Синхронный режим. Синхронные режимы параллельной работы синхронных машин. Асинхронный режим возбужденной синхронной машины
Асинхронный режим.
В этом режиме данные модем передает по одному байту. В начале каждого байта передаются биты сигхронизации, а в конце байта – стоповые биты. Между передачей двух байт выдерживается определенная пауза. Этот режим хорошо работает на не очень качественных телефонных линиях т.к. если происходит искажение данных, то небольшого их количества (за 1 сек передается небольшое количество данных) и повторять приходится только небольшое количество байт. Однако и скорость передачи не большая.
Этот режим разработан только для качественных линий. Модем передает не по одному байту а обоймами (как при временном мультиплексировании) те несколько байт передаются полряд без пауз и промежутояных старт и стоповых бит. Старт и стоповые биты передаются только вначале и в конце обоймы, а паузы – между обоймами. За счет такой пакетной передачи байтов значительно ускоряется передача, но при плохойлинии и многочисленных искажениях приходится повторно передавать большое количество данных, что не ускоряет, а наоборот, - замедляет передачу или вообще делает ее не возможной.
Модемы, работающие только в асинхронном режиме , обычно поддерживают низкую скорость передачи данных - до 1200 бит/с..
Модемы, работающие только в синхронном режиме , могут подключаться только к 4-проводному окончанию. Синхронные модемы используют для выделения сигнала высокоточные схемы синхронизации и поэтому обычно значительно дороже асинхронных модемов. Кроме того, синхронный режим работы предъявляет высокие требования к качеству линии. существуют различные стандарты ддля них:
· V.26 - скорость передачи 2400 бит/с;
· V.27 - скорость передачи 4800 бит/с;
· V.29 - скорость передачи 9600 бит/с;
· V.32 ter - скорость передачи 19 200 бит/с.
Для выделенного широкополосного канала 60-108 кГц существуют три стандарта:
· V.35 - скорость передачи 48 Кбит/с;
· V.36 - скорость передачи 48-72 Кбит/с;
· V.37-скорость передачи 96-168 Кбит/с.
Модемы, работающие в асинхронном и синхронном режимах , являются наиболее универсальными и часто используемыми устройствами. Чаще всего они могут работать как по выделенным, так и по коммутируемым каналам, обеспечивая дуплексный режим работы. На выделенных каналах они поддерживают в основном 2-проводное окончание и гораздо реже - 4-проводное.
Для асинхронно-синхронных модемов разработан ряд стандартов серии V:
· V.22 - скорость передачи до 1200 бит/с;
· V.22 bis - скорость передачи до 2400 бит/с;
· V.26 ter - скорость передачи до 2400 бит/с;
· V.32 - скорость передачи до 9600 бит/с;
· V.32 bis - скорость передачи 14 400 бит/с;
· V.34 - скорость передачи до 28,8 Кбит/с; - выбор скорости и др.параметров в зависимости от качества линии
· V.34+ - скорость передачи до 33,6 Кбит/с. – усовершенствованый метод кодирования, лучше работают на зашумленных линиях
На высокой скорости модемы V.32-V.34+ фактически всегда используют в канале связи синхронный режим.
Предполагается, что работа синхронной машины происходит при уравновешенных напряжениях на зажимах обмотки статора; протекающая симметричная система токов создает магнитное поле, вращающееся со скоростью со, = 2л/,. С такой же скоростью вращаются ротор и магнитное поле от обмотки возбуждения, ток 1 f в которой не зависит от нагрузки.
В рассматриваемых условиях проекций изображающего вектора U s на оси d и q будут постоянными величинами, не зависящими от времени, т. е. эквивалентны постоянным напряжениям. Эго же замечание относится и к проекциям от других изображающих векторов (рис. 5.4). Поэтому уравнения для рассматриваемого установившегося режима получатся из (5.14), полагая р = 0.
Рис. 5.4. а - для двигателя; о - для генератора
С учетом сделанных замечаний, характеризующих рассматриваемый режим, уравнения движения получим из (5.14), полагая р =
0 (токи постоянные):
Здесь x d =со x L d , x q =co- синхронные индуктивные сопротивления обмотки якоря по продольной и поперечной осям; x ad = соL ad - индуктивное сопротивление взаимной индукции между обмотками якоря и возбуждения, расположенными по продольной оси; x ad I f = E f - падение напряжения, равное ЭДС,
создаваемой током возбуждения в обмотке якоря. Ее также называют ЭДС возбуждения юти ЭДС холостого хода.
Угол нагрузки. Роль угла нагрузки 0 в исследовании синхронных машин аналогична роли скольжения в анашзе асинхронных машин. В теории синхронных машин за этот угол принимают угол между результирующим вектором напряжения U s и вектором Е f ,
совпадающим с положительным направлением поперечной оси. Его выбор станет понятнее, если рассмотреть идеальный холостой ход машины, полагая, что потери в ней отсутствуют, т. е. она нс потребляет и не отдаст мощности. В рассматриваемом режиме результирующий вектор напряжения и л. должен совпадать с поперечной осью (0 = 0). В этом случае вектор потокосцеиления? л будет направлен по продольной оси, т. е. будет совпадать по направлению с вектором потокосцеиления поля возбуждения? f . Последнее легко
установить, если вспомнить, что при R s = 0 (потери отсутствуют) уравнение напряжения для статорной обмотки имеет вид U, = = j v . Развиваемый в этом случае момент будет равен нулю, что и характеризует холостой ход машины.
Обратим внимание, что принятое начало отсчета угла нагрузки соответствует положению устойчивого равновесия, которое будет стремиться занять ротор после снятия внешних возмущений.
Таким образом, изменение угла нагрузки связано с изменением положения ротора относительно бегущего результирующего поля машины, которое определяется приложенным напряжением. Если за счет внешней механической силы ротор его опережает, то возникающий электромагнитный момент удерживает последний на синхронной скорости. Такой режим работы соответствует генераторному режиму. Если бегущее поле увлекает за собой ротор, преодолевая внешние силы сопротивления, и удерживает его на синхронной скорости, то рассматриваемый режим работы соответствует двигательному режиму. Для первого случая, генераторного, угол нагрузки считается положительными (0 > 0); для второго, двигательного, - отрицательным (0
Однако нельзя не заметить, что предлагаемый отсчет угла нагрузки отличается от общепринятой системы, в которой положительный отсчет производится против часовой стрелки. И это обстоятельство становится особенно заметным, если рассматривать угол нагрузки как угол между двумя координатными системами - системой координат d, q и синхронной, в которой принято совмещать ось вещественных чисел с вектором напряжения (см. рис. 5.4). При таком отсчете угол 0 есть угол между мнимой (q) и вещественной осыо двух координатных систем, а нс одноименными осями.
Чтобы привести отсчет угла нагрузки к отсчету, принятому в теории цепей, примем за угол нагрузки угол (5 - угол между вещественными осями двух систем, отсчитываемый от оси d. Как видно из векторных диаграмм на рис. 5.4, его можно представить через известный угол 0:
с тем существенным отличием, что его отсчет изменится на обратный. Теперь в двигательном режиме, в котором вектор напряжения опережает поперечную ось, угол будет положительным 0 > 0, тогда как в генераторном этот угол будет отрицательным 0
Составляющие напряжений по продольной u d и поперечной и ч осям в результате будут определяться как
а соответствующий им результирующий вектор напряжения
Рис. 5.5. К определению продольной и поперечной составляющих токов и напряжении (R s . =0)
Благодаря введенному углу р отсчет патожительных углов в обеих системах координат будет одинаковым, и удобство такого подхода можно наблюдать при определении продольной и поперечной составляющих тока через его активную и реактивную составляющие в синхронно вращающейся системе координат. Проведем эту опера- цию для двигательного режима, которому соответствует векторная диаграмма на рис. 5.4, когда машина работает с опережающим коэффициентом мощности coscp>0, тогда с учетом (5.17) получим
где активная и реактивная составляющие тока
Приведенные связи между токами обеих координатных систем будут справедливы и для генераторного режима, и для случаев, когда коэффициент мощности будет отрицательным - во всех этих случаях достаточно изменить знак перед углом 0 и углом ф на обратный.
Мощность и электромагнитный момент синхронной машины.
На рис. 5.5 приведена векторная диаграмм, построенная в соответствии с уравнениями (5.16).
Из диаграммы легко установить связи между действительными величинами и их составляющими в осях d, q:
Мощность на зажимах машины P s получим, подстаашя U d и U q (5.21):
Как видим, за вычетом потерь на сопротивлении якоря остальная мощность передается через воздушный зазор. Эта часть мощности представляет электромагнитную мощность Р ш, связывающую электрическую и механическую части машины:
где Ef q представляет алгебраическую сумму ЭДС, из которых ЭДС возбуждения ^создается током возбуждения E f = x ad I f и ЭДС,
созданной продольной состаашкнцей тока якоря I d и разностью индуктивностей по продольной и поперечной осям, вызванной яв- нополюсностью машины I d (x d - x q). Обе состаатяюшде создаются
магнитными потоками, направленными по продольной оси.
Связь электромагнитной мощности от угла нагрузки 0 найдется, если в выражение мощности подставить токи I d и 1 (/9 найденные из решения уравнений (5.16), в которых состаатяющис напряжений необходимо выразить согласно (5.18). Учитывая, что синхронные машины обычно выполняются на большие мощности с высоким КПД, то без заметной ошибки сопротивлением обмотки якоря можно пренебречь, т. е. R s = 0. Тогда с учетом (5.18)
И, соответственно, получим
Первое слагаемое мощности в (5.25) является результатом взаимодействия токов статора и ротора. В отличие от асинхронной машины, последний задается внешним источником постоянного тока.
Природа второго слагаемого мощности подробно будет рассмотрена ниже, здесь лишь укажем, что она связана с взаимодействием тока статора (якоря) с пространственной гармоникой магнитного поля, вызванной явнополюсностыо ротора, и созданной, подчеркнем, этим же током. Синхронные машины, работа которых основана на указанном явлении, называются синхронными реактивными машинами.
Электромагнитный момент машины получится непосредственно из (5.16) либо через значение электромагнитной мощности
На рис. 5.6 приведена зависимость мощности, представленной в виде суммы ее составляющих, от угла нагрузки.
Положительные значения угла нагрузки соответствуют режиму двигателя, отрицательные - режиму генератора. При этом в полном согласии с теорией цепей в первом случае мощность положительна (потребляется из сети), во втором - отрицательна (отдастся в сеть).
Рис. 5.6. Мощность синхронной явнополюсной машины в функции угла нагрузки при постоянном токе возбуждения (R, = 0)
Угловая характеристика определяет потенциальные возможности машины. Она показывает, какую максимальную мощность машина может развить при данном токе возбуждения. Если внешние силы окажутся больше максимальных значений, определяемых точками А, то в случае двигательного режима машина остановится, в генераторном, напротив, скорость машины будет возрастать за счет подводимой механической мощности, она идет вразнос. В обоих случаях говорят о выпадении из синхронизма.
Значение угла нагрузки, соответствующее максимальному моменту (мощности), найдется из известного условия с/М, м /с/0 = 0. В результате дифференцирования получим
Решение полученного уравнения найдем , представляя cos 20,„ как
тогда последнее уравнение преобразуется к виду откуда найдем
Отношение максимального момента к номинальному характеризует перегрузочную способность машины. Обычно она сосгааляет
т. е. рабочее значение угла нагрузки примерно равно 0 1ЮМ » 30°.
Сопостааляя выражения электромагнитных моментов синхронной и асинхронной машин, нельзя не огмелить их принципиальное различие. Причина такого положения связана с тем, что работа асинхронной машины основана на взаимодействии бегущего по.ля машины с индуцированным им же током в обмотке ротора. Или, иначе говоря, ток в обмотке ротора возникает в результате трансформаторной связи с обмоткой статора. Как следствие, индуктивные параметры, определяющие токи, момент и остальные показатели машины, являются переходными индуктивностями, которые, как было показано в предыдущей главе, много меньше собственных индуктивностей контуров статора или ротора, составляя примерно удвоенное значение индуктивности от полей рассеяния.
Для синхронных машин мы наблюдаем другую картину. При синхронной скорости вращения ротора трансформаторная связь между обмотками отсутствует, так как ротор и бегущее магнитное поле якоря вращаются с одинаковой скоростью, т. е. относительно неподвижны. Поэтому поведение синхронной машины определяется собственными индуктивностями обмоток статора, которые во много раз превосходят переходные индуктивности. Их значения обратно пропорциональны величине воздушного зазора. Следовательно, если выполнить синхронную машину на базе асинхронной машины, то она будет развивать значительно меньшую мощность. В этой связи становится понятным, почему в синхронных машинах воздушный зазор выполняется много большим, чем в асинхронных. Соответственно вырастают размеры и масса обмотки возбуждения, которая оказывается значительно дороже короткозамкнутой обмотки ротора последней.
Другой путь повышения перегрузочной способности и связанной с ней устойчивой работы машины достигается применением быстродействующих регуляторов, обеспечивающих быстрое изменение тока возбуждения при колебаниях нагрузки. В этом случае воздушный зазор может быть выполнен значительно меньшим, работа машины в номинальном режиме проходит при меньшей перегрузочной способности, при углах нагрузки, близких к критическому углу.
Векторные диаграммы синхронной машины и определение ЭДС возбуждения. Для случая, когда заданы напряжение U s , ЭДС возбуждения Е/ и угол нагрузки 0, составляющие токов Ij, I, найдутся согласно уравнениям (5.24) (R s = 0):
Доя рассматриваемого случая векторные диаграммы двигательного и генераторного режимов представлены на рис. 5.8, наглядно отражая уравнения (5.16). Они позволяют рассчитать все показатели, характеризующие работу машины: активную и реактивную мощности
ток и коэффициент мощности электромагнитный момент
На приведенных диаграммах Е/= l t x ad соответствуют падениям напряжения на интукгивных сопротивлениях. Оше опережают соответствующие токи на ушл я/2.
На практике задача расчета чаще ставится иначе: заданы полная мощность S, коэффициент мощности coscp, напряжение на зажимах U s и требуется найти ЭДС возбуждения, обеспечивающую указанные выходные показатели. Поставленная задача по существу сводится к определению угла нагрузки 0. Еш значение наиболее просто можно найти из графического построения, приведенного на рис. 5.7. Оно выполнено, исходя от противного, полагая что ЭДС Е f возбуждения и искомый угол 0 между координатными системами известен.
Рис. 5.
Как видно из построения, прямоугольные треугольники ОВС и tkn подобны. Отсюда следует, что вектор
определяющий положение поперечной оси, находится через известные величины - ток I s задан. Таким образом, можно рекомендовать следующий порядок определения угла нагрузки:
- 1) откладываем (произвольно) на комплексной плоскости вектор напряжения Ц„ равный отрезку Ок;
- 2) из конца вектора напряжения (точка к) проводим перпендикуляр аа к направлению тока и откладываем на нем вектор пк = = ~jXqh
- 3) через точки и и О проводим прямую, которая определяет поперечную ось с]. Продольная ось получится как перпендикуляр, восстановленный к оси ц из начала координат, причем ее направление должно отставать от поперечной оси ц.
При известном угле 0 легко находятся токи / и /, с помощью которых и определится искомое значение ЭДС возбуждения Ер
Приведенный графический метод поиска электродвижущей силы Е/ является классическим решением, оно приводится во всех учебниках и монографиях по электрическим машинам. Автором его является, по-видимому, А.А. Горев", один из создателей теории синхронных машин, основанной на преобразовании d, ц. Графическое решение на основе векторных диаграмм позволяет избежать аналитических преобразований, громоздкость которых обусловлена различием параметров по продольной и поперечной осам - xj ф х ч.
И тем не менее можно предложить простой аналитический путь достижения поставленных целей. Рассматривая векторные диаграммы на рис. 5.7, можно видеть, что угол нагрузки определяется вектором Е f = On , модуль которого, как нетрудно установить, равен
Эго более четко видно из векторной диаграммы на рис. 5.8. Таким образом, поставленная задача свелась к поиску вектора F. /(/ = On ,
который ранее был введен при поиске электромагнитной мощности (5.25а).
Рис. 5.8.
Горев А.А. Переходные процессы в синхронных машинах. - М.-Л.: ГЭИ, 1950.-552 с. ил.
Поиск проведем на основе уравнений напряжений (5.16). Для введения в них указанной величины достаточно прибавить и вычесть к правой части уравнения для U d слагаемое l d x q , тогда по
Полученная система уравнений соответствует неявнополюсной машине, в которой индуктивные параметры по продольной и поперечной осям равны х (/ . Умножая первое уравнение на - 1, а второе
на -j и складывая их, получим
ити
От полученного уравнения, "записанного в системе координат ротора, перейдем к синхронной координатной системе, в которой ось вещественных чисел, как видно из приведенных диаграмм, определяется вектором напряжения. Представляя переменные через вещественную и мнимую составляющие в новой системе координат, приведенное уравнение запишется как
отсюда, приравнивая мнимые и вещественные части в левой и правых сторонах, найдем
и, таким образом, для искомых угла нагрузки 0 и ЭДС E fq
получатся следующие выражения:
Здесь токи определяются заданным режимом нагрузки, причем для опережающего коэффициента мощности они будут положительными, для отстающего - отрицательными, независимо от режима работы.
ЭДС возбуждения E f найдется с помощью найденных выражений по формуле
где ток I d определяется с помощью (5.20). Полученное выражение для ЭДС возбуждения дает возможность найти соответствующий ей ток возбуждения по характеристике холостого хода E f = E f (I f).
Диаграмма тока и эквивалентная схема замещения. Роль диаграмм тока и соответствующих им схем замещения станет понятной, если учесть, что, они, полученные на основе уравнений напряжений, позволяют помимо тока найти все энергетические величины, такие как мощность, момент, коэффициент мощности, КПД. Такого рода ожидания будут оправданными в том случае, если диаграмма будет представлять зависимость от параметра, характеризующего нагрузку, в виде окружности, как это имело место при анализе асинхронных машин. Для синхронных явнополюсных машин изменение вектора тока от угла нагрузки носит более сложный характер - это эллипс в осях ротора, который вырождается в улитку Паскаля в синхронной (или естественной) координатной системе. Построение таких зависимостей представляет громоздкую задачу, решение которой имеет чисто теоретический интерес. И тем не менее задачу можно существенно упростить, если ввести в анализ условную ЭДС" по поперечной оси F f 4 (5.23), с помощью которой
было получено уравнение (5.28):
откуда по заданным токам был найден вектор Е fq . Очевидно, что
на его основе можно решать и обратную задачу, когда для заданного Ef q требуется найти ток
Как видно из приведенного уравнения, вектор тока описывает окружность с центром, определяемым вектором U s z ~", радиус которой равен E fq (R j + x q j . Действительное значение ЭДС возбуждения Е f для каждого угла нагрузки найдется через найденные
активную и реактивную составляющие тока (5.23).
Покажем, как на основе уравнения напряжений помимо тока найти энергетические соотношения, характеризующие установившийся режим работы. Для этого умножим левую и правую части уравнения (5.28) 0,5 m
s , где, напомним, I , представляет сопряженный комплекс тока
и в результате получим
Здесь левая часть представляет мощность на зажимах машины P s , в правой - первое слагаемое определяет электрические потери в обмотке статора р эл1 , второе - электромагнитную мощность. Их развернутые выражения приведены ниже:
Нетрудно установить, что в частном случае, когда R s = 0, получится выражение для электромагнитной мощности, идентичное найденному выше при указанном условии.
На основе уравнения (5.28) можно получить уравнение напряжений с учетом потерь в стали, которые определяются полным потокосцеплением обмотки статора, как это можно наблюдать из следующего уравнения:
Этому уравнению отвечает схема замещения, приведенная на рис. 5.9, и соответствующая система уравнении по продольной и поперечной осям:
Рис. 5.9.
Здесь 0" - это угол между вектором J a и вектором Е, лежащим
на поперечной оси. Из него также следует, что для фиксированного значения Ej- с изменением угла
нагрузки 0" конец вектора тока описывает окружность, радиус ко- торой Е /с/ / х ц.
Полная схема замещения получится добавлением в приведенной схеме сопротивления обмотки якоря R s и сопротивления /‘ м,
Рис. 5.10.
учитывающего потери в стали. В результате получится схема замещения, приведенная на рис. 5.10. Здесь включение
указанньш образом позволяет учесть потери в стали, вызванные как основным магнитным потоком, так и полями рассеяния.
Однако практическая ценность приведенной схемы невелика, так как в нее входит угол 0", а не действительный угол 0. Другое неудобство связано с определением тока I sa . Для устранения указанного недостатка выполним преобразования, основанные на следующих соображениях. Ток / м
увеличивает ток на зажимах машины. Он совпадает по фазе с напряжением U а, поэтому к токам I d и I q , найденным из решения
уравнений (5.32)
необходимо добавить токи, обусловленные потерями в стали. В результате получим
Здесь 0" - угол между вектором U a и поперечной осью q. Решая приведенные уравнения относительно
Чтобы перейти к напряжению сети U s , необходимо учесть падение напряжения на сопротивлении якоря R s , для чего воспользуемся уравнениями
подставляя в которые выражения для U ad
и U
иц, получим
где
Перейдем от координатной системы ротора к синхронной, как это делалось ранее, в которой ось вещественных совмещена с вектором напряжения, и учтем при этом, что
где положительные значения угла соответствуют двигательному режиму, получим
откуда найдем ток
Рис. 5.11.
Полученному результату соответствует схема замещения, приведенная на рис. 5.11.
Как нетрудно установить, при заданном E /q с изменением нагрузки, характеризуемой углом 0, годограф тока опять представляет окружность, радиус которой R:
с центром, определяемым вектором T = U Jz r Его построение
Рис. 5.12.
приведено на рис. 5.12. Точка окружности тока, соответствующая углу 0 = 0, определяется положением радиуса вектора R, проведенного из центра О х, как показано на рис. 5.13. Заметим, что при отсутствии потерь (R s = 0, = °°) центр окружности лежит на оси мнимых чисел.
С помощью д иаграммы тока могут быть найдены все величины, характеризую! i ще установившийся режим работы. При этом в дальнейшем круговая диаграмма будет представлять действующие значения тока, напряжения и ЭДС:
Напомним основные величины, характеризующие работу синхронной машины.
1. Электрическая мощность на зажимах
определяется активной составляющей тока, которая равна длине перпендикуляра E X Q X , опущенного из конца вектора тока ОЕ х на ось абсцисс. Таким образом, отрезок E X Q X , измеренный в масштабе тока и умноженный на m [ U ] , дает мощность
Мощность будет положительной для двигательного и отрицательной для генераторного режимов. Ось абсиде с (мнимых чисел), до которой измеряется длина перпендикуляра E X Q X , называется линией подводимой мощности.
Рис. 5.11
2. Электромагнитная мощность Р эм пропорциональна длине перпендикуляра Е Х Н Х, опущенного на линию электромагнитной мощности bb x:
которая проходит через точки окружности тока, в которых Р ы = 0. Такие точки найдутся на основе уравнений (5.34). Умножая каждое уравнение соответственно на токи / d , 1 (/ к складывая левые и правые части, получим выражение для электромагнитной мощности
которое содержит информацию об искомых углах. Для этого подставим токи I d и 1 „, найденные из той же системы уравнений.
В результате получим следующее уравнение для мощности, выражая составляющие напряжений через угол нагрузки (5.18):
где
Таким образом, из условия Р эм = 0 получится следующее уравнение для поиска искомых углов нагрузки:
из которого найдутся точки устойчивою а, и неустойчивого а 2 равновесия, в которых Р ш = 0.
Заметим, что для двигательного режима электромагнитная мощность передастся на ротор машины как часть мощности, подводимой на зажимы обмотки статора. Для генераторного режима она представляет часть мощности, передаваемой на статор от подводимой к ротору механической монщости.
- 3. Коэффициент мощности cos(р, как видно из рис. 5.13, может быть найден непосредственным измерением угла ер либо с помощью построения, приведенного на рисунке: проводим окружность с радиусом, равным единице, и центром в начале координат О. Проекция точки h x на ось ординат дает искомое значение cos(p.
- 4. Коэффициент полезного действия. Для двигательного режима выходная мощность равна Р эм, поэтому он равен
Дтя точки Е х имеем ц = Е Х Н Х /Е Х Q . Отрезок a x q = E X Q X -Е Х Н Х определяет потери электрические и потери в стали. Приведенное значение КПД нс учитывает механические и добавочные потери.
Для генераторного режима КПД выходной мощностью является мощность на зажимах статора, поэтому
В каждой точке окружности тока действительную электродвижущую силу Ef, созданную током возбуждения If, найдем как
Ej=E Jq+ I d (x d -x q), где ток I d рассчитывается согласно (6.21) через активную 1 А и реактивную I R составляющие тока. С помощью диаграммы тока легко решается задача поиска ЭДС возбуждения Ef , обеспечивающая заданный режим нагрузки. Дтя этою достаточно на комплексной плоскости отложить в масштабе вектор тока Ij под углом Ef q , а затем и искомое значение E f . На рис. 5.14 приведено решение для случая, когда потерями в машине можно пренебречь. В этом случае центр окружности О, лежит на оси абсцисс, линии подводимой и электромагнитной мощности совпадают с осью мнимых чисел.
Рис. 5.14. К определению требуемого значения E f
Дтя этого случая активная I А и реактивная I R состаатяющие тока могут быть предстаатены через параметры окружности
и на основе выражения отсюда
11а основе приведенной диаграммы легко построить?/-об разные характеристики синхронной машины, показывающие характер изменения тока якоря от тока возбуждения
рассчитываемой при постоянстве мощности на валу для двигателя или на зажимах дтя генератора. При этом связь между током Ef q / X q и током возбуждения I f найдется из приведенных соотношений.
Работа синхронной.машины в режиме поперечного паля.
В связи с развитием автономных источников на полупроводниковых элементах с высокими технико-экономическими показателями, обеспечивающими широкий.диапазон частоты питания, синхронные двигатели все шире используются в регулируемых приводах, успешно конкурируя с приводом на постоянном токе. Как известно, двигатели постоянного тока обладают регулировочными характеристиками, которые являются эталоном при построении регулируемых приводов переменного тока. Природа такого положения связана с обеспечением ортогональности между осями магнитных полей от токов статора и ротора (якоря и возбуждения), которая достигается с помощью коллекторно-щеточного узла. В результате развиваемый электромагнитный момент зависит только от мгновенных токов значений токов. Однако указанный узел - самое уязвимое, самое слабое место двигателей постоянного тока из-за коммутационных явлений и скользящих контактов, требующих постоянного внимания. Применение двигателей переменного тока позволяет избавиться от указанного недостатка, при этом ортогональность полей достигается аппаратными средствами, например, как это делается в так называемом частотно-токовом приводе.
Для синхронных двигателей в таком режиме работы между результирующими векторами тока статора 1 5 и возбуждения I f
обеспечивается угол л/2 электрических радиан, как показано рис. 5.15. В этом режиме продольная составляющая тока якоря l d - 0, что дало основание назвать рассматриваемый режим режимом поперечного поля. Хотя в созданных условиях картина образования электромагнитного момента оказывается аналогичной машине постоянного тока, однако синхронный двигатель будет значительно уступать по энергетическим показателям вследствие низкого коэффициента мощности.
Рис. 5.15. Векторная диаграмма для случая поперечного поля I d = О
Покажем это на примере синхронной неявнополюсной машины, пренебрегая электрическими потерями
Из условия равенства нулю продольной составляющей тока I d = О найдем на основе уравнения (5.3) ЭДС возбуждения Е f и ток статора 1 (/ :
Полученное значение тока найдется из диаграммы токов на рис. 5.16, если учесть, что угол А при вершине треугольника является прямым углом. Это легко установить, если вспомнить, что отрезок ОО х = U s /x a , а радиус окружности тока E f /х а =
= (U s sin Q)/x a .
Таким образом, можно наблюдать, что приведенная диаграмма токов соответствует режиму поперечного поля, при этом треугольник ОБО" является равнобедренным прямоугольником. Так как углы ф и 0 равны, то полученный результат означает, что работа в режиме поперечного поля происходит при отстающем коэффициенте мощности, равном
Рис. 5.16. Точка круговой диаграммы для l d = 0, l s = 1 Ч, 0 =
который приведет к вдвое большим потерям на единицу мощности по сравнению с двигателем постоянного тока, картина образования момента в котором реализуется в нашем случае. Причем двигатель, несмотря на наличие обмотки возбуждения, является потребителем реактивной мощности.
Сделанный вывод распространяется и на синхронные явнополюсные машины. Хотя в этом случае для каждого угла нагрузки радиус окружности тока определяется результирующей ЭДС по поперечной оси Е fq , как это можно наблюдать из рис. 5.13, для режима
поперечного поля она будет равна ЭДС возбуждения, так как в рассматриваемом режиме продольная составляющая тока равна нулю. Заметим также, что по этой же причине будет отсутствовать и реактивная составляющая электромагнитного момента, обусловленная разностью магнитных проводимостей по продольной и поперечной осям.
Для получения высоких энергетических показателей, позволяющих получить cos
Здесь передатчик и приемник действуют независимо и обмениваются синхронизирующей комбинацией битов в начале каждого кодового элемента (кадра) сообщения. Между одним кадром сообщения и следующим нет фиксированной зависимости. Это аналогично таким устройствам обмена информацией, как клавиатура компьютера, ввод с которой может происходить с длинными случайными паузами между нажатиями на клавиши.
Рис. 2.13. Асинхронная передача данных
Выбранная первоначально скорость передачи задает частоту опроса (за исключением систем "Autobaud"). Частота опроса канала на приемнике высока, обычно в 16 раз выше скорости передачи бит (bit rate), для точного определения центра синхронизирующей комбинации (стартового бита) и его длительности.
Рис. 2.14. Извлечение синхросигнала
Затем биты данных определяются приемником путем опроса канала в моменты времени, соответствующие середине каждого передаваемого бита. Они определяются добавлением для; каждого последующего такта значения длительности бита, начиная с середины стартового бита. Для восьмибитной последовательной передачи этот опрос производится для каждого из восьми битов данных, а заключительная выборка производится во время девятого временного интервала. Последняя выборка служит для определения стопового бита и подтверждения сохранности синхронизации до конца кадра сообщения. Рис. 2.15 иллюстрирует процесс асинхронного приема данных.
Рис. 2.15. Асинхронный прием данных
2.4.4. Синхронная передача
Здесь передатчик и приемник устанавливают начальную синхронизацию, затем непрерывно передают данные, поддерживая ее на протяжении всего сеанса передачи. Достигается это посредством специальных схем кодирования данных, таких, как манчестерское кодирование (Manchester Encoding), которые обеспечивают непрерывную запись в передаваемый поток данных тактовых сигналов передатчика. Таким способом можно поддерживать синхронизацию приемника вплоть до последнего бита сообщения, которое может достигать длины 4500 байтов (36000 битов). Это позволяет эффективно передавать большие кадры данных на больших скоростях. Синхронная система упаковывает вместе множество символов и посылает их непрерывным потоком, который называется блоком. У каждого блока есть заголовок, содержащий стартовый ограничитель для начальной синхронизации и информацию о блоке, и завершающая ччасть, для проверки " ошибок и т. п. Пример блока синхронной передачи показан на рис. 2.16.
В нормальном режиме работы на вал генератора действует два момента (считаем, что можно пренебречь моментом сопротивления, обусловленным трением в подшипниках и сопротивлением охлаждающей среды): момент турбины Мт , вращающий ротор генератора и стремящийся ускорить его вращение, и синхронный электромагнитный момент Мэм , противодействующий вращению ротора. В случае нарушения равновесия между вращающим моментом турбины и электромагнитным (тормозным) моментом генератора в зависимости от тяжести возмущения могут возникать: синхронные качания или асинхронный режим генератора.
Асинхронный режим (asynchronous regime ) – переходный режим в энергосистеме, характеризующийся несинхронным вращением части генераторов энергосистемы.
Асинхронные режимы могут возникать в результате:
Нарушения статической устойчивости из-за увеличения передаваемой мощности по линиям электропередачи сверхдопустимого значения;
Нарушения динамической устойчивости из-за аварийных возмущений (коротких замыканий, отключение генерирующего оборудования или электроустановок потребителя);
Несинхронного включения линий электропередачи и генераторов;
Потери возбуждения генератора.
Следует отметить, что асинхронные режимы работы невозбужденной и возбужденной синхронной машины существенным образом отличаются друг от друга.
1. Асинхронный режим возбужденной синхронной машины
В качестве примера, рассмотрим переход генератора в асинхронный режим работы из-за нарушения динамической устойчивости (см. рис.1) при возникновении короткого замыкания с отключением линии электропередачи.
Характерная особенность указанной зависимости - наличие четко выраженного максимума и минимума. Отличие асинхронного режима от синхронных качаний с точки зрения изменения тока заключается только в величине максимального значения тока в цикле качаний и в длительности этих качаний. Поскольку угол при синхронных качаниях теоретически может достигать своего критического значения, нельзя отличить асинхронный режим от синхронных качаний только по значению тока. Поэтому устройства АЛАР, основанные на выявлении асинхронного режима по колебаниям тока, настраиваются на работу на втором, третьем и т.д. цикле асинхронного режима. Другими словами, селективно асинхронный режим можно выявить лишь по длительным колебаниям тока с амплитудой не менее заданной и периодом не более расчетного.
Зависимость изменения напряжения и взаимного угла между двумя векторами напряжения при асинхронном режиме
Выражение для определения напряжения в промежуточных точках определяется в соответствии со вторым законом Кирхгофа по следующей формуле:
Относительная удаленность контролируемой точки с напряжением от точки с напряжением .
В асинхронном режиме вектор ЭДС синхронной машины, выпавшей из синхронизма, начинает вращаться относительно вектора ЭДС машин, работающих синхронно. Следует отметить, что в общем случае вращение вектора может происходить как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки:
против часовой стрелки ускоряются
Если вектор энергосистемы №2 вращается по часовой стрелке , то это свидетельствует о том, что генераторы энергосистемы №2 тормозятся относительно генераторов энергосистемы №1.
В качестве примера рассмотрим вращение вектора системы №2 в представленной расчетной схеме «по часовой стрелке».
Анализ полученных выражений показывает, что в момент расхождения напряжения системы №1 и системы №2 на угол 180 градусов (асинхронный проворот) активная мощность меняет свой знак, а значение реактивной мощности достигает своего максимального значения. Данная особенность изменения мощности в момент асинхронного проворота используется различными производителями в устройствах АЛАР независимо от элементной базы (электромеханические или микропроцессорные устройства).
В общем случае годограф вектора полной мощности (S = P + j Q) в месте измерения (установки реле мощности) представляет собой эллипс (зависимость P от Q) при изменении угла. Особенности изменения годографа мощности в цикле асин-хронного хода позволяют выявить момент наступления асинхронного режима, если есть возможность зафиксировать переход указанного годографа из диапазона углов ~0<δ<180° в диапазон ~180 0 <δ<360 0 при выполнении дополнительного условия, характеризующего зону δ≈180°.
Зависимость изменения сопротивления при асинхронном режиме
Сопротивление на зажимах реле сопротивления определяется как частное от деления напряжения в контролируемой точке на ток
С учетом соотношения между модулями напряжения по концам линии электропередачи 
полученное выражение может быть преобразовано в следующем виде:
Анализ полученного выражения показывает, что годографом сопротивления является окружность (эллипс), смещенная относительно начала координат. В зависимости от соотношения модулей напряжений по концам линии электропередачи характеристика изменения сопротивления имеет различный вид.
Режим работы синхронной машины параллельно с сетью при синхронной частоте вращения называется синхронным.
Рассмотрим включенную на параллельную работу неявнополюсную машину, пренебрегая активным сопротивлением фаз обмотки якоря ().
Ток обмотки якоря будет равен
Изменение реактивной мощности. Режим синхронного компенсатора.
В случае, если выполнены все условия включения генератора на параллельную работу, ток якоря равен нулю, машина работает на холостом ходу. Если ток возбуждения генератора после синхронизации увеличен, то, и возникает ток, отстающей отна 90 эл. град. (рис.3.23,а). Машина будет отдавать в сеть индуктивный ток и реактивную мощность. Если ток возбуждения генератора уменьшить, то, возникает опережающий токотносительнои(рис.3.23,б). Машина будет отдавать в сеть емкостной ток и потреблять из сети реактивную мощность.
Синхронная машина не несущая активную нагрузку и загруженная реактивным током называется синхронным компенсатором.
Изменение активной мощности. Режим генератора и двигателя.
Чтобы включенная на параллельную работу машина вырабатывала активную мощность, работала в режиме генератора, необходимо увеличить механический вращающий момент на валу (рис.3.23,в). При этом возникает ток, отстающий отна. Значение активной мощности генератора равно
Если, наоборот, притормозить ротор машины, создав на его валу механическую нагрузку, то ЭДС будет отставать отна угол, токот- на угол(рис.3.23,г). При этом активная мощность будет равна, машина будет работать в режиме двигателя, потребляя активную мощность из сети.
