Возбуждение синхронных машин. Устройство синхронной машины. Основные технические данные

В синхронных машинах применяются несколько систем возбуждения.

Электромашинная система возбуждения с возбудителем постоянного тока (рис. 1). В этой системе в качестве источника используется специальный генератор постоянного тока (ГПТ), называемый возбудителем.

Системы возбуждения делятся на два типа – прямые и косвенные. В прямых системах возбуждения якорь возбудителя соединен с валом синхронной машины. В косвенных системах возбуждения возбудитель приводится во вращение двигателем, который питается от шин собственных нужд электростанции или вспомогательного генератора. Вспомогательный генератор может быть соединен с валом синхронной машины или работать автономно. Прямые системы более надежны, так как при аварийных ситуациях в энергосистеме ротор возбудителя продолжает вращаться вместе с ротором синхронной машины и обмотка возбуждения сразу не обесточивается.

Рис. 1. Электрома­шинная система возбуж­дения: LG LE - обмотка возбуждения возбудителя GE ; R Ш1 - ре­гулировочное сопротивление

Классическая система возбуждения синхронных машин состоит из возбудителя в виде генератора параллельного возбуждения на общем валу с синхронной машиной (электромашинный возбудитель). У тихоходных машин мощ­ностью до 5000 кВт для уменьшения массы и стоимости возбудителей последние иногда соединяют с валом синхронной машины с помощью клиноременной передачи. Гидрогенераторы также обычно имеют возбудитель на одном валу с генератором.

Для гашения магнитного поля применяется автомат гашения поля (АГП), который состоит из контакторов K 1 , K 2 и гасительного (разрядного) резистора R P . Гашение поля проводится в следующем порядке. При включенном контакторе K 1 включается контактор K 2 , замыкающий обмотку возбуждения на резистор , где R B -сопротивление обмотки возбуждения. Затем происходит размыкание кон­тактора К 1 , и ток в цепи обмотки возбуждения генератора начинает уменьшаться (затухать) с постоянной времени (L B - индуктивность обмотки возбуждения) в соответствии с уравнением (рис. 2).

Ток возбуждения можно было бы снизить до нуля выключением только одного контактора К 1 без включения гасительного резистора R P . Ток возбуждения в этом случае исчез бы практически мгновенно. Но мгновенный разрыв цепи возбуждения недопустим, так как из-за большой индуктивности обмотки возбуждения в ней индуцировалась бы большая ЭДС самоиндукции , превышающая в несколько раз номинальное напряжение, в результате чего возможен пробой изоляции этой обмотки. Кроме того, в контакторе К 1 при разрыве выделялась бы большая энергия, запасенная в магнитном поле обмотки возбуждения, и из-за большой дуги произошло бы разрушение контактов. Для крупных машин затухание тока возбуждения при наличии гасительного резистора происходит с постоянной времени около 1 с.

Форсировка возбуждения осуществляется шунтированием резистора R Ш1 , включенного в цепь возбуждения возбудителя.

Рис. 2. Затухание тока возбуждения при гашении поля

Однако у мощных тихоходных генераторов с n р =60-150 об/мин размеры и стоимость возбудителя в связи со значительной его мощностью и тихоходностью получаются большими. Кроме того, тихоходные возбудители вследствие своих больших размеров обладают большой электромагнитной инерцией, что снижает эффективность автоматического регулирования и форсировки возбуждения. Поэтому применяют также системы возбуждения в виде отдельного быстроходного агрегата (n р =750-1500 об/мин), состоящего из асинхронного двигателя и генератора постоянного тока. Асинхронный двигатель при этом получает питание от специального вспомогательного синхронного генератора, расположенного на одном валу с главным гидрогенератором, а в некоторых случаях - с шин собственных нужд гидростанции или с выводов главного гидрогенератора. В последнем случае возбудительный агрегат подвержен влиянию аварий в энергосистеме (короткие замыкания и пр.), и поэтому для повышения его надежности приводные асинхронные двигатели выполняют с повышенным максимальным моментом (М max ≥4 М н), а иногда эти агрегаты снабжают также маховиками. В виде отдельных возбудительных агрегатов выполняются также агрегаты резервного возбуждения электростанций, служащие для резервирования собственных возбудителей генераторов в случае аварий и неисправностей.

Турбогенераторы мощностью до Р н = 100 МВт также обычно имеют возбудители в виде генераторов постоянного тока на своем валу. Однако при Р н > 100 МВт мощность возбудителей становится настолько большой, что их выполнение при n р = 3000-3600 об/мин по условиям коммутационной надежности оказывается затруднительным или даже невозможным. При этом применяются разные решения. Например, за границей широко используются возбудители со скоростью вращения n р =750 - 1000 об/мин, соединяемые с валом турбогенератора с помощью редуктора, а также возбудительные агрегаты с асинхронными двигателями, получающими питание с шин станции или с выводов генератора.

Мощность возбудителя обычно равна 0,3-3 % мощности синхронного ге­нератора. Он приводится во вращение от вала синхронного генератора. Ток возбуждения крупной синхронной машины I B относительно велик и составляет несколько сотен и даже тысяч ампер. Поэтому его регулируют с помощью реостатов, установленных в цепи возбуждения возбудителя. Возбуждение возбудителя осуществляется по схеме самовозбуждения (рис. 1) или независимого возбуждения от специального генератора постоянного тока, называемого подвозбудителем (рис. 3). Подвозбудитель работает с самовозбуждением, и сопротивление резистора R Ш2 в процессе работы генератора не изменяется.

Рис. 3. Электромашинная система возбуждения с подвозбудителем: LG - обмотка возбуждения синхронного генератора; LE - обмотка возбуждения Возбудителя GE ; LA - обмотка возбуждения подвозбудителя GEA

Компаундированная система возбуждения с возбудителем постоянного тока (рис. 4). В современных системах возбуждения широко применяется принцип компаундирования, т. е. автоматическое изменение намагничивающей силы возбуждения при изменении тока нагрузки синхронного генератора. Так как в обмотке якоря синхронной машины протекает переменный ток, а в обмотке возбуждения 2- постоянный ток, то в схемах компаундирования синхронных машин применяются полупроводниковые выпрямители.

В приведенной на рис. 4 принципиальной схеме компаундированной системы возбуждения с возбудителем постоянного тока обмотка возбуждения возбудителя 4 подключена к якорю возбудителя 3 с реостатом 6 и, кроме того, к выпрямителям 9, получающим питание от последовательных трансформаторов 7. На холостом ходу генератора обмотка 4 получает питание только от якоря 3. По мере увеличения тока нагрузки генератора 1 напряжение вторичной обмотки трансформатора 7 будет расти, и уже при небольшой нагрузке это напряжение, выпрямленное выпрямителем 9, сравняется с напряжением обмотки 4. При дальнейшем увеличении нагрузки обмотка 4 будет подпитываться от трансформатора 7 и, поэтому ток этой обмотке и ток возбуждения генератора будут расти с увеличением нагрузки.

При увеличении сопротивления установочного реостата 8 напряжение, подаваемое на выпрямители 9, и компаундирующее действие трансформатора 7 будут расти. При коротких замыканиях компаундирующее устройство осуществляет форсировку возбуждения.

Рис. 4. Система возбуждения с токовым компаундированием

Компаундирующее действие схемы рис. 4 зависит только от значения тока нагрузки и не зависит от его фазы. Поэтому при индуктивной нагрузке это действие слабее, чем при активной нагрузке. Такое компаундирование называется токовым, и при этом постоянство напряжения U в пределах диапазона нормальных нагрузок удается сохранять с точностью до ± (5-10)%. Такая точность для современных установок недостаточна, и поэтому в схемах рис. 4 применяется дополнительный корректор или автоматический регулятор напряжения //, который соединен с помощью трансформатора 10 с зажимами генератора, а также с установочным реостатом 8. Регулятор 11 реагирует на изменения напряжения U и тока / и питает постоянным током дополнительную обмотку возбуждения возбудителя 5.

Вентильные системы возбуждения могут быть построены на большие мощности и являются более надежными, чем электромашинные. Различают три разновидности вентильных систем возбуждения: с самовозбуждением, независимую и бесщеточную .

В системе с самовозбуждением (рис. 6) энергия для возбуждения синхронной машины отбирается от обмотки якоря основного генератора, а затем преобразуется статическим преобразователем ПУ (тиристорный преобразователь) в энергию постоянного тока, которая поступает в обмотку возбуждения. Начальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного намагничивания его полюсов.

Рис. 6. Вентильная система возбуждения синхронного генератора с самовозбуждением: LG - обмотка возбуждения генератора; ПУ - преобразовательное устройство с регулятором напряжения; TV - трансформатор напряжения, снижающий под­водимое к обмотке возбуждения напряжение; ТА - трансформатор тока, служащий для поддержания напряжения возбуждения при изменении нагрузки генератора

В независимой системе вентильного возбуждения (рис. 7) энергия для возбуждения получается от специального возбудителя GN , выполненного в виде трехфазного синхронного генератора. Ротор его расположен на валу главного генератора. Переменное напряжение возбуди­теля выпрямляется и подается в обмотку возбуждения.

Разновидностью независимой системы вентильного возбуждения является бесщеточная система возбуждения. В этом случае на валу основной синхронной машины размещается якорь возбудителя переменного тока с трехфазной обмоткой.

Рис. 7. Вентильная независимая система возбуждения: GN - возбудитель переменного тока (синхронный); LN - обмотка возбуждения возбудителя; GEA - подвозбудитель;

LA - обмотка возбуждения подвозбудителя; ПУ - преобразовательное устройство с регулятором напряжения

Переменное напряжение этой обмотки через выпрямительный мост, закрепленный на валу машины, преобразуется в постоянное и непосредственно (без колец) подается на обмотку возбуждения основного генератора. Обмотка возбуждения возбудителя располагается на статоре и получает питание от подвозбудителя или регулятора напряжения.

. Особенностью этих машин является то, что для создания магнитного поля возбуждения у них используются постоянные магниты. Постоянные магниты чаще всего размещаются на роторе, благодаря чему машина становится бесконтактной. Синхронные машины с постоянными магнитами широко используются в качестве генераторов небольшой мощности и микродвигателей.

К недостаткам таких машин следует отнести сложность регулирования магнитного потока, высокую стоимость, малую предельную мощность (из-за невысокой механической прочности ротора из постоянных магнитов), а также повышенную массу машин средней мощности.

Синхронные генераторы с постоянными магнитами выпускаются на мощности, не превышающие нескольких десятков киловатт. Широкое распространение получили синхронные двигатели с постоянными магнитами и асинхронным пуском. Роторы таких двигателей сочетают в себе элементы синхронного двигателя - постоянные магниты и асинхронного двигателя - беличью клетку, необходимую для пуска.

4. Синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов

Особенностью этих машин является то, что для создания магнит­ного поля возбуждения у них используются постоянные магниты. Постоянные магниты чаще всего размещаются на роторе, благодаря чему машина становится бесконтактной. Синхронные машины с постоянными магнитами широко используются в качестве генераторов небольшой мощности и микродвигателей.

Преимуществами машин с постоянными магнитами являются простота конструкции, отсутствие скользящего контакта, высокий КПД и меньший нагрев из-за отсутствия потерь в обмотке: возбуждения и скользящем контакте. Большим достоинством этих машин является также отсутствие источника постоянного тока для их возбуждения.

К недостаткам таких машин следует отнести сложность регулиро­вания магнитного потока, высокую стоимость, малую предельную мощ­ность (из-за невысокой механической прочности ротора из постоянных магнитов), а также повышенную массу машин средней мощности.

Синхронные генераторы с постоянными магнитами выпускаются на мощности, не превышающие нескольких десятков киловатт. Широкое распространение получили синхронные двигатели с постоянными маг­нитами и асинхронным пуском. Роторы таких двигателей сочетают в се­бе элементы синхронного двигателя - постоянные магниты и асин­хронного двигателя - беличью клетку, необходимую для пуска.

Постоянные магниты могут иметь радиальное и аксиальное распо­ложение на роторе. В первом случае магнит 1 имеет форму звездочки (рис. 7), на нее напрессовывается стальной кольцевой пакет 2, в пазах которого располагаются стержни беличьей клетки.

Рис. 7. Синхронный двигатель с радиальным расположением посто­янных магнитов на роторе: 1 - постоянные магниты; 2 - пакет ротора; 3 - статор

В стали коль­цевого пакета для уменьшения потоков рассеяния магнитов выполня­ются межполюсные прорези. Во втором случае на валу располагается ротор 2 по типу ротора асинхронного двигателя, и с одного или обеих сторон от этого пакета размещаются постоянные магниты 1 (рис. 8), Асинхронный пуск двигателя с постоянными магнитами имеет ту особенность, что кроме двигательного (асинхронного) момента в этом слу­чае возникает еще тормозной (генераторный) момент. Тормозной мо­мент появляется в результате взаимодействия магнитного поля возбуж­денных полюсов ротора с наведенными им токами в обмотке статора 3. На рис. 9 показаны кривые асинхронного М а, тормозного М T и результирующего М моментов двигателя при асинхронном пуске.

Рис. 8. Синхронный двигатель с аксиальным расположением посто­янных магнитов на роторе: I - постоянный магнит; 2 - пакет ротора; 3 - статор

Рис. 9. Пусковые характеристики дви­гателя с постоянными магнитами

Пус­ковые характеристики у двигателей с постоянными магнитами хуже, чем у гистерезисных двигателей, но они имеют лучшие энергетические показатели, повышенную перегрузочную способность, стабильность час­тоты вращения.

Синхронные машины - это такие машины, в которых частота вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля статора. Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор. Наиболее частым исполнением является, якорь располагается на статоре, а на отделённом от него воздушным зазором роторе находится индуктор. Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора. Индуктор состоит из полюсов - электромагнитов постоянного тока или постоянных магнитов. Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, незаполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса. Для уменьшения магнитного сопротивлени я, применяют ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную конструкцию из электротехнической стали. Любая синхронная машина нуждается в процессе возбуждения - наведения в ней магнитного поля. Основным способом возбуждения синхронных машин является электромагнитноевозбуждение, сущность которого состоит в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения. При про­хождении по этой обмотке постоянного тока возни­кает МДС возбуждения, которая наводит в магнит­ной системе машины магнитное поле. Для питания обмотки возбуждения применяются специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В, обмотка возбуждения которого (ОВ) получала пита­ние постоянного тока от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронной машины и якоря возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронной машины поступает через контактные кольца и щетки. Для регулирования тока возбуждения применяют регу­лировочные реостаты, включаемые в цепи возбуж­дения возбудителя (r 1)и подвозбудителя (r 2).

Получила применение в синхронных генераторах бескон­тактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе.

В качестве возбудителя и в этом случае применяют генератор переменного тока, у которого обмотка, в которой наводится ЭДС (обмотка якоря), расположена на роторе, а обмот­ка возбуждения расположена на статоре. В результате обмотка якоря возбудителя и обмотка возбуждения синхронной машины оказываются вращающимися, и их электрическое соединение осу­ществляется непосредственно, без контактных колец и щеток. Но так как возбудитель является генератором переменного тока, а об­мотку возбуждения необходимо питать постоянным током, то на выходе обмотки якоря возбудителя включают полупроводниковый преобразователь, закрепленный на валу синхронной машины и вращающийся вместе с обмоткой возбуждения синхронной маши­ны и обмоткой якоря возбудителя. Питание постоянным током обмотки возбуждения возбудителя осуществляется от подвозбудителя (ПВ) - генератора постоянного тока. В синхронных генераторах, в том числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения, когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупро­водниковый преобразователь (ПП) преобразуется в энергию по­стоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного магнетизма магнитопровода машины.

Вопрос 58. Характеристики синхронного генератора: холостого хода, короткого замыкания, внешняя характеристика, регулировочная, нагрузочная, угловые характеристики. Их вид и анализ. Характеристика холостого хода синхронного генератора . Имеет прямолинейные и криволинейные участки, что связано с насыщением стали магнитной системы. Характеристика к.з: Это зависимость тока статора от тока возбужденияпри замкнутых выводах обмотки статора и постоянной частоте вращения. Машина будет работать на прямолинейном участке нагрузочной характеристики, и характеристика к.з. будет прямолинена.Внешняя характеристика . Представляет собой зависимость напряжения на выводах обмотки статора от тока нагрузки: U 1 = f (I 1) при I в = const; соs φ 1 , = const; n 1 = n ном = const.Регулировочная характеристика . Она показывает, как следует изменять ток возбуждения генератора при изменениях нагрузки, что­бы напряжение на зажимах генератора оставалось неизменно равным номинальному: I в = f (I 1) при U 1 = U 1ном = const; n 1 = n ном = const и cos φ 1 = const.++++Рисунки

Вопрос 57. Магнитное поле и реакция якоря синхронной машины. Уравнение напряжений синхронного генератора. Векторные диаграммы синхронного генератора при различных видах нагрузок. Воздействие МДС обмотки статора (якоря) на МДС обмотки возбуждения называется реакци­ей якоря. Реакция якоря оказывает влияние на рабочие свойства синхронной машины, так как изменение магнитного поля в маши­не сопровождается изменением ЭДС, наведенной в обмотке стато­ра, а следовательно, изменением и рада других величин, связан­ных с этой ЭДС. Влияние реакции якоря на работу синхронной машины зависит от значения и характера нагрузки. Синхронные генераторы, как правило, работают на смешан­ную нагрузку (активно-индуктивную или активно-емкостную). Но для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря на работу син­хронной машины целесообразно рассмотреть случаи работы гене­ратора при нагрузках предельного характера, а именно: активной, индуктивной и емкостной. При активной нагрузке ток в обмотке статора совпадает по фазе с ееЭДС . Это означает, что максимальной будет соот­ветствовать максимальному току. Показав по правилу «буравчика» направление магнитных потоков обмоток возбуждения и статора, видим, что поток статора Ф направлен перпендикулярно потоку возбуждения Фо, т. е. имеет место поперечная реакция якоря. В синхронной машине поперечная реакция якоря приводит к тем же последствиям, что и в машине постоянного тока искажается результирующее поле машины. Магнит­ное поле ослабляется под набегающим краем полюса и усиливает­ся под сбегающим краем полюса. Так как усиление поля ограни­чено насыщением стали, а ослабление не ограничено, результирующий магнитный поток машины уменьшается. Это ведет к уменьшению ЭДС машины. При индуктивной нагрузке ток статора отстает от ЭДС по фазе на 90°. Поэтому, когда ток статора достигнет мак­симума, ротор успеет провернуться на 90° и поток статора Ф г на­правлен вдоль оси полюса ротора противоположно основному по­току Фо- Таким образом, поток статора при индуктивной нагрузке ослабляет поле машины, и реакция якоря оказывает продольно-размагничивающее действие. При емкостной нагрузк е ток статора опережает ЭДС на 90°, и ток будет максимальным тогда, когда ротор еще не довернется до вертикального положения на 90°, и потоки статора и обмотки возбуждения будут совпадать. При этом магнитное по­ле машины усиливается, реакция якоря - продольно-намагничивающаяся.

Вопрос 60. Параллельная работа синхронных генераторов. Необходимость и условия включения на параллельную работу синхронных генераторов. Способы включения синхронных генераторов на параллельную работу. Применение нескольких параллельно включенных синхронных генераторов вместо одного генератора суммарной мощности необходимо для обеспечения бесперебойного энергоснабжения в случае аварии в каком-либо генераторе или отключения его для ремонта. Для включения синхронного генератора на параллельную работу необходимо выполнить следующие условия : 1. Напряжение подключаемой машины должно быть равно напряжению сети или работающей машины. 2. Частота подключаемого генератора должна быть равна частоте сети. 3. Напряжения всех фаз подключаемой машины должны быть противоположны по фазе напряжениям соответствующих фаз сети или работающей машины. 4. Для подключения на параллельную работу трехфазного синхронного генератора необходимо также обеспечить одинаковое чередование фаз подключаемой машины и сети.Приведение генератора в состояние, удовлетво­ряющее всем указанным условиям, называют син­хронизацией. Несоблюдение любого из условий син­хронизации приводит к появлению в обмотке статора больших уравнительных токов, чрезмерное значение которых может явиться причиной аварии.Включить генератор в сеть с параллельно рабо­тающими генераторами можно или способом точной синхронизации, или способом самосинхронизацииСпособ точной синхронизации . Сущность это­го способа состоит в том, что, прежде чем включить генератор в сеть, его приводят в состояние, удовле­творяющее всем вышеперечисленным условиям. Момент соблюдения этих условий, т. е. момент син­хронизации, определяют прибором, называемым синхроноскопом. Способ самосин­хронизации . Ротор не­возбужденного генера­тора приводят во вра­щение первичным дви­гателем до частоты вращения, отличающейся от синхронной не более чем на 2-5%, затем генератор подключают к сети. Для того чтобы избежать перенапряжений в обмотке ротора в момент подключения генератора к сети, ее замыкают на некоторое активное Сопротивление. Так как в момент подключения генератора к сети его ЭДС равна нулю (генератор не возбужден), то под действием напряжения сети в обмотке статора наблюдается резкий бросок тока, превышающий номинальное значение тока генератора. Вслед за включением обмотки статора в сеть подключают обмотку возбуждения к источнику постоянного тока и синхронный генера­тор под действием электромагнитного момента, действующего на его ротор, втягивается в синхронизм, т. е. частота вращения ротора становится синхронной. При этом ток статора быстро уменьшается.

Вопрос 62. Синхронные машины специального назначения. Реактивные синхронные, гистерезесные, шаговые двигатели. Назначение, устройство и принцип действия. Реактивный двигатель представляет собой явнополюсную синхронную машину без обмотки возбуждения. Поток двигателя и его вращающий момент создается м. д. с. реакции якоря, отсюда и название - реактивный двигатель. Момент двигателя М д возникает за счет дополнительной мощности Р д, имеющей место вследствие неодинаковой проводимости ротора по осям d и q. На выгоднейшим отношением x q /x d можно считать величину, близкую к 0,5.У реактивных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. Поэтому их роторы снабжаются короткозамкнутой пусковой обмоткой. При синхронном вращении короткозамкнутая обмотка является успокоительной, демпфирующей колебания ротора. Недостаток реактивных двигателей - низкий максимальный момент, коэффициент мощности (cosφ = 0,5) и к. п. д. У двигателей мощностью в несколько десятков ватт η= 35÷40%, а у двигателей мощностью в несколько ватт η<25%. К достоинству реактивных синхронных двигателей следует отнести отсутствие колебаний ротора и высокую надежность работы.Шаговые двигатели .Для преобразования управляющих импульсов в заданный угол поворота применяются синхронные двигатели, в которых поле вращается не равномерно, а при подаче сигнала поворачивается скачкообразно. Такие двигатели называются шаговыми. На статоре шаговые двигатели имеют две (иногда три) сдвинутые в пространстве обмотки, которые могут быть сосредоточенными или распределенными. Ротор двигателей всегда имеет явновыражен-ное исполнение. Шаговые двигатели разделяются на двигатели с активным ротором (имеющие обмотку возбуждения или постоянные магниты) и двигатели с реактивным ротором (не имеющие возбуждения). Шаговый двигатель работает следующим образом. В обмотку статора (или комбинацию статоров) подается постоянный ток. При этом полюса ротора устанавливаются против возбужденных полюсов статора, по обмоткам которых проходит ток. Когда постоянный ток подают в другие обмотки статора, ротор поворачивается на один шаг в положение, при котором его полюсы устанавливаются против следующих возбужденных полюсов статора. При каждом переключении постоянного тока в обмотках управления ротор двигателя поворачивается на один шаг. К шаговым двигателям предъявляются следующие требования : надежность в работе, быстродействие, малый шаг, недопустимость накопления ошибки с увеличением числа шагов, отсутствие свободных колебаний при отработке шага, минимальное число обмоток управления. Гистерезисным двигателем называют синхронный двигатель, вращающий момент которого создается за счет явления гистерезиса при перемагничивании феррамагнитного материала ротора. Статор гистерезисного двигателя выполняется аналогично статору асинхронного двигателя: на нем имеется обмотка, создающая вращающееся магнитное поле (трехфазная, двухфазная с постоянно включенной емкостью, сосредоточенная с экранированным полюсом и т. п.). Ротор двигателя сделан из магнитно-твердого материала и обмотки не имеет. Вращающий момент гистерезисного двигателя возникает за счет сильно выраженного гистерезиса материала ротора.Сущность гистерезиса состоит в том, что при изменении (вращении) внешнего по отношению к ротору магнитного поля элементарные магниты вследствие сил молекулярного трения устанавливаются (поворачиваются) по направлению поля с некоторым отставанием.При включении обмотки статора в сеть переменного тока в машине образуется вращающееся магнитное поле; при этом наведенные полюсы ротора вращаются с той же частотой, что и полюсы статора. При отсутствии гистерезиса полюсы ротора располагаются точно под полюсами статора:

Вопрос 61. Синхронные двигатели. Основные сведения и принцип работы. Пуск синхронных двигателей. Рабочие и U-образные характеристики синхронных двигателей. Синхронный компенсатор. Назначение и устройство. Синхронная машина состоит из двух основных частей: неподвижной - статора и вращающейся - ротора, и имеет две основные обмотки. Одна обмотка подключается к источнику постоянного тока. Протекающий по этой обмотке ток создает основное магнитное поле машины. Эта обмотка располагается на полюсах и называется обмоткой возбуждения. Иногда у машин небольшой мощ­ности обмотка возбуждения отсутствует, а магнитное поле создается постоянными магнитами. Другая обмотка является обмоткой якоря. В ней индуктируется основная ЭДС машины. Она укладывается в пазы якоря и состоит из одной, двух или трех обмоток фаз. Если через обмотку возбуждения протекает постоянный ток, то он создает постоянное во времени магнитное поле с чередующейся полярностью. При вращении полюсов и, следовательно, магнитного поля относительно проводников обмотки якоря в них индуктируются переменные ЭДС, которые, суммируясь, определяют результирующие ЭДС фаз. Если на якоре уложены три одинаковые обмотки, магнитные оси которых сдвинуты в пространстве на электрический угол, равный 120°, то в этих обмотках индуктируются ЭДС, образующие трехфазную систему. Частота индук­тируемых в обмотках ЭДС зависит от числа пар полюсов р и частоты вращения ротора п:f1 = pn/60.

Пуск синхронного двигателя непосредственным включением в сеть невозможен , так как ротор из-за своей значительной инерции не может быть сразу увлечен вращающимся полем статора, частота вращения которого устанавливается мгновенно. В результате устойчивая магнитная связь между статором и ротором не возникает. Для пуска синхронного двигателя приходится применять специальные способы, сущность которых состоит в предварительном приведении ротора во вращение до синхронной или близкой к ней частоте, при которой между статором и ротором устанавливается устойчивая магнитная связь.

Одним из главных недостатков синхрон ных двигателей является сложность их пуска в ход. Пуск синхронных двигателей может быть осуществлен при помощи вспомогательного пускового двигателя или путем асинхронного пуска. Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя . Если ротор синхронного двигателя с возбужденными полюсами развернуть другим, вспомогательным двигателем до скорости вращения поля статора, то магнитные полюсы статора, взаимодействуя с полюсами ротора, заставят ротор вращаться далее самостоятельно без посторонней помощи, в такт с полем статора, т. е. синхронно. Для осуществления пуска необходимо, чтобы число пар полюсов асинхронного двигателя было меньше числа пар полюсов синхронного двигателя, ибо при этих условиях вспомогательный асинхронный двигатель может развернуть ротор синхронного двигателя до синхронной скорости. Сложность пуска и необходимость вспомогательного двигателя являются существенными недостатками этого способа пуска синхронных двигателей. Поэтому в настоящее время он применяется редко. Асинхронный пуск синхронного двигателя. Для осуществления этого способа пуска в полюсных наконечниках полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкнутая обмотка. Так как во время пуска в обмотке возбуждения двигателя наводится большая э. д. с, то по соображениям безопасности она замыкается рубильником на сопротивление. При включении напряжения трехфазной сети в обмотку статора синхронного двигателя возникает вращающееся магнитное поле, которое, пересекая короткозамкнутую (пусковую) обмотку, заложенную в полюсных наконечниках ротора, индуктирует в ней токи. Эти токи, взаимодействуя с вращающимся полем статора, приведут ротор во вращение. При достижении ротором наибольшего числа оборотов (95-97% синхронной скорости) рубильник переключают так, чтобы обмотку ротора включить в сеть постоянного напряжения. Недостатком асинхронного пуска является большой пусковой ток. Зависимость тока якоря от тока возбуждения называется U-о бразной характеристикой синхронной машины. Анализируя эти характеристики, видим, что минимальное значение тока якоря имеет место при некотором определенном значении тока возбуждения, соответствующем работе с cosφ = 1. При любом изменении (увеличении или уменьшении) тока возбуждения ток якоря I a возрастает вследствие увеличения реактивной составляющей. Рабочие характеристики синхрон­ного двигателя

Синхронные компенсаторы применяют для регулирования режимов работы энергетических систем, для поддержания оптимального уровня напряжения, снижения потерь электроэнергии в сетях, увеличения пропускной способности и обеспечения устойчивости энергосистем.

Синхронные компенсаторы представляют собой синхронные машины, работающие в режиме двигателя без активной нагрузки и генерирующие в сеть реактивный опережающий (емкостный) или отстающий (индуктивный) ток.

Страница 5 из 7

СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ МАШИН

Большинство синхронных машин имеет электромагнит-ное возбуждение. Источниками постоянного тока для обмо-ток возбуждения являются специальные системы возбуж-дения, к которым предъявляется ряд важных требований:

1) надежное и устойчивое регулирование тока возбуж-дения в любых режимах работы машины;

2) достаточное быстродействие, для чего применяется форсировка возбуждения, т. е. быстрое увеличение напря-жения возбуждения до предельного значения, называемого потолочным. Форсировка возбуждения применяется для поддержания устойчивой работы машины во время аварий и в процессе ликвидации их последствий. Потолочное напряжение возбуждения выбирают не менее 1,8-2 номи-нального напряжения возбуждения. Скорость нарастания напряжения при форсировке возбуждения должна быть не менее 1,5-2 номинальных напряжений на контактных кольцах ротора в секунду;

3) быстрое гашение магнитного поля, т. е. уменьшение тока возбуждения машины до нуля без значительного по-вышения напряжения на ее обхмотках. Необходимость в гашении поля возникает при отключении генератора или по-вреждении в нем.

Для возбуждения синхронных машин применяется не-сколько систем. Простейшей из них является электрома-шинная система возбуждения с возбудителем постоянного тока (рис. 15). В этой системе в качестве источника ис-пользуют специальный генератор постоянного тока GE , на-зываемый возбудителем; он приводится во вращение от ва-ла синхронного генератора, а его мощность составляет 1- 3 % мощности синхронного генератора. Ток возбуждения синхронной машины I в относительно велик и составляет не-сколько сотен и даже тысяч ампер. Поэтому его регулиру-ют с помощью реостатов, установленных в цепи возбуждения возбудителя. Возбуждение возбудителя осуществляют по схеме самовозбуждения (рис. 15) или независимого возбуждения от специального генератора постоянного тока GEA , называемого подвозбудителем (рис. 16). Подвозбудитель работает с самовозбуждением, и сопротивление резистора R ш2 при работе генератора не изменяется.

Для гашения магнитного поля применяют автомат га-шения поля (АГП), который состоит из контакторов К 1 и К 2 и гасительного резистора R p . Гашение поля проводит-ся в следующем порядке. При включенном контакторе К 1 включается контактор К 2 , замыкающий обмотку возбуж-дения на гасительный резистор, имеющий сопротивления r p ≈5 r в, где r в - сопротивление обмотки возбуждения. За-тем происходит размыкание контактора К 1 и ток в цепи об-мотки возбуждения генератора уменьшается (рис. 17).

Ток возбуждения можно было бы снизить до нуля от-ключением только одного контактора К 1 без включения га-сительного резистора. Ток возбуждения в этом случае исчез бы практически мгновенно. Но мгновенный разрыв цепи возбуждения недопустим, так как из-за большой ин-дуктивности обмотки возбуждения L в в ней индуктирова-лась бы большая ЭДС самоиндукции е= - L в ∙ di в / dt , превы-шающая в несколько раз номинальное напряжение, в результате чего возможен пробой изоляции этой обмотки. Кроме того, в контакторе К 1 при его отключении выделя-лась бы значительная энергия, запасенная в магнитном по-ле обмотки возбуждения, что могло бы вызвать разрушение контактора.

Форсировка возбуждения при использовании схем на рис. 15 и 16 осуществляется шунтированием резисто-ра R ш1 включенного в цепь возбуждения возбудителя.

В последнее время вместо электромашинных систем по-лучают все большее применение вентильные системы воз-буждения с диодами и тиристорами. Эти системы возбуж-дения могут быть построены на большие мощности и явля-ются более надежными, чем электромашинные.

Различают три разновидности вентильных систем воз-буждения: систему с самовозбуждением, независимую си-стему возбуждения и бесщеточную систему возбуждения.

В вентильной системе с самовозбуждением (рис. 18) для возбуждения синхронной машины используется энер-гия, отбираемая от обмотки якоря основного генератора G , которая затем преобразуется статическим преобразователем ПУ в энергию постоянного тока. Эта энергия поступает в обмотку возбуждения. Начальное возбуждение генерато-ра происходит за счет остаточного намагничивания его по-люсов.

В вентильной независимой системе возбуждения (рис. 19) энергия для возбуждения получается от специально го возбудителя GN , выполненного в виде трехфазного синхронного генератора. Ротор его укреплен на валу главного генератора. Переменное напряжение возбудителя выпрям-ляется и подводится к обмотке возбуждения.

Разновидностью вентильной независимой системы воз-буждения является бесщеточная система возбуждения. В этом случае на валу основной синхронной машины раз-мещается якорь возбудителя переменного тока с трехфаз-ной обмоткой. Переменное напряжение этой обмотки с по-мощью выпрямительного моста, закрепленного на валу машины, преобразуется в постоянное напряжение и непо-средственно (без колец) подается на обмотку возбуждения основного генератора. Обмотка возбуждения возбудителя располагается на статоре и получает питание от независи-мого источника.

1.1 Конструкции синхронных машин (Тема 19)

Синхронной называют двухобмоточную электрическую машину переменного тока, одна из обмоток которой присоединена к электрической сети с постоянной частотой f 1 , а вторая возбуждается постоянным током (f 2 = 0). Частота вращения ротора синхронной машины постоянна и при заданных постоянных частоте сети f 1 и числе пар полюсов p равна

К синхронным также относят машины с одной включаемой в сеть с постоянной частотой f 1 обмоткой и частотой вращения, определяемой по формуле (1.1), а также двухобмоточные машины, обмотки которых питаются переменными токами с постоянными частотами f 1 и f 2 . В последнем случае частота вращения ротора

и также постоянна при неизменных частотах f 1 и f 2 . Два последних вида машин называют специальными синхронными машинами.

Статор (неподвижная часть) синхронной машины состоит из корпуса, магнитопровода (сердечника) с обмоткой, торцевых щитов и других конструктивных элементов.

Магнитопровод статора 1 (рис. 1.1) собирают в форме кольца из пластин листовой или рулонной электротехнической стали толщиной 0,5 (реже 0,35) мм. Пластины стали штампуют в виде цельных колец для магнитопроводов с наружным диаметром до 1 м или сегментов при наружном диаметре более 1 м. На внутренней дуге пластин штампуют выемки (впадины), образующие при сборке магнитопровода пазы 2 для обмотки. На наружной дуге пластин штампуют служащие для сборки магнитопровода выемки в виде трапеции (“ласточкин хвост”), реже параллелограмма или круга, иногда у кольцевых пластин в виде прямоугольника. После очистки от заусенцев пластины изолируют лаком для уменьшения вихревых токов и создаваемых токами потерь мощности.

Магнитопровод статора из сегментов собирают на клиньях (рёбрах ), установленных на равном расстоянии по внутренней окружности корпуса. Клинья 11 (рис. 1.2 крепят к корпусу с помощью угольников 10 , привариваемых одной стороной к клиньям 11 , а другой – к горизонтальным полкам 3 корпуса. 5

На обращенных к центру машины поверхностях клиньев выполнены выступы в виде “ласточкина хвоста” или другой формы, соответствующей форме выемок на наружной дуге сегментов. При сборке магнитопровода сегменты 12 надевают проштампованными на наружной дуге выемками на выступы клиньев (рис. 1.2. б ), фиксируя сегменты от смещения в радиальном и тангенциальном направлениях. Сегменты соседних слоев шихтовки смещены по кругу обычно на половину сегмента (рис. 1.2, б ). Сегменты следующего (верхнего) слоя шихтовки перекрывают стыки нижнего слоя, что увеличивает жесткость и уменьшает магнитное сопротивление магнитопровода.

В генераторах большой мощности (более 50–100 МВт) для уменьшения добавочных потерь мощности и местных нагревов торцевой зоны, обусловленных торцевыми магнитными полями, нажимные пальцы и фланцы кольцевой формы делают из немагнитных сталей; 1–3 крайних пакета стали статора делают меньшей толщины ступенчатыми (рис. 1.2), в зубцах крайних пакетов выполняют радиальные шлицы (прорези).

Магнитопроводы машин малой мощности из цельных кольцевых пластин стали с наружным диаметром до 0,5 м собирают на внутренней оправке, прессуют и после этого скрепляют по наружному диаметру скобами, приваренными к торцам сердечника, или планками, приваренными на торцах сердечника к нажимным шайбам или фланцам кольцевой формы. Собранный сердечник (вместе с обмоткой) запрессовывают в стальную или чугунную станину. Магнитопроводы из кольцевых пластин с наружным диаметром от 0,5 до 1 м собирают непосредственно в расточенный корпус или на ребра корпуса и запрессовывают между двумя нажимными шайбами или кольцами, которые фиксируют в корпусе запорными шпонками или сваркой.

В пазы 2 (рис. 1.1) магнитопровода статора укладывают катушки трехфазной или однофазной (m – фазной) распределенной обмотки статора. Катушки наматывают медным изолированным проводом. Обмотку статора выполняют с тем же числом пар полюсов р , как и обмотку ротора. Магнитопровод статора вместе с обмоткой называют якорем. Якорь устанавливают в средней части корпуса. Обмотку якоря включают в сеть переменного тока.

Ротор состоит из вала и магнитопровода (сердечника) с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения подключена к постоянному напряжению U f (рис. 1.1) через закрепленные на валу контактные кольца 6 и щётки 7 щёточного аппарата , неподвижно установленного на статоре. Под действием напряжения U f в обмотке возбуждения возникает постоянный ток возбуждения I f . Ток I f образует магнитный поток возбуждения Ф f , большая часть линий магнитной индукции B f которого пересекает зазор и замыкаются по магнитопроводам статора и ротора (рис. 1.1).

Ротор с обмоткой возбуждения называют индуктором. Иногда в машинах обращенного исполнения индуктором служит статор, обмотка переменного тока в таких машинах размещена на роторе.

По конструкции ротора различают два вида синхронных машин: явнополюсные (рис. 1.1, а ) и неявнополюсные (рис. 1.1, б ).

Машины с числом пар полюсов p ³ 2 обычно делают с явно выраженными полюсами и называют явнополюсными. Катушки обмотки возбуждения 4 (рис. 1.1, а ) электрически соединяют между собой последовательно так, чтобы получить чередование полярности полюсов по окружности машины: за обозначенным буквой N северным полюсом ротора следует обозначенный буквой S южный полюс, за южным полюсом S снова северный N и так далее.

Сердечник полюса 3 (рис. 1.1, а ) обычно набирают из стальных пластин. Для машин мощностью 100 кВт и менее пластины полюсов штампуют из электротехнической стали толщиной 0,5–1 мм, при больших мощностях – из низкоуглеродистой конструкционной стали марки Ст.3 толщиной 1–1,4 мм (реже 2 мм).

Очертание полюсного наконечника (более широкая часть полюса) выполняют так, что зазор между сердечником статора и полюсным наконечником на оси полюса δ в 1,5–2,5 раза меньше зазора δ m вблизи краев полюсного наконечника (рис. 2.10). Вследствие этого распределение индукции B δ f магнитного потока Ф f обмотки возбуждения в зазоре приближается к синусоидальному.

В полюсных наконечниках пластин ротора штампуют выемки, образующие при сборке сердечника полюса круглые полузакрытые пазы. В пазы с торца сердечника полюса забивают цилиндрические стержни 14 (рис. 1.3) из металла с малым электрическим сопротивлением. С торцов полюса стержни соединяют короткозамыкающими сегментами 15 из изогнутой на ребро медной шины прямоугольного сечения. Пайку соединений стержней с сегментами выполняют твердыми припоями. Короткозамыкающие сегменты соседних полюсов соединяют проводящими перемычками, в результате на роторе получается короткозамкнутая обмотка , подобная обмотке короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя.

В генераторах эту обмотку называют демпферной или успокоительной и стержни делают из меди. Она служит для уменьшения колебаний ротора при переходных процессах. В двигателях стержни изготавливают из латуни, обмотку называют пусковой . Она служит для асинхронного пуска. Иногда полюсы синхронных двигателей делают массивными. Торцы наконечников соседних полюсов соединяют проводящими перемычками. В этом случае массивные полюсы играют роль пусковой обмотки.

Листы стали полюса 1 стягивают стальными нажимными щеками 9 и стяжными шпильками 10 (рис. 1.3). Корпусную изоляцию 7 накладывают непосредственно на сердечник полюса в виде нескольких слоев стеклоткани, пропитанной термореактивным лаком. В машинах большой мощности корпусную изоляцию изготавливают в виде твердых коробов из прессованной стеклоткани на термореактивных связующих.

На изолированный сердечник полюса устанавливают катушку 2 обмотки возбуждения (рис. 1.3). Иногда для фиксации катушки на полюсе или создания охлаждающих каналов катушку раскрепляют изоляционными прокладками 8 . От контакта с остовом или втулкой ротора и полюсным наконечником катушки обмотки возбуждения изолируют гетинаксовыми или стеклотекстолитовыми шайбами 5 .

В машинах относительно малой мощности (до 100 кВт) применяют многослойные катушки из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения. Для машин средней и большой мощности (свыше 100 кВт) катушки наматывают голой медной шиной прямоугольного или специального профиля на ребро в один ряд по высоте полюса (рис. 1.3), что улучшает отвод тепла с боковых неизолированных поверхностей катушек. Соседние витки 3 изолированы прокладками 4 из стеклоткани, пропитанной эпоксидным или другим термореактивным лаком. Для придания монолитности катушки опрессовывают и запекают под давлением.

Полюсы крепят к ободу или втулке ротора. Чаще всего обод набирают вперекрой из стальных пластин (сегментов) толщиной 2–100 мм, стягиваемых шпильками. К наборному (шихтованному) ободу 16 полюсы крепят одним или двумя выступами (хвостами ) 11 Т-образной или другой формы (рис. 1.3). Для большей механической прочности нижнюю кромку хвоста проваривают по специально выштампованным в пластинах стали лункам 12 . Т-образный хвост полюса вставляют с торца в Т-образные па- зы обода и расклинивают двумя парами встречно забиваемых с торцов обода клиньев 13 . Клинья изготавливают из шпоночной стали с уклоном соприкасающихся граней 1:100 или 1:200. Также крепят полюсы быстроходных машин с литой массивной втулкой на валу ротора.

У тихоходных машин средней и большой мощности обод часто выполняют в виде литого или сваренного из толстолистовой стали магнитного колеса. В этом случае полюсы крепят болтами, проходящими с внутренней стороны сквозь отверстия в ободе. Болты вкручивают в резьбовые отверстия, сделанные в стали полюса со стороны его основания. В машинах мощностью менее 100 кВт полюсы прикрепляют ввертываемыми со стороны зазора через отверстия в теле полюса винтами к напрессованной на вал литой массивной втулке или непосредственно к валу.

Выводы обмотки возбуждения соединяют с контактными кольцами 1 (рис. 1.4). Контактные кольца делают из стали или бронзы и насаживают на опрессованную стеклотканью или миканитом втулку 3 . Втулку крепят на валу ротора 4 . Оконцеватель 7 кабеля обмотки возбуждения крепят гайками к токоведущей шпильке 6 . Другой конец шпильки запаивают в раззенкованном отверстии контактного кольца 1 . Длинная шпилька 6 отделена от второго

кольца изолирующей втулкой 5 .

Постоянный ток к обмотке возбуждения идет через скользящий контакт между вращающимися вместе с валом кольцами 1 и неподвижными щётками 9 . В мощных машинах число щеток, устанавливаемых на одно контактное кольцо достигает восьмидесяти.

Щетки прессуют из графитовых или угольных порошков с добавлением меди. Для отвода тока в щетку 2 (рис. 1.5) заделан конец гибкого токоведущего кабеля 5 из тонкой медной проволоки. Второй конец кабеля снабжен наконечником 6 для присоединения к токоведущей шине 7 .

Необходимый электрический контакт щеток с кольцами достигается за счет щеткодержателей (рис. 1.5), обеспечивающих равномерное нажатие на щетку с нужным давлением, свободное радиальное перемещение щетки 2 в обойме 1 щеткодержателя и доступ для замены щетки.

Щеткодержатели крепят к изогнутой на ребро в виде полукольца или кольца токоведущей шине 7 болтами 8 , допускающими небольшое смещение щеткодержателя при регулировке.

Пружина 3 создает радиальное усилие, прижимающее щетку 2 к кольцу, силу нажатия пружины регулируют, меняя положение кронштейна 4 .

Машины с числом пар полюсов p = 1 и реже p = 2 выполняют неявнополюсными. Магнитопровод ротора обычно изготавливают из сплошной стальной поковки в виде цилиндра (рис. 1.1, б), на внешне поверхности которого фрезеруют открытые пазы для обмотки возбуждения. В двухполюсных машинах (p = 1) пазы равномерно распределены в двух зонах, каждая из которых занимает примерно одну треть окружности ротора. В пазы укладывают концентрические катушки распределенной обмотки возбуждения, что приближает распределение магнитодвижущей силы (МДС) и индукции магнитного поля обмотки возбуждения в зазоре машины к синусоидальному (рис. 2.12).

Катушки обмотки возбуждения наматывают медным проводом (шиной) 1 прямоугольного сечения на ребро (рис. 1.6). Соседние витки катушек разделяют приклеенными термореактивным лаком к проводникам изолирующими прокладками 2 из миканита или стеклоткани.

При укладке в пазы проводники катушки изолируют от магнитопровода изоляционными гильзами 3, выпекаемыми под прессом из стеклоткани, пропитанной термореактивным лаком. После укладки стороны катушки в паз края гильзы нагревают и загибают внахлест.

Поверх гильзы укладывают прокладки из стеклотекстолита 4, стальную полосу 5 толщиной 1 мм, после чего закрывают (заклинивают) паз металлическими немагнитными клиньями 6.

Для предупреждения отгиба лобовых частей обмотки возбуждения центробежными силами, возникающими при вращении ротора, на лобовые части обмотки ротора надевают бандажные кольца 15 (рис. 1.7). Кольца представляют собой полые цилиндры, обычно выполненные из немагнитной стали. Бандажные кольца изолируют от проводников лобовых частей обмотки возбуждении стеклотекстолитовыми подбандажными сегментами, уложенными с перекрытием поверх лобовых частей.

1.2. Назначение синхронных машин

Синхронные машины в основном используют в качестве генераторов , преобразующих механическую энергию в электрическую.

Генераторы, приводимые во вращение паровыми или газовыми турбинами, называют турбогенераторами и устанавливают на тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электрических станциях. В России выпускают турбогенераторы активной мощностью от единиц до 1200 МВт. При частоте генерируемого напряжения 50 Гц изготавливают турбогенераторы для ТЭС двухполюсные с частотой вращения ротора n = 50 обс (3000 обмин), для АЭС – в основном четырехполюсные с n = 25 обс (1500 об/мин).

Вследствие большой частоты вращения материал магнитопровода ротора подвержен значительным механическим напряжениям. Поэтому ротор выполняют в виде цельнокованого цилиндра из высокопрочной магнитной стали с фрезерованными на поверхности радиальными пазами. По условиям механической прочности диаметры роторов современных турбо-генераторов для ТЭС не превышают 1,25 м, и повышение мощности генераторов исторически осуществлялось, в первую очередь, увеличением их длины. Этим обусловлена компоновка турбогенераторов как машин горизонтального исполнения с параллельной поверхности земли осью вала.

Особенности конструкции турбогенераторов рассмотрим на примере генератора небольшой мощности с косвенным воздушным охлаждением.

Обшивка 5 и поперечные стенки 6 (рис. 1.7) корпуса вырезаны из толстолистовой конструкционной стали и соединены сваркой. К поперечным стенкам 6 корпуса прикреплены сваркой рёбра (клинья ) 4 . На рёбрах набраны пакеты 3 магнитопровода статора из изолированных сегментов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Сердечник спрессован при помощи нажимных плит 8 и гаек 9 , затягиваемых на хвостовиках рёбер 4 . В пазы статора уложены стержни 7 трехфазной петлевой обмотки якоря, выводы 23 которой обычно размещают в нижней части корпуса.

С торцов корпус закрывают наружными торцевыми щитами 1 для защиты лобовых частей обмоток и отделения внутреннего объёма машины от окружающей среды. Внутренние щиты 12 разделяет зоны повышенного и пониженного давления газа внутри машины. Для создания направленного движения охлаждающего газа к внутреннему щиту крепят направляющий аппарат (щит) вентилятора 17 и диффузор 13 .

В корпусе статоров турбогенераторов с воздушным охлаждением установлены трубопроводы 22 системы пожаротушения для подачи углекислого газа или пара внутрь машины при возникновении пожара.

В пазы неявнополюсного ротора уложены катушки распределенной обмотка возбуждения, лобовые части 25 которой закрыты бандажными кольцами 15 . Напряжение к обмотке возбуждения подводят от возбудителя 21 при помощи щёточного аппарата 18 и контактных колец 19 .

Кольца размещают на валу со стороны возбудителя и соединяют с обмоткой возбуждения токоподводом 24 . При мощности 25 МВт и более для уменьшения длины вала контактные кольца устанавливают за подшипником, шины токоподвода проходят по центральному отверстию вала 27 .

Вал ротора вращается в двух подшипниках скольжения стоякового типа 20 с принудительной смазкой от маслонасоса. На центрирующих кольцах

Рис 1.7 (альбомный формат). Печать отдельно

бандажа или чаще на валу ротора установлены вентиляторы 16 , обеспечивающие движение охлаждающего газа в машине.

Для защиты обмоток от загрязнения пылью, парами масла и другими веществами, содержащимися в окружающем воздухе, для турбогенераторов с воздушным охлаждением используют замкнутую систему вентиляции . При этом в машине циркулирует один и тот же объём очищенного воздуха, который охлаждается в установленных под генератором воздухоохладителях. Направление движения воздуха на рис. 13 указано стрелками.

Холодный воздух поступает снизу в пространство между внутренним и наружным торцевыми щитами и нагнетается вентилятором 16 через диффузор 13 в корпус статора. Корпус разделен перегородками на отсеки (камеры ) холодного А и горячего В воздуха. Из отсека А холодный воздух проходит по вентиляционным каналам между пакетами стали статора в зазор, охлаждая статор машины. Двигаясь вдоль зазора, подогретый воздух охлаждает поверхность ротора 26 и поступает в вентиляционные каналы, по которым проходит в отсеки горячего газа В и далее в воздухоохладители. Часть холодного воздуха проходит в зазор через лобовые части обмоток статора 14 и ротора 25 , охлаждая их.

Применяемая нагнетательная система вентиляции обеспечивает избыточное давление воздуха внутри корпуса вследствие чего наружный воздух не может попасть через неплотности корпуса внутрь машины.

Возможность повышения мощности путём увеличения длины активной части машины была практически исчерпана в 1930–1940 годах, когда в 1937 году в СССР был построен турбогенератор с косвенным возушным охлаждением мощностью 100 МВт. Этот генератор до сих пор остается крупнейшим в мире из машин данного класса. В этой машине было достигнуто характерное для самых мощных современных турбогенераторов соотношение размеров ротора: активная длина ротора примерно в 5,5 раза больше его диаметра, равного 1 м.

Наибольшая возможная активная длина ротора ограничена допустимым прогибом вала, возникающими при этом вибрациями и не превышает у мощных современных машин 7,5–8,5 м. Зазор между статором и ротором достигает 0,1–0,15 м. Длина ротора в 3–6 раз превышает диаметр.

Поэтому дальнейший прогресс турбогенераторостроения был связан с совершенствованием охлаждения активных частей (магнитопровода и обмоток), и в первую очередь, с применением водородного охлаждения, патент на которое был получен в начале 20–х годов ХХ века в США.

Большая, чем у воздуха, теплоёмкость водорода позволяет улучшить отвод тепла от магнитопроводов и обмоток, и увеличить на 10–20 % плотность тока в обмотках и соответственно мощность машины не изменяя её габариты. Вследствие меньшей плотности водорода снижаются механические потери мощности и на 0,5–1,2 % повышается КПД машины. При коронировании в среде водорода не образуется озон, оказывающий разрушающее действие на изоляцию, и срок службы изоляции обмоток увеличивается. Снижается опасность пожара, так как водород не поддерживает горение.

Поэтому в настоящее время воздушное охлаждение применяют в турбогенераторах мощностью до 25 МВт включительно. При больших мощностях используют водородное охлаждение, на которое были переведены в процессе модернизации и все генераторы мощностью более 25 МВт с воздушным охлаждением.

Чтобы предотвратить проникновение наружного воздуха внутрь корпуса и исключить возможность взрыва при образовании смеси водорода с воздухом корпуса турбогенераторов, заполненных водородом, выполняют газонепроницаемыми. С той же целью давление водорода внутри корпуса должно быть выше атмосферного (не менее 0,105 МПа). Толщина обшивки, торцевых стенок корпуса и торцевых щитов больше чем при воздушном охлаждении, чтобы давление взрыва, если он произойдёт, не повредило машину. Оболочка и торцевые щиты должны выдерживать в течение 15 мин избыточное давление 0,8 МПа.

Для предотвращения выхода водорода из корпуса вдоль вала предусмотрены уплотнения вала между торцевым щитом и подшипником. В связи со сложностью герметизации соединений в машинах с водородным охлаждением секции газоохладителей размещают внутри корпуса горизонтально концентрически вокруг сердечника статора или вертикально в концевых частях корпуса. В остальном турбогенераторы с косвенным водородным и воздушным охлаждением конструктивно подобны.

В 1951–1952 годах в США и СССР были построены турбогенераторы с косвенным водородным охлаждением максимальной мощностью 150 МВт при избыточном давления водорода 0,2 МПа. Дальнейшее повышения давления водорода при косвенном охлаждении не дает заметного снижения температуры обмоток, что сделало невозможным увеличение плотности тока в обмотках и мощности при косвенном охлаждении.

Дальнейшее увеличение мощности было достигнуто с применением непосредственного охлаждения , при котором охлаждающее вещество не-посредственно соприкасается с проводниками обмоток. Для этого часть проводников выполняют полыми или делают специальные каналы в обмотках. В качестве охлаждающей среды используют водород, дистиллированную воду или масло, циркулирующие внутри обмоток. Применение непосредственного охлаждения позволило к 1970–1980 годам почти в 10 раз (до 1200 МВт) увеличить мощность турбогенераторов и довести их КПД до 98,85 % при почти неизменных размерах активных частей.

Поэтому в настоящее время косвенное водородное охлаждение применяют в генераторах мощностью до 100 МВт. Более мощные генераторы с косвенным водородным охлаждением были модернизированы и переведены на непосредственное охлаждение.

Обозначение турбогенератора содержит три позиции: 1 – 2 – 3 .

Позиция 1 характеризует тип машины (Т – турбогенератор), серию и способ охлаждения:

Т – косвенное воздушное охлаждение обмоток;

ТВ – косвенное водородное охлаждение обмоток;

ТВФ – непосредственное охлаждение обмотки возбуждения и косвенное охлаждение обмотки якоря водородом;

ТГВ – непосредственное охлаждение обмоток возбуждения и якоря вдородом (ТГВ-200-2, ТГВ-300-2) или водой (ТГВ-500-2, ТГВ-800-2);

ТВВ – непосредственное охлаждение обмотки возбуждения водородом, обмотки якоря – водой;

Т3В – непосредственное водяное охлаждение обмоток возбуждения, якоря и сердечника статора.

ТВМ – непосредственное охлаждение обмотки ротора водяное, обмотки и сердечника статора – масляное погруженного исполнения.

После буквенного обозначения может стоять номер серии, например: ТВ и ТВ2 – старая и новая серии генераторов с косвенным водородным охлаждением, выпускавшиеся в 50-х годах ХХ века.

Позиция 2 обозначает номинальную активную мощность турбогенератора в МВт, позиция 3 – число полюсов 2р, после которого указывают климатическое исполнение и категорию размещения.

Пример расшифровки обозначения турбогенератора:

ТВВ-800-2У3 – турбогенератор с непосредственным охлаждением обмоток: ротора – водородом, статора – водой; мощностью 800 МВт, двухполюсный, для эксплуатации в условиях умеренного климата (У) в закрытом помещении без искусственно регулируемых климатических условий (3).

Корпус большинства машин с непосредственным охлаждением обмоток заполнен водородом при избыточном давлении от 0,2 до 0,4 МПа.

Турбогенераторы являются одним из наиболее совершенных видов машин, и составляют 81–82 % мощности всех установленных в России генераторов. На оснащенных турбогенераторами электростанциях производится от 80 до 90 % всей вырабатываемой в России электроэнергии.

Генераторы, приводимые во вращение гидравлическими турбинами, называют гидрогенераторами и устанавливают на гидравлических электрических станциях (ГЭС). В России строят гидрогенераторы активной мощностью до 640 МВт на частоту напряжения 50 Гц. Относительно малая скорость вращения гидравлических турбин определяет низкую частоту вращения роторов от 1 до 8–9 об/с (от 50 до 500–600 об/мин).

Роторы обычно явнополюсные с большим числом полюсов 2р от 12 до 116. Поэтому диаметр активной части ротора современного гидрогенератора достигает 16–17 м и в 5–10 раз превышает его длину. Наружный диаметр корпуса достигает 20 м, высота – 13 м, масса машины часто превышает 1500 т. Из-за этого практически невозможно обеспечить необходимые жесткость статора и ротора, а также грузоподъёмность подшипников при горизонтальном исполнении. Поэтому большинство гидрогенераторов выполняют с вертикальным расположением вала (рис. 1.8, а , б ).

Вертикальные гидрогенераторы условно делят на подвесные с подпятником, установленным выше ротора (рис. 1.8, а ), и зонтичные – с подпятником ниже ротора (рис. 1.8, б ).

Подпятник представляет собой упорный подшипник скольжения, помещенный в ванну с минеральным маслом, служащим для смазки и охлаждения трущихся поверхностей. Масляную ванну с подпятником устанавливают в грузонесущей крестовине. Масло охлаждается встроенными в ванну водяными маслоохладителями.

Вращающаяся часть подпятника (пята) состоит из закрепленной на валу втулки 5 , с установленным на нижней части втулки диском (зеркалом ) 6 (рис. 1.8, а , б ).

Диск в виде кольца прямоугольного сечения делают из высокопрочной, твердой стали; торцевую поверхность скольжения диска обрабатывают с высокими точностью и классом чистоты.

Неподвижная часть (собственно подпятник) состоит из самоустанавливающихся сегментов 7 трапецеидальной формы, изготавливаемых разрезанием по радиусам стального кольца прямоугольного сечения. На поверхность трения сегментов наносят слой антифрикционного сплава – баббита, после чего выполняют чистовую обработку поверхности трения. Сегменты установлены в масляной ванне.

Вертикальные усилия ротора через вращающуюся пяту 6 и неподвижные сегменты 7 передаются опорной крестовине и далее через корпус (рис. 1.8, а ) или непосредственно (рис. 1.8, б ) фундаменту.

Радиальные усилия, действующие на ротор, воспринимают один или два направляющих подшипника скольжения 4 (рис. 1.8) радиального типа. В нормальных режимах эти усилия незначительны, но сильно возрастают при авариях. Неподвижная часть направляющих подшипников со- стоит из охватывающих втулку вала самоустанавливающихся сегментов с баббитовой заливкой рабочей поверхности. Сегменты установлены в кольцевом корпусе и погружены в масло, смазывающее поверхности трения. Корпус подшипника и масляный бак закреплены на крестовине, через которую радиальные усилия передаются корпусу статора или фундаменту(рис. 1.8). При возможности направляющий подшипник и подпятник объединяют в один конструктивный узел с общей масляной ванной. Число направляющих подшипников определяется жесткостью вала.

В верхней крестовине 3 (рис. 1.8, б ) генераторов зонтичного типа размещают только направляющий подшипник 4. Поэтому верхнюю крестовину делают облегченной и небольшой высоты. Высота верхней части машины, выступающей над полом машинного зала, меньше чем при подвесного исполнения, что позволяет уменьшить высоту машинного зала.

Различают две основные конструкции зонтичных гидрогенераторов по месту установки подпятника: на нижней опорной крестовине (рис. 1.8, б ) и на крышке турбины (рис. 1.9). В последнем случае отпадает необходимость в тяжелой нижней грузонесущей крестовине и уменьшается длина вала. Вследствие этого высота и масса зонтичного генератора меньше, чем у машины подвесного типа. Уменьшение общей высоты агрегата снижает стоимость строительства здания ГЭС. Монтаж зонтичного генератора проще, так как центровка статора и вала выполняется независимо.

В вертикальном гидрогенераторе (рис. 1.9) статор 11 с магнитопроодом и обмоткой опирается на стальные фундаментные плиты 13 , залитые в фундамент. Внутри статора находится ротор с валом.

Вал выполняют в виде единой детали или составным из центральной втулки 20 и двух надставок 19 , 21 (рис. 1.9). Такую (безвальную ) конструкцию применяют в зонтичных гидрогенераторах.

К центральной втулке прикреплены радиальные спицы 7 , сваренные из толстолистовой стали. На спицах зафиксирован обод 8 , собранный из стянутых шпильками стальных сегментов . Полюсы 10 крепят к ободу ротора с помощью Т-образных хвостов, вставляемых в пазы обода соответствующей формы.

Снизу к ободу 8 стяжными шпильками крепят тормозные сегменты 15 из стали. На фундаменте или нижней крестовине размещают равномерно по окружности машины пневматические тормоза-домкраты 16 , служащие для быстрого механического торможения ротора. Воздух в цилиндры тормозов 16 подают после достижения ротором небольшой частоты вращения, при которой исчезает масляный клин между пятой и сегментами подпятника и трение становится полусухим, что вызывает быстрый износ подпятника. Тормоза 16 используют также для подъёма ротора, подавая в цилиндры минеральное масло под давлением до 10 МПа.

Масляная ванна 17 с подпятником установлена на подставке 18 , опирающейся на крышку турбины. Верхний направляющий подшипник 4 генератора размещен в верхней крестовине.

Для питания обмотки возбуждения полюсов ротора в гидрогенераторах относительно небольшой мощности (до 50–70 МВт) применяют генераторы постоянного тока с самовозбуждением, называемые возбудителями .

Якорь возбудителя обычно размещают на валу гидрогенератора над верхней крестовиной или в ней при отсутствии верхнего направляющего подшипника у машин зонтичного исполнения.

Для возбуждения гидрогенераторов мощностью 70–100 МВт и более используют вспомогательные синхронные генераторы с последующим выпрямлением переменного напряжения обмотки якоря. Вспомогательный генератор 6 (рис. 1.9) выполняют с тем же числом полюсов, что и гидрогенератор, и размещают между ротором и верхней крестовиной.

Выпрямленное напряжение вспомогательного генератора или постоянное напряжение с якоря возбудителя подводится к обмотке возбуждения гидрогенератора через установленные на валу контактные кольца 3 .

Для связи с системой регулирования частоты вращения турбины предназначен расположенный на валу ротора регуляторный генератор 1 .

Вследствие того, что невозможно выполнить корпус газоплотным, внутренний объём гидрогенератора заполнен воздухом. Большинство гидрогенераторов выполнены с косвенным воздушным охлаждением магнитопроводов и обмоток. Наиболее часто применяют замкнутую или частично разомкнутую систему вентиляции, при которой часть (около 20 %) нагретого в машине воздуха используется для обогрева машинного зала.

Для перемещения воздуха используют принцип самовентиляции , при котором напорный эффект создается вращающимися частями ротора. Холодный воздух поступает в пространство между спицами 7 остова ротора (рис. 1.9), проходит по радиальным каналам обода 8 в пространство между полю-

Рис.1.9 (альбомный формат) Печатать отдельно

сами 10 и охлаждает катушки обмотки возбуждения. Далее воздух поступает в радиальные каналы статора 11 , охлаждая при этом сердечник и пазовую часть обмотки статора. Центробежными вентиляторами, установленными в торцевых частях обода, холодный воздух нагнетается, в область лобовых частей обмоток и охлаждает их. Нагретый воздух проходит через воздухоохладители 12 и охлажденный поступает к ротору по каналам в фундаменте и между лапами верхней крестовины 5 .

Такую систему вентиляции называют радиальной и применяют в тихоходных гидрогенераторах с линейной скоростью вращения ротора менее 30–60 м/с. При линейной скорости вращения ротора более 60 м/с предпочтительнее радиально-аксиальная схема вентиляции. В этом случае с помощью установленных на торцах ротора осевых (пропеллерных) вентиляторов воздух нагнетается сверху и снизу в пространство между полюсами 10 и в область лобовых частей обмоток. Далее воздух, как и при радиальной схеме вентиляции, идет по радиальным каналам статора и через воздухоохладители (рис. 1.9).

Для уменьшения габаритов машины или увеличения мощности при почти неизменных габаритах в гидрогенераторах большой мощности (более 150–200 МВт) применяют непосредственное охлаждение обмоток.

Наиболее распространена система охлаждения смешанного типа , при которой обмотка статора охлаждаются непосредственно водой, а обмотка

возбуждения имеет форсированное воздушное охлаждение. Охлаждающий воздух проходит по внутренним продольным или поперечным каналам в витках катушек полюсов. Остальные части охлаждаются также как и при косвенном воздушном охлаждении. Такое охлаждение применено для крупнейших в России гидрогенераторов Красноярской и Саяно-Шушенской ГЭС номинальной мощностью 500 и 640 МВт соответственно.

Известны конструкции гидрогенераторов с непосредственным охлаждением водой обмоток статора и ротора, а также с полным водяным охлаждением обмоток и сердечника статора.

Для низконапорных русловых и приливных ГЭС находят применение тихоходные горизонтальные капсульные гидроагрегаты относительно небольшой мощности 16–45 МВт. Гидроагрегат (рис. 1.8, в ) состоит из турбины и установленного в герметичной оболочке (капсуле) гидрогенератора с горизонтальным валом. Капсула помещена в воду в проточной части плотины ГЭС. С целью уменьшения габаритов большинство таких генераторов выполнены с непосредственным водяным охлаждением обмоток статора и ротора.

Обозначение гидрогенератора содержит четыре позиции: 1 2 / 3 – 4 .

Позиция 1 характеризует тип или серию и способ охлаждения: СВ, ВГС – синхронный вертикальный с косвенным воздушным охлаждением; СГ – синхронный горизонтальный с косвенным воздушным охлаждением; СВФ – синхронный вертикальный с непосредственным охлаждением обмотки статора водой и форсированным охлаждением обмотки ротора воздухом; СГКВ – синхронный горизонтальный капсульный с непосредственным охлаждением обмоток статора и ротора водой; СВО – синхронный вертикальный обратимый с воздушным охлаждением (двигатель-генераторы для гидроаккумулирующих электростанций).

За буквенным обозначением следует дробное число, позиция 2 в числителе которого соответствует наружному диаметру, а позиция 3 в знаменателе дроби равна длине сердечника статора в сантиметрах.

Позиция 4 определяет число полюсов 2р, после которого указывают климатическое исполнение и категорию размещения.

Пример расшифровки обозначения гидрогенератора:

СВФ 1690/185-64 УХЛ4 – синхронный вертикальный с охлаждением обмоток: статора – непосредственным водяным; ротора – форсированным воздушным; наружный диаметр сердечника статора 1690 см, длина сердечника статора 185 см; число полюсов 64; для эксплуатации в условиях умеренного и холодного климата (УХЛ) с искусственно регулируемыми климатическими условиями (4).

Для автономных источников питания применяют синхронные генераторы мощностью от нескольких кВ·А до нескольких МВ·А, приводимые во вращение от других типов двигателей: паровых, внутреннего сгорания, ветроэнергетических установок.

Синхронные машины используют и в качестве двигателей. Большинство их имеет горизонтальное расположение вала. При частотах вращения ротора до 25 об/с (p ³ 2) двигатели выполняют явнополюсными, 50 и иногда 25 об/с – неявнополюсными. Мощности выпускаемых в России двигателей – от нескольких кВт до десятков МВт.

В обозначении большинства генераторов и двигателей общего назначения присутствуют буквы СГ, ГС или СД, ДС соответственно.

Для регулирования реактивной мощности в электрических системах используют синхронные компенсаторы – синхронные двигатели, работающие без нагрузки на валу. В России изготавливают синхронные компенсаторы на мощности 10–160 МВ×А с частотами вращения 12,5–16,7 об/с. Обычно это явнополюсные машины с косвенным воздушным охлаждением при мощности до 25 МВ×А для установки в помещении, при больших мощностях с косвенным водородным охлаждением для наружной установки. Обозначение синхронного компенсатора состоит из буквенного названия типа КС или КСВ соответственно для машин с воздушным и водородным охлаждением. Далее указывают номинальные полную мощность в МВ×А и линейное напряжение в кВ.

Например: КСВ 50-11 – компенсатор синхронный, охлаждение водородное, номинальные мощность 50 МВ×А и линейное напряжение 11 кВ.

Шведской фирмой АСЕА изготовлен синхронный компенсатор мощностью 345 МВ×А с частотой вращения 900 об/мин на частоту напряжения 60 Гц. В машине применено полное непосредственное водяное охлаждение обмоток (статора, возбуждения и демпферной) и сердечника статора, корпус заполнен воздухом.

1 .3. Системы возбуждения синхронных машин

1.3.1. Требования к системам возбуждения

Система возбуждения предназначена для питания обмотки ротора постоянным током и в значительной степени определяет надежность работы синхронной машины. В связи с этим система возбуждения должна удовлетворять следующим основным требованиям, определяемым ее функциональным назначением и условиями эксплуатации машины.

Система возбуждения должна обеспечивать надежное питание постоянным током обмотки возбуждения в любых режимах, в том числе и при авариях в энергосистемах.

При номинальном напряжении должно обеспечиваться устойчивое регулирование тока возбуждения в пределах изменения нагрузки машины от нуля до номинальной. Система возбуждения должна обеспечивать в длительном режиме ток и напряжение возбуждения, превышающие номинальные не менее чем на 10 %.

Для поддержания устойчивой работы машины при аварии в энергосистеме система возбуждения должна обеспечивать форсировку возбуждения – быстрый подъем напряжения возбуждения от номинального U f Н до максимально возможного установившегося U f m . Отношение k f m = U f m /U f Н называют кратностью предельного установившегося напряжения возбудителя или кратностью форсировки . Для генераторов и компенсаторов k f m должна быть не менее 1,8–2,0; для прочих машин не менее 1,4.

Системы возбуждения должны выдерживать двукратный номинальный ток возбуждения не менее 50 с для машин с косвенным охлаждением и не менее 20 с для машин с непосредственным водяным охлаждением и форсированным воздушным охлаждением обмотки ротора.

Быстродействие системы возбуждения характеризуют номинальной скоростью нарастания напряжения возбуждения , определяемой отношением (1 – е – 1)(U f m – U f Н)/(t ·U f Н), где t – постоянная времени нарастания напряжения или время нарастания напряжения от U f Н до 0,632(U f m – U f Н), (закон нарастания напряжения считают экспоненциальным). Скорость нарастания напряжения измеряется в о.е./с и должна быть не менее: 2 о.е./с для турбогенераторов и компенсаторов; 1,5 для гидрогенераторов и 0,8 для прочих машин. Здесь о.е. – относительная единица напряжения возбуждения. Одной о.е. соответствует номинальное напряжение возбуждения U f Н.

Система возбуждения должна обеспечивать быстрое гашение магнитного поля в машине без значительного повышения напряжения в обмотках машины при отключениях машины от сети и авариях в машине.

Во всех режимах мгновенное напряжение на выводах обмотки возбуждения не должно превосходить 70% амплитуды испытательного напряжения этой обмотки относительно корпуса, которое принимают не более десятикратного номинального напряжения возбуждения (10U f Н), но не более 3,5 кВ.

Системы возбуждения рассчитывают для работы с автоматическими регуляторами возбуждения (АРВ), обеспечивающими регулирование напряжения, устойчивость работы, ограничение перегрузок, режимы пуска и включения в сеть.

1.3.2. Устройство систем возбуждения (Тема 20)

Наиболее часто для возбуждения синхронных машин применяют системы независимого возбуждения и системы самовозбуждения . В первом случае для питания обмоток возбуждения основной синхронной машины обычно используют электромашинные возбудители – генераторы постоянного тока или синхронные генераторы и возбуждение машины не зависит от напряжения на якоре. Если ротор возбудителя находится на одном валу с ротором синхронной машины, то систему возбуждения называют прямой . При самовозбуждении (рис. 1.12, а ) для возбуждения синхронной машины используют энергию переменного тока обмотки якоря. Самовозбуждние происходит за счет остаточного потока в роторе машины.

До 50-х годов ХХ века возбуждение синхронных машин осуществлялось практически только электромашинными системами возбуждения с коллекторным генератором постоянного тока параллельного или независимого возбуждения в качестве возбудителя (рис. 1.10).

КПД машины. Изменение тока I f осуществляют только за счет напряжения возбудителя U f , которое регулируется током возбуждения I ВВ возбудителя. В свою очередь ток возбуждения возбудителя I ВВ зависит от напряжения подвозбудителя U ПВ, которое регулируется его током возбуждения I ВПВ.

Для быстрого уменьшения тока возбуждения до нуля (гашения поля) применяют устройство, называемое автоматом гашения поля (АГП).

В простейшем случае АГП состоит из гасительного сопротивления R Г,
величина которого в 4–6 раз больше сопротивления обмотки возбуждения r f и контакторов К 1 , К 2 . АГП предохраняет от повреждения изоляцию обмотки возбуждения и контакт К 2 . При отключении обмотки возбуждения сначала замыкается дугогасительный контакт К 1 и включает обмотку возбуждения на гасительное сопротивление R Г, затем размыкают рабочий контакт К 2 . Энергия, запасенная в магнитном поле возбуждения, гасится на сопротивлении R Г и значительной электрической дуги опасной для контакта К 2 не возникает. Одновременно из-за наличия сопротивления R Г уменьшается скорость затухания тока возбуждения I f и ЭДС самоиндук-ции e f f ≡ d I f /d t в обмотке возбуждения, которая может вызвать пробой изоляции обмотки.

Для форсировки возбуждения подается сигнал на замыкание контакта K Ф, шунтирующего форсировочный R Ф и регулировочный R Р резисторы в цепи обмотки возбуждения возбудителя. При этом напряжение возбудителя U f быстро возрастает до предельного значения U f m .

Достоинствами электромашинных систем возбуждения с возбудителями постоянного тока являются простота, малая стоимость и высокая надежность. К недостаткам относятся небольшая кратность форсировки k f m ≤ 2, большие постоянные времени 0,3–0,6 с и соответственно небольшие скорости нарастания напряжения возбуждения 1,5–2,5 о.е./с. Поэтому в настоящее время такие системы применяют для возбуждения турбо- и гидрогенераторов относительно небольшой мощности до 30–50 МВт.

Начиная с 60-х годов ХХ века преимущественное распространение получили вентильные системы возбуждения на полупроводниковых кремние-

вых приборах: диодах или тиристорах.

Для возбуждения турбо- и гидрогенераторов мощностью 50 МВт и более часто применяют систему независимого тиристорного возбуждения (рис. 1.11), в которой возбудителем служит вспомогательный синхронный генератор (ВГ ) частотой 50 Гц, расположенный на одном валу с основным генератором. Переменное напряжение обмотки якоря 5 вспомогательного генератора преобразуют в постоянное напряжение U f тиристорным преобразователем 3 и подводят через контактные кольца 4 к обмотке возбуждения основного генератора. Возбуждение ВГ выполнено по системе тиристорного самовозбуждения от тиристорного выпрямителя 9 , запитанного через трансформатор 8 от выводов обмотки якоря ВГ .

Силовая часть тиристорных преобразователей собрана по трехфазной мостовой схеме. Схемы преобразования могут быть одногрупповыми с од-ним выпрямителем 3 (рис. 1.11) и двухгрупповыми – с двумя выпрямителями. Схему с одной группой вентилей применяют для обычной кратности форсировки k f m = 2, схему с двумя группами вентилей – при повышенной кратности форсировке k f m = 3–4.

В двухгрупповой схеме один выпрямитель (форсировочный) включен на полное напряжение обмотки якоря ВГ, второй (рабочий) – на отпайку обмотки якоря, с которой снимается часть напряжения этой обмотки. На стороне постоянного тока I f оба выпрямителя включены параллельно и работают с разными углами управления. В нормальном режиме ток возбуждения идет в основном по рабочей группой вентилей, при форсировке – по форсировочной.

Инерционность тиристорных преобразователей невелика и обеспечивается высокое быстродействие со скоростью нарастания напряжения возбуждения до 10–30 о.е./с.

Гашение поля в нормальных условиях осуществляют переводом тиристорных преобразователей в инверторный режим, в случае аварии с помощью АГП (на упрощенной схеме рис. 1.11 не показан).

Находят применение системы возбуждения, в которых вместо вспомогательного генератора частотой 50 Гц в качестве возбудителя используют высокочастотные синхронные индукторные генераторы на частоту 500 Гц с последующим выпрямлением напряжения. Для таких систем характерно относительно небольшое быстродействие (до 2,0–2,5 о.е./с).

Общим недостатком систем независимого тиристорного возбуждения можно считать наличие возбудителя переменного тока, что увеличивает стоимость системы и усложняет ее эксплуатацию.

Преимущество системы тиристорного самовозбуждения (рис. 1.12, а ) заключается в отсутствии электромашинного возбудителя и большей простоте схемы, что повышает надежность системы, уменьшает ее стоимость, сокращает размеры агрегата и машинного зала.

Преобразовательный трансформатор 4 включается непосредственно на линейные выводы генератора без коммутирующей аппаратуры. Тиристорные преобразователи 5 выполняют по мостовой схеме одногрупповыми при кратности форсировки k f m ≤ 2,5, при больших кратностях – двухгруппвыми.

Предусмотрена возможность подачи постоянного тока в обмотку ро-тора генератора Г от устройства начального возбуждения (на схеме не пока-

зано), которое автоматически отключается после начала процесса самовозбуждения.

По динамическим характеристикам системы тиристорного самовоз-буждения эквивалентны системам независимого тиристорного возбуждения. Недостаток системы самовозбуждения заключается в меньшей стабильности напряжения особенно у машин большой мощности.

Основной недостаток рассмотренных выше схем возбуждения – нали-чие скользящего контакта, снижающего надежность работы и КПД маши- ны. Поэтому в настоящее время у наиболее мощных турбогенераторов с токами возбуждения I f = (5–10)·10 3 А применяют бесщёточную систему возбуждения (рис. 1.12, б ). В качестве возбудителя используют обращенный вспомогательный синхронный генератор ВГ с обмоткой якоря на роторе. Переменное напряжение обмотки якоря 7 преобразуется в постоянное полупроводниковым выпрямительным блоком 6 , закрепленным на валу ротора, и подводится к обмотке возбуждения 2 генератора. Обмотка возбуждения 8 ВГ размещена на статоре ВГ и запитана от подвозбудителя 9 , представляющего собой высокочастотный синхронный генератор.

Первоначально вращающиеся выпрямительные блоки 6 выполняли на диодах. Инерционность диодных систем достаточно велика, так как определяется постоянной времени ВГ , которая обычно больше 0,5 с. Для повышения быстродействия в цепь возбуждения ВГ включен тиристорный преобразователь 10 с высокой кратностью форсировки. При форсировке возбуждения выпрямитель 10 открывается сигналом АРВ и напряжение U f В на обмотке возбуждения 8 ВГ быстро возрастает. При этом ток возбуждения I f В ВГ и напряжение на обмотке 2 ротора основного генератора также увеличиваются с большой скоростью (до 30 о.е./с). В настоящее время используются и вращающиеся выпрямительные блоки на тиристорах.

К недостаткам бесщеточных систем возбуждения относятся увеличение длины агрегата, сложность гашения поля возбуждения и передачи управляющих импульсов к вращающимся тиристорам.

В настоящее время для синхронных двигателей с частотой вращения 3000 об/мин или двигателей особо ответственных установок применяют бещеточные системы возбуждения, с меньшими частотами вращения – статические тиристорные системы самовозбуждения.

Для компенсаторов типа КС используют статические тиристорные системы, типа КСВ – бесщеточные диодные системы возбуждения.

Наиболее распространена система возбуждения генератора с помощью генератора постоянного тока, расположенного на одной оси с синхронным генератором (рис. 8.8).

Генератор постоянного тока работает обычно в режиме самовозбуждения с обмоткой возбуждения, включенной параллельно с обмоткой якоря. Напряжение с зажимов генератора постоянного тока через контактные кольца K 1 и K 2 подается на обмотку возбуждения генератора.

Для возбуждения генераторов большой мощности монтируют возбудитель переменного трехфазного тока и трехфазный выпрямитель (рис. 8.9).

В этом случае трехфазная обмотка возбудителя расположена на вращающейся части возбуждаемого генератора. На той же части смонтирован трехфазный выпрямитель. Достаточно просто запитывать якорь главного генератора. Якорь возбудителя может получать питание от внешнего источника постоянного тока или от дополнительного возбудителя постоянного тока, смонтированного на той же оси.

Для возбуждения трехфазного генератора может быть использован принцип самовозбуждения (рис. 8.10). Условия самовозбуждения генератора такие же, как и у генераторов постоянного тока.

Постоянный ток возбуждения получают от трансформатора возбуждения, так как в большинстве случаев напряжение возбуждения меньше напряжения сети и выпрямителя. Для регулирования тока возбуждения используют резистор возбуждения . Для поддержания постоянным напряжения генератора возбуждение может использоваться в электронных установках автоматического регулирования тока возбуждения.

Заключение

Основной целью написания пособия явилось изложение ма­териала теории и практики эксплуатации электромеханических устройств простым доступным языком без потери информативности содержания. Изучение физических основ функционирования электрических машин является солидной основой для понимания принципов построения других электромеханических устройств, которые используются на предприятиях различного профиля.

Бурное развитие новых технологий ставит перед производством ряд сложных научных и технологических проблем. В решении этих задач ключевая роль принадлежит энергетике. В условиях научно-технической революции темпы развития машиностроительного комплекса и, в частности, электромашиностроения во многом определяют технический прогресс в области энергетики, топливной промышленности, транспорта и связи, металлургии, станкостроения и приборо­строения, строительства, агропромышленного комплекса и др.

В настоящем учебном пособии изложены основы теории, особенности конструкции и режимы работы основных типов электрических машин, применяемых в промышленности. При этом отмечены современные тенденции развития этих машин, направ­ленные на повышение их надежности, энергетических пока­зателей, улучшения характеристик.

В целом, в настоящее время в развитии отечественного электромашиностроения наблюдаются следующие тенденции:

Улучшение конструкций магнитных систем, обмоток и систем охлаждения с целью снижения массы, габаритных размеров машин, потерь энергии в них; увеличение единичной мощности машин, частоты вращения и номинального напряжения, повышение надежности путем улучшения качества изоляции обмоток, устранения по возможности щеточных контактов и улучшения коммутации в коллекторных машинах; создание новых схем электрических машин, сочетающих в себе электромагнитную систему с элементами полупроводни­ковой техники (диодами, тиристорами, транзисторами), для по­вышения надежности, улучшения характеристик и расширения диапазона регулирования выходных параметров (тока, напряже­ния, частоты вращения и др.), создание линейных электродвигателей и двигателей возврат­но-поступатель­ного движения;

Разработка более технологичных конструкций машин малой и средней мощности и микромашин, приспособленных для массового и серийного производства; усовершенствование методов расчета электрических машин на основе применения ЭВМ, физического и математического моделирования; широкое применение стандартизации для основных пара­метров машин, элементов их конструкции, установочных раз­меров, способов охлаждения, защиты от воздействия внешней среды.

В решении поставленных задач ведущая роль принадлежит работникам отраслевых научно-исследовательских и проектно-конструкторских институтов. Существенную помощь работникам электро­промышленности оказывают также ученые и преподаватели высших учебных заведений.

Электрические машины, применяемые в схемах автоматики и теле­механики, весьма разнообразны по устройству, принципу действия, по функциям, которые они выполняют в различных, порой сильно отличающихся друг от друга автоматических схемах управления, регулирования и контроля.

В одной ограниченной по объему учеб­ными планами вузов книге практически невозможно дать описание всех применяемых элек­трических машин. Именно поэтому авторы данного пособия не ста­вили перед собой такой задачи, ограничившись лишь описанием устройства, принципа действия, основ теории и основных характе­ристик электрических машин, получивших наиболее широкое при­менение.

При желании более глубоко познакомиться с электрическими машинами, представленными в данном учебном пособии, конспективно, чи­татель может обратиться к специальной литературе.

Список литературы

1. Алексеев , А. Е. Конструкция электрических машин / А. Е. Алек­сеев . - М., 1958.

2. Арменский , Е. В. Электрические микромашины / Е. В. Ар­менский , Г. Б. Фалк . - М., 1984.

3. Бертинов , А. И. Электрические машины авиационной автоматики / А. И. Бертинов . - М., 1961.

4. Брускин , Д. Э. Электрические машины и микромашины /
Д. Э. Брускин , А. Е. Зарохович , В. С. Хвостов . - М., 1981.

5. Бут , Д. А. Бесконтактные электрические машины / Д. А. Бут . - М., 1985.

6. Виноградов , Н. В. Проектиро­вание электрических машин / Н. В. Виноградов , Ф. А. Горяинов , П. С. Сергеев . - М., 1969.

7. Важное , А. И. Электрические машины / А. И. Важное . - Л. : Энергия, 1969.

8. Винокуров , В. А. Электрические машины железнодорожного транспорта / В. А. Винокуров , Д. А. Попов . - М., 1986.

9. Вольдек , А. И. Электрические машины / А. И. Вольдек . - Л.: Энергия, 1966.

10. Голъдберг , О. Д. Проектирование электрических машин /
О. Д. Голъдберг , Я. С. Гурин , И. С. Свириденко . - М., 1982.

11. Ермолин , Н. П. Электрические машины малой мощности / Н. П. Ермолин. – М., 1975.

12. Иванов-Смоленский , А. В. Электрические машины / А. В. Ива­нов-Смоленский . - М., 1980.

13. Кацман , М. М. Электрические машины / М. М. Кацман . - М., 1983.

14. Кацман , М. М. Электрические машины автоматических устройств / М. М. Кацман , Ф. М. Юферов . - М., 1979.

15. Копылов , И. П. Электрические машины / И. П. Копылов . - М., 1986.

16. Копылов , И. П. Электромеханическое преобразование энергии / И. П. Копылов . - М., 1973.

17. Костенко , М. П. Электрические машины. Ч. 1 / М. П. Кос­тенко , Л. М. Пиотровский . - Л., 1973.

18. Костенко , М. П. Электрические машины. Ч. 1. - Изд. 2-е /
М. П. Костенко , Л. М . Пиотровский. - Л. : Энергия, 1964.

19. Костенко , М. П. Электрические машины. Ч. 2. - Изд. 2-е /
М. П. Костенко , Л. М . Пиотровский. - Л. : Энергия, 1965.

20. Петров , Г. Н. Электрические машины / Г. Н. Пет­ров. - М., Госэнергоиздат, 1956. - Ч. I.

21. Петров , Г. Н. Электрические машины / Г. Н. Петров . - М., 1963. - Ч. II; 1968. - Ч. III.

22. Специальные электрические машины / под ред. А. И. Бертинова. - 1982.

23. Хрущев , В. В. Электрические машины систем автоматики / В. В. Хрущев . - Л., 1985.

Предисловие. 3

Введение. 4

Г л а в а 1. Основные физические законы функционирования
электрических машин. 9

Г л а в а 2. Общие вопросы машин постоянного тока. 13

2.1. Принцип действия машин постоянного тока. 13

2.2. Конструкция машин постоянного тока. 17

2.3. Обмотки якоря машин постоянного тока. 18

2.4. Эквипотенциальные соединения обмоток якоря. 31

2.5. Способы создания магнитного поля или способы возбуждения
машин постоянного тока. 34

2.6. ЭДС якорной обмотки машин постоянного тока. 36

2.7. Механический момент на валу машины постоянного тока. 39

2.8. Магнитное поле машины постоянного тока, работающей
в режиме холостого хода. 41

2.9. Магнитное поле нагруженной машины постоянного тока.
Реакция якоря. 42

2.10. Коммутация обмотки якоря машин постоянного тока. 45

Г л а в а 3. Двигатели постоянного тока. 49

3.1. Принцип действия двигателей постоянного тока. 49

3.2. Основные уравнения двигателя постоянного тока. 51

3.3. Потери и коэффициент полезного действия двигателей
постоянного тока. 51

3.4. Характеристики двигателей постоянного тока. 54

3.5. Пуск двигателей постоянного тока. 65

3.6. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока. 71

Г л а в а 4. Генераторы постоянного тока. 80

4.1. Классификация генераторов постоянного тока по способу возбуждения. 80

4.2. Энергетическая диаграмма генераторов постоянного тока. 81

4.3. Основные характеристики генераторов постоянного тока. 86

4.4. Характеристики генератора с независимым возбуждением.. 86

4.5. Рабочая точка нагруженного генератора. 94

4.6. Характеристики генератора с параллельным возбуждением.. 95

4.7. Генераторы с последовательным возбуждением.. 100

4.8. Генераторы постоянного тока со смешанным возбуждением.. 101

4.9. Использование генераторов постоянного тока. 105

4.10. Параллельная работа генераторов. 106

Г л а в а 5. Трансформаторы.. 109

5.1. Принцип действия трансформаторов. 110

5.2. Конструкция однофазных трансформаторов. 112

5.3. Потери электрической энергии в трансформаторе и коэффициент полезного действия трансформатора. 114

5.4. Режим холостого хода трансформатора. 118

5.5. Работа трансформатора в режиме нагрузки. 121

5.6. Приведенный трансформатор и его схема замещения. 124

5.7. Экспериментальное определение параметров трансформатора. 129

5.8. Изменение выходного напряжения трансформатора
при изменении тока нагрузки. Внешняя характеристика
трансформатора. 132

5.9. Внешняя характеристика трансформаторов. 135

5.10. Трехфазные трансформаторы. Принцип действия трехфазных трансформаторов 137

5.11. Схемы и группы соединения обмоток трехфазных
трансформаторов. 141

5.12. Специальные трансформаторы.. 145

5.13. Параллельная работа трансформаторов. 150

Г л а в а 6. Асинхронные машины.. 154

6.1. Магнитные поля асинхронных двигателей. Вращающееся
магнитное поле. 154

6.2. Эллиптические и пульсирующие магнитные поля. 160

6.3. Принцип действия асинхронного двигателя. 165

6.4. Конструкция асинхронного двигателя. 168

6.5. Обмотки асинхронных машин. 170

6.6. Электродвижущие силы статорной и роторной обмоток. 177

6.7. Магнитный поток асинхронных машин. 178

6.8. Векторная диаграмма асинхронного двигателя. 181

6.9. Электрическая схема замещения асинхронного двигателя. 184

6.10. Энергетические процессы асинхронной машины.. 186

6.11. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя. 188

6.12. Общее уравнение вращающего момента асинхронной машины.. 189

6.13. Уравнение механической характеристики асинхронного
двигателя. 191

6.14. Формула Клосса. 194

6.15. Эквивалентная схема замещения асинхронной машины
с намагничивающей цепью, приведенной к сетевым зажимам.. 196

6.16. Круговая диаграмма асинхронной машины. Построение диаграммы.. 198

6.17. Анализ круговой диаграммы.. 202

6.18. Пуск трехфазных асинхронных двигателей. 207

6.19. Пуск двигателей с фазным ротором.. 207

6.20. Пуск двигателя с короткозамкнутым ротором.. 210

6.21. Двигатели со специальной роторной обмоткой и улучшенными пусковыми характеристиками. 214

6.22. Способы регулирования частоты вращения трехфазного асинхронного двигателя 216

6.23. Рабочие характеристики асинхронных двигателей. 222

6.24. Работа асинхронного двигателя в различных режимах. 226

6.25. Работа асинхронной машины с фазным ротором в режиме
регулятора трехфазного напряжения. 227

6.26. Однофазные асинхронные двигатели. 228

6.27. Маркировка выводов асинхронного двигателя. 232

Г л а в а 7. Синхронные генераторы.. 234

7.1. Принцип действия синхронных машин. 234

7.2. Конструкция синхронной машины.. 237

7.3. Режим холостого хода генератора. 238

7.4. Реакция якоря синхронной машины.. 240

7.5. Векторные диаграммы напряжений трехфазного синхронного генератора 245

7.6. Изменение напряжения на выходе синхронного генератора. 249

7.7. Основные характеристики синхронного генератора. 253

7.8. Включение в сеть трехфазных генераторов или параллельная
работа генераторов переменного тока. 257

7.9. Угловые характеристики синхронных генераторов. 261

7.10. Мощность синхронизации и момент синхронизации. 264

7.11. Влияние тока возбуждения на режим работы синхронного
генератора. 264

7.12. Потери энергии и коэффициент полезного действия
синхронного генератора. 266

Г л а в а 8. Синхронные двигатели. 269

8.1. Принцип действия синхронных двигателей. 269

8.2. Векторная диаграмма напряжений синхронного двигателя. 270

8.3. Мощность и механический момент синхронного двигателя. 271

8.4. V -образные характеристики синхронных двигателей. 272

8.5. Характеристики синхронного двигателя. 274

8.6. Методы пуска синхронных двигателей. 275

8.7. Синхронные компенсаторы.. 277

8.8. Способы возбуждения синхронных машин. 277

Заключение. 280

Список литературы.. 282

Учебное издание

Горячев Владимир Яковлевич

Джазовский Николай Борисович

Николаева Елена Владимировна

Электромеханика

Редактор В. В. Чувашова

Технический редактор Н. А. Вьялкова

Корректор Н. А. Сидельникова

Компьютерная верстка Н. В. Ивановой

Сдано в производство 07.12.09. Формат 60x841/16.

Усл. печ. л. 16,74. Уч.-изд. л. 19,98.

Тираж 100. Заказ № 643. «С» 164.

_______________________________________________________

Издательство ПГУ

440026, Пенза, Красная, 40.