД меньше 40% номинального момента (Мс*<0.4). В этом случае гарантируется разгон СД без "застревания" на половине синхронной скорости из-за наличия в механической характеристике асинхронного пуска провала момента на половинной скорости (см. точку "а" на рис. 5.8).

Такой провал момента в характеристике возникает из-за взаимодействия замкнутой обмотки ротора и поля статора. Если при пуске СД Мс>0,4Mн или время разбега его превышает время самовозбуждения возбудителя, то применяют прямой пуск с разрядным резистором R₁ в обмотке возбуждения ротора СД, как это показано на рис. 5.7, б.

Разрядный резистор ограничивает ток возбуждения при пуске, улучшая при этом механическую характеристику СД. Разрядный резистор R₁ закорачивают при разбеге СД до подсинхронной скорости. Этот резистор обеспечивает также ускоренное гашение поля СД после его отключения от сети (уменьшается постоянная времени контура обмотки возбуждения СД). Величина R₁ выбирается порядка (8-10), то есть существенно больше сопротивления обмотки возбуждения ротора СД.

В схемах подачи возбуждения в ротор СД предусматривается возможность форсирования тока возбуждения с помощью резистора, шунтируемого контактами КФ (см. рис. 5.7). При увеличении тока возбуждения возбудителя и тока возбуждения синхронного двигателя М увеличивается Э.Д.С. СД, чем и достигается кратковременное повышение развиваемого им максимального электромагнитного момента (см.раздел. 5.2). Форсировка возбуждения необходима также при снижении напряжения питающей СД сети.

б) Легкий пуск СД. На обмотку статора подается пониженное напряжение для ограничения пускового тока. Возбуждение в ротор СД подается еще при пониженном напряжении на статоре.

Легкий пуск применяют при малых статических нагрузках и малых моментах инерции электропривода. При легком пуске обеспечиваются малые броски тока и момента при синхронизации (вхождении в синхронизм) СД.

в) Тяжелый пуск СД. На обмотку статора вначале подается пониженное напряжение (для ограничения пусковых токов), а затем полное напряжение сети. Напряжение возбуждения в ротор СД подается при полном напряжении на обмотке статора. Тяжелый пуск используется при больших моментах статического сопротивления и значительных моментах инерции на валу электропривода, когда для вхождения в синхронизм требуются большие входные моменты (для мощных компенсаторов, установках с маховиками и т.п.).

Понижение напряжения, подаваемого на статор СД, производится при помощи реакторов (см. рис. 5.9) или автотрансформаторов (рис. 5.10).

В схеме реакторного пуска по рис. 5.9 вначале включается масляный выключатель В1, и на двигателе снижается напряжение благодаря реактору Р. После разгона до подсинхронной скорости выключателем В2 закорачивается реактор, и на статор СД подается полное напряжение. При реакторном пуске всегда сохраняется равенство тока в статоре двигателя Iд току Iс, забираемому из сети.

При ограничении бросков пускового тока включением в цепь статора автотрансформатора необходимо соблюдать следующую последовательность работы масляных выключателей. Сначала включаются выключатели В1 и В3, на статор СД подается пониженное напряжение через автотрансформатор АТ. Затем с выдержкой времени (СД успевает разогнаться до подсинхронной скорости) отключается выключатель В3 и включается В2, на статор СД подается полное напряжение сети. Схема автотрансформаторного пуска применяется реже (для очень мощных СД), так как она дороже, сложнее и менее надежна из-за большего числа коммутационной аппаратуры.

Преимуществом схемы автотрансформаторного пуска является то, что потребляемый в этом случае из сети ток меньше, чем при реакторном пуске (Iс>Iд), так как этот ток Ic обратно пропорционален напряжению, то есть

1. Полупроводники. Собственная и примесная проводимость п/п.

Полупроводники — это вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, наличием примесей, изменением освещенности. По этим свойствам они разительно отличаются от металлов. Обычно к полупроводникам относятся кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не более 1,5—2 эВ. Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. Природа этой связи позволяет объяснить указанные выше характерные свойства. При нагревании полупроводников их атомы ионизируются. Освободившиеся электроны не могут быть захвачены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к образованию положительного иона. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон. Далее, в результате переходов электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном — «дырки». Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как перемещение положительного заряда. При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение «дырок» — дырочный ток проводимости.
В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается.
На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные. Допорная примесь — это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются липшие электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью n — 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью n = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости.
Акцепторная примесь — это примесь с меньшей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Проводимость будет «дырочной», а полупроводник называют полупроводником р-типа. Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью п = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».
Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах р—n-перехода. При приведении в контакт двух полупроводниковых приборов р-типа и л-типа в месте контакта начинается диффузия электронов из n-области в р-область, а «дырок» — наоборот, из р- в n-область. Этот процесс будет не бесконечным во времени, так как образуется запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и «дырок».
р—n-Контакт полупроводников, подобно вакуумному диоду, обладает односторонней проводимостью:
если к р-области подключить «+» источника тока, а к n-области «-» источника тока, то запирающий слой разрушится и р—л-контакт будет проводить ток, электроны из д-области пойдут в р-область, а «дырки» из р-области в n-область (рис. 32)

В первом случае ток не равен нулю, во втором — ток равен нулю. Это означает, что если кр-области подключить «-» источника, а к л-области — «+» источника тока, то запирающий слой расширится и тока не будет. Полупроводниковый диод состоит из контакта двух полупроводников р- и n-типа. Полупроводниковые диоды имеют: небольшие размеры и массу, длительный срок службы, высокую механическую прочность, высокий коэффициент полезного действия, их недостатком является зависимость сопротивления от температуры.
В радиоэлектронике применяется также еще один полупроводниковый прибор: транзистор, который был изобретен в 1948 г. В основе триода лежит не один, а два р—л-перехода. Основное применение транзистора — это использование его в качестве усилителя слабых сигналов по току и напряжению, а полупроводниковый диод применяется в качестве выпрямителя тока. После открытия транзистора наступил качественно новый этап развития электроники — микроэлектроники, поднявший на качественно иную ступень развитие электронной техники, систем связи, автоматики. Микроэлектроника занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения. Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов — транзисторов, диодов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе. В результате этого процесса на одном кристалле одновременно создается несколько тысяч транзисторов, конденсаторов, резисторов и диодов, до 3500 элементов Размеры отдельных элементов микросхемы могут быть 2—5 мкм, погрешность при их нанесении не должна превышать 0,2 мкм. Микропроцессор современной ЭВМ, размещенный на кристалле кремния размером 6x6 мм, содержит несколько десятков или даже сотен тысяч транзисторов.
Однако в технике применяются также полупроводниковые приборы без р—n-перехода. Например, терморезисторы (для измерения температуры), фоторезисторы (в фотореле, аварийных выключателях, в дистанционных управлениях телевизорами и видеомагнитофонами).