Способы возбуждения синхронных машин кратко. Принцип действия. Ротор: постоянное магнитное поле

Для поддержания напряжения в аварийных режимах используют уст­ройства форсировки возбуждения. Устройства обеспечивают быстрое повышение напряжения возбуждения до максимально возможного, называемого обычно пото­лочным значением , при значительных снижениях напряжения, вызванных, главным образом, КЗ в электроэнергетической системе. Отно­шение этого напряжения или тока ротора соответственно к номинальному напряжению или току называют кратностью форсировки . Устройство форсировки возбуждения (УФВ) обычно входит в состав АРВ или выполняется отдельно. На рис. 8.33 приведена принципиаль­ная схема релейного УФВ, состоящая из реле минимального напря­жения PH, подключенного к трансформатору напряжения ТН и промежуточного реле РП. Уставка напряжения срабатывания реле ми­нимального напряжения обычно составляет (0,8-0,85) U.

Устройство форсировки действует следующим образом. При сниже­нии напряжения до уставки реле PH оно срабатывает и воздействует на обмотку промежуточного реле РП, которое своими контактами шунтирует реостат Р в цепи обмотки возбуждения возбудителя. При этом ток возбуж­дения возбудителя увеличивается до максимально возможного значения, а следовательно, и напряжение возбуждения на обмотке ротора синхронной машины нарастает сравнительно быстро до значения по экспоненци­альной зависимости

где - амплитуда изменения напряжения возбуждения;

Постоянная времени системы возбуждения.

Если УФВ входит в состав АРВ, то при срабатывании реле PH на сум­мирующий усилитель АРВ подает такой сигнал, что независимо от вели­чины и знаков сигналов на выходах других каналов регулирования обес­печивается быстрое повышение напряжения возбуждения до потолочного значения (рис. 8.34, а).

Поскольку к обмотке ротора синхронной машины прикладывается максимальное напряжение возбуждения, то ток в ее обмотке, а следова­тельно, и вынужденная ЭДС синхронной машины, увеличиваются с наи­большей скоростью (рис. 8.34, б).

Увеличение ЭДС синхронной машины при действии УФВ приводит к соответствующему увеличению амплитуды характеристики мощности увеличению амплитуды характеристики мощности в аварийном режиме

Это позволяет уменьшить площадку уско­рения на величину увеличить площадку торможения на величину , что приводит к повышению динамической устойчивости. При этом сте­пень влияния форсировки возбуждения на динамическую устойчивость зависит от скорости и величины изменения напряжения возбуждения, ко­торые определяются действием систем возбуждения и максимально воз­можным значением напряжения возбуждения. Как отмечалось ранее, посто­янная времени электромашинной системы возбуждения равна 0,3-0,5 с, для тиристорной системы = 0,02-0,04 с. Однако следует иметь в виду, что для обеспечения высокой скорости увеличения ЭДС все системы воз­буждения обязательно должны иметь высокий потолок возбуждения, так как для быстрого увеличения тока в роторе необходима не только высокая скорость изменения напряжения, но и его значение. Это вызвано тем об­стоятельством, что ток возбуждения синхронной машины из-за наличия индуктивности обмотки ротора возрастает значительно медленнее, чем Поэтому в аварийных режимах желательно повышение напряжения воз­буждения до значения 4-5-кратного от номинального (высокий потолок возбуждения). На рис. 8.36 показана кривая изменения напряжения воз­буждения на обмотке ротора синхронной машины при различных видах систем возбуждения.

Таким образом, быстродействие системы возбуждения и потолочное напряжение возбуждения при действии УФВ определяют значение тока в роторе, а следовательно, и степень изменения синхронной и переходной ЭДС в аварийном режиме. Величинами их изменения и определяется вли­яние форсировки возбуждения на характеристики мощности и в конечном итоге на динамическую устойчивость системы. Так, использование тирис­торной системы возбуждения с постоянной времени = 0,04 с и kф = 4

х.\

Рис. 8.35. Характеристики мощности в аварийном и послеаварийном режимах jVs j при отсутствии (/) и действии (2) форсировки возбуждения.

Рис. 8.36. Изменение напряжения возбуждения при различных системах возбуждения: 1 - тиристорная; 2 - электромашинная

вместо электромашинной системы с параметрами = 0,5 с, kф = 4 приво­дит к увеличению динамической устойчивости на 15-20 %.

Многолетний опыт эксплуатации УФВ показал, что они являются од­ним из эффективных средств повышения динамической устойчивости. Вместе с тем действие форсировки в ряде аварийных режимов не позволя­ет использовать все возможности систем возбуждения с АРВ по улучше­нию динамической устойчивости и повышению качества переходного элек­тромеханического процесса в электроэнергетических системах

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Введение

Синхронные машины -- это бесколлекторные машины переменного тока. По своему устройству они отличаются от асинхронных машин лишь конструкцией ротора, который может быть явнополюсным или неявнополюсным. Что же касается свойств, то синхронные машины отличаются синхронной частотой вращения ротора (n 2 = n 1 = const) при любой нагрузке, а также возможностью регулирования коэффициента мощности, устанавливая такое его значение, при котором работа синхронной машины становится наиболее экономичной. Синхронные машины обратимы и могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Синхронные генераторы составляют основу электротехнического оборудования электростанций, т. е. практически вся электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами. Единичная мощность современных синхронных генераторов достигает миллиона киловатт и более. Синхронные двигатели применяются главным образом для привода устройств большой мощности. Такие двигатели по своим технико-экономическим показателям превосходят двигатели других типов. В крупных электроэнергетических установках синхронные машины иногда используются в качестве компенсаторов -- генераторов реактивной мощности, позволяющих повысить коэффициент мощности всей установки. В данном разделе рассмотрены главным образом трехфазные синхронные машины. Приведены также сведения по некоторым типам синхронных двигателей весьма малой мощности, применяемым в устройствах автоматики и приборной техники.

1. Способы возбуждения и устройство синхронных машин

1. 1 Возбуждение синхронных машин

При рассмотрении принципа действия синхронного генератора было установлено, что на роторе синхронного генератора расположен источник МДС (индуктор), создающий в генераторе магнитное поле. С помощью приводного двигателя (ПД) ротор генератора приводится во вращение с синхронной частотой n 1 . При этом магнитное поле ротора также вращается и, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней ЭДС.

Синхронные двигатели конструктивно почти не отличаются от синхронных генераторов. Они также состоят из статора с обмоткой и ротора. Поэтому независимо от режима работы любая синхронная машина нуждается в процессе возбуждения - наведения в ней магнитного поля.

Основным способом возбуждения синхронных машин является электромагнитное возбуждение, 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.

До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.1, а), 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).

В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах большой мощности -- турбогенераторах -- иногда в качестве возбудителя применяют генераторы переменного тока индукторного типа (см. § 23.6). На выходе такого генератора включают полупроводниковый выпрямитель.

Рис. 1.1. Контактная (а) и бесконтактная (б) системы электромагнитного возбуждения синхронных генераторов

Регулировка тока возбуждения синхронного генератора в этом случае осуществляется изменением возбуждения индукторного генератора.

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 (рис. 1.1, 5), у которого обмотка 2, в которой наводится ЭДС (обмотка якоря), расположена на роторе, а обмотка возбуждения 1 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 3, закрепленный на валу синхронной машины и вращающийся вместе с обмоткой возбуждения синхронной машины и обмоткой якоря возбудителя. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя осуществляется от подвозбудителя (ПВ) -- генератора постоянного тока.

Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронной машины позволяет повысить ее эксплуатационную надежность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в том числе гидрогенераторах (см. § 1.2), получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.2, а), 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.

Рис. 1.2. Принцип самовозбуждения синхронных генераторов

На рис. 1.2, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подается в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора побуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на выходе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты БЗ, обеспечивающий защиту обмотки возбуждения и тиристорного преобразователя ТП от перенапряжений и токовой перегрузки.

В современных синхронных двигателях для возбуждения применяют тиристорные возбудительные устройства, включаемые в сеть переменного тока и осуществляющие автоматическое управление током возбуждения во всевозможных режимах работы двигателя, в том числе и переходных. Такой способ возбуждения является наиболее надежным и экономичным, так как КПД тиристорных возбудительных устройств выше, чем у генераторов постоянного тока. Промышленностью выпускаются тиристорные возбудительные устройства на различные напряжения возбуждения с допустимым значением постоянного тока 320 А.

Наибольшее распространение в современных сериях синхронных двигателей получили возбудительные тиристорные устройства типов ТЕ8-320/48 (напряжение возбуждения 48 В) и ТЕ8-320/75 (напряжение возбуждения 75 В). Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5% полезной мощности машины (меньшее значение относится к машинам большой мощности).

В синхронных машинах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, когда на роторе машины располагаются постоянные магниты. Такой способ возбуждения дает возможность избавить машину от обмотки возбуждения. В результате конструкция машины упрощается, становится более экономичной и надежной. Однако из-за дефицитности материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничивается лишь машинами мощностью не более нескольких киловатт.

1.2 Типы синхронных машин и их устройство

Синхронная машина состоит из неподвижной части -- статора -- и вращающейся части -- ротора. Статоры синхронных машин в принципе не отличаются от статоров асинхронных двигателей, т. е. состоят из корпуса, сердечника и обмотки.

Конструктивное исполнение статора синхронной машины может быть различным в зависимости от назначения и габаритов машины. Так, в многополюсных машинах большой мощности при наружном диаметре сердечника статора более 900 мм пластины сердечника делают из отдельных сегментов, которые при сборке образуют цилиндр сердечника статора. Корпуса статоров крупногабаритных машин делают разъемными, что необходимо для удобства транспортировки и монтажа этих машин.

Роторы синхронных машин могут иметь две принципиально различающиеся конструкции: явнополюсную и неявнополюсную.

В энергетических установках по производству электроэнергии переменного тока в качестве первичных (приводных) двигателей синхронных генераторов применяют в основном три вида двигателей: паровые турбины, гидравлические турбины либо двигатели внутреннего сгорания (дизели). Применение любого из перечисленных двигателей принципиально влияет на конструкцию синхронного генератора.

Если приводным двигателем является гидравлическая турбина, то синхронный генератор называют гидрогенератором Гидравлическая турбина обычно развивает небольшую частоту вращения (60--500 об/мин), поэтому для получения переменного тока промышленной частоты (50 Гц) в гидрогенераторе применяют ротор с большим числом полюсов. Роторы гидрогенераторов имеют явнополюсную конструкцию, т. е. с явно выраженными полюсами, при которой каждый полюс выполняют в виде отдельною узла, состоящего из сердечника 1, полюсного наконечника 2 и полюсной катушки 3 (рис. 1.3, а). Все полюсы ротора закреплены на ободе 4, являющемся также и ярмом магнитной системы машины, в котором замыкаются потоки полюсов. Гидрогенераторы обычно изготовляются с вертикальным расположением вала (рис. 1.4).

Паровая турбина работает при большой частоте вращения, поэтому приводимый ею во вращение генератор, называемый турбогенератором, является быстроходной синхронной машиной. Роторы этих генераторов выполняют либо двухполюсными (n 1 = 3000 об/мин), либо четырехполюсными (n 1 = 1500 об/мин).

Рис. 1.3. Конструкция роторов синхронных машин: а -- ротор с явно выраженными полюсами; б -- ротор с неявно выраженными полюсами

Рис. 1.4. Гидрогенератор Братской ГЭС (225 МВт, 15,8 кВ, 125 об/мин): 1 -- корпус статора; 2 -- сердечник статора; 3 -- полюс ротора; 4 -- обод ротора; 5 -- грузонесущая крестовина

В процессе работы турбогенератора на его ротор действуют значительные центробежные силы. Поэтому по условиям механической прочности в турбогенераторах применяют неявнополюсный ротор, имеющий вид удлиненного стального цилиндра с профрезерованными на поверхности продольными пазами для обмотки возбуждения (см. рис. 1.3, б). Сердечник неявнополюсного ротора изготовляют в виде цельной стальной поковки вместе с хвостовиками (концами вала) или же делают сборным. Обмотка возбуждения неявнополюсного ротора занимает лишь 2/3 его поверхности (по периметру). Оставшаяся 1/3 поверхности образует полюсы. Для защиты лобовых частей обмотки ротора от разрушения действием центробежных сил ротор с двух сторон прикрывают стальными бандажными кольцами (каппами), изготовляемыми обычно из немагнитной стали.

Рис 1.5. Турбогенератор: 1 -- возбудитель, 2 -- корпус, 3 -- сердечник статора, 4 -- секции водородного охлаждения, 5 -- ротор

Турбогенераторы (рис. 1.5) и дизельгенераторы изготовляют с горизонтальным расположением вала. Дизельгенераторы рассчитывают на частоту вращения 600--1500 об/мин и выполняют с явнополюсным ротором (рис. 1.6). ротор ток электромагнитный

Большую группу синхронных машин составляют синхронные двигатели, которые обычно изготовляются мощностью до нескольких тысяч киловатт и предназначены для привода мощных вентиляторов, мельниц, насосов и других устройств, не требующих регулирования частоты вращения. Рассмотрим устройство синхронного двигателя серии СДН2 (рис. 1.7). Двигатели этой серии изготовляются мощностью от 315 до 4000 кВт при частотах вращения от 300 до 1000 об/мин и предназначены для включения в сеть частотой 50 Гц при напряжении 6 кВ.

Сердечник статора 4, запрессованный в стальной корпус, состоит из пакетов-сегментов, собранных из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Для лучшего охлаждения двигателя пакеты разделены радиальными вентиляционными каналами шириной по 10 мм. Обмотка статора 12 двухслойная с укороченным шагом (см. гл. 7). Сердечники полюсов 11 ротора крепятся к остову 3 шпильками 5. Обмотка ротора состоит из полюсных катушек. Контактные кольца 8 крепятся на конце вала. На роторе имеются лопатки 6 центробежного вентилятора. Стояковые подшипники скольжения 2 и 7 установлены на подшипниковых полущитах 1 и 9. Двигатель с торцовых сторон прикрыт стальными щитами 13.

Рис 1.6. Синхронный генератор (дизель-генератор): 1 -- контактные кольца, 2 -- щеткодержатели, 3 -- полюсная катушка ротора, 4 -- полюсный наконечник, 5 -- сердечник статора, 6 -- вентилятор, 7 -- вал

В обшивке 10 корпуса имеются вентиляционные окна, прикрытые жалюзи. На боковой поверхности корпуса расположена коробка выводов 14. Возбуждение двигателей осуществляется от тиристорных преобразователей с автоматическим регулированием тока возбуждения при пуске и остановке двигателей.

Рис. 1.7 Устройство синхронного двигателя серии СДН2

На рис. 1.8 показано более подробно устройство элемента синхронного двигателя, характерное для большинства конструкций. На вал 1 посажен шихтованный обод 2, на котором посредством Т-образного хвостовика крепится сердечник полюса 3, выполненный заодно с полюсным наконечником. Сердечники полюсов изготовлены из штампованных листов конструкционной стали толщиной 1,0 или 1,5 мм. Хвостовик полюса запирается в продольном пазе обода посредством клиньев 9. Возможно также крепление полюсов к ободу посредством «ласточкина хвоста» (см. рис. 1.3) или шпилек. Стальные щеки 4, стягиваемые шпильками, предотвращают распушение пакета полюса ротора. Щеки имеют заплечики, удерживающие полюсную катушку ротора 5.

Рис 1.8. Полюс синхронного двигателя

В пазах полюсных наконечников расположены латунные или медные стержни 6 пусковой (успокоительной) обмотки, замкнутые с двух сторон сегментами 7.

Между наружной поверхностью полюсного наконечника и внутренней поверхностью сердечника статора 8 имеется воздушный зазор. По оси полюса этот зазор д минимален, а на краях -- максимален S max . Такая конфигурация полюсного наконечника необходима для синусоидального распределения магнитной индукции в воздушном зазоре. Она достигается тем, что поверхность полюсного наконечника имеет радиус R<(D l - 2д)/ 2, где D 1 - диаметр расточки сердечника статора.

1. 3 Охлаждение крупных синхронных машин

В крупных электрических машинах применяют замкнутую систему охлаждения (см.§18.2) с использованием водорода в качестве охлаждающего газа. Особые свойства водорода обеспечивают водородному охлаждению ряд преимуществ:

1.Технический водород более чем в десять раз легче воздуха, что способствует снижению потерь на вентиляцию, а следовательно, повышает КПД машины. Например, в турбогенераторе мощностью 150 тыс. кВт потери на вентиляцию при воздушном охлаждении составляют 1000 кВт, а при водородном охлаждении турбогенератора такой же мощности эти потери составляют всего лишь 140 кВт, т. е. более чем в семь раз меньше.

2.Благодаря повышенной теплопроводности водорода, которая в 6 --7 раз больше, чем у воздуха, он интенсивнее охлаждает машину. Это дает возможность при заданных габаритах изготовить машину с водородным охлаждением мощностью на 20 -- 25% больше, чем при воздушном охлаждении.

3.Водородное охлаждение снижает опасность возникновения пожара в машине потому, что водород не поддерживает горения.

4.Водородное охлаждение увеличивает срок службы изоляции обмоток, так как при явлении короны благодаря отсутствию азота в машине не образуются нитраты -- соединения, разъедающие органические составляющие изоляционных материалов.

Эффективность водородного охлаждения повышается с ростом давления водорода в машине. Но наряду с перечисленными достоинствами водородное охлаждение имеет и недостатки, сущность которых сводится к тому, что водородное охлаждение ведет к усложнению и удорожанию как самой машины, так и ее эксплуатации. Объясняется это, в первую очередь, необходимостью содержания целого комплекса устройств водородного хозяйства, обеспечивающего подпитку, очистку и поддержание требуемого давления водорода в системе охлаждения машины. Однако в машинах большой единичной мощности (турбогенераторах, гидрогенераторах, синхронных компенсаторах) водородное охлаждение оправдано и дает большой экономический эффект.

Рассмотренные способы охлаждения машин являются косвенными, так как происходят без непосредственного контакта охлаждающего вещества с наиболее нагретыми элементами машины - обмотками. Отбор теплоты от обмоток при этих способах охлаждения происходит через электрическую изоляцию (в лобовых частях) и сталь магнитопровода, что снижает эффективность процесса охлаждения. Поэтому более эффективным является непосредственное охлаждение обмоток и других нагреваемых элементов машины. Для осуществления этого способа охлаждения в проводниках обмотки и сердечниках делают внутренние каналы, по которым циркулирует охлаждающее вещество -- водород, вода, масло. Непосредственный контакт охлаждающего вещества с проводниками обмоток и внутренними слоями магнитопроводов повышает интенсивность теплоотвода и позволяет существенно увеличить удельные электромагнитные нагрузки машины (плотность тока и максимальное значение магнитной индукции). Обычно непосредственное охлаждение применяют в электрических машинах весьма большой мощности -- турбо- и гидрогенераторах, что позволяет значительно увеличить единичную мощность этих машин.

2. Магнитное поле и характеристики синхронных генераторов

2. 1 Магнитная цепь синхронной машины

В режиме х.х. синхронной машины, т. е. при отсутствии тока I 1 в обмотке статора, магнитное поле создается лишь МДС обмотки возбуждения F в0 . Форма графика распределения индукции в зазоре явнополюсной машины в этом случае зависит от конфигурации полюсных наконечников полюсов ротора. Для придания этой кривой формы, близкой к синусоидальной, воздушный зазор делают неравномерным, увеличивая его на краях полюсных наконечников.

Основной магнитный поток явнополюсной синхронной машины, замыкаясь в магнитной системе машины, сцепляется с обмоткой статора. Как и в асинхронных неявнополюсных машинах (см. § 11.1), магнитная система явнополюсной синхронной машины представляет собой разветвленную симметричную магнитную систему (рис. 2.1, а), состоящую из 2р параллельных ветвей. Каждая из таких ветвей представляет собой неразветвленную магнитную цепь, содержащую одну пару полюсов (рис. 2.1, б). Основной магнитный поток Ф, замыкаясь в магнитной цепи, проходит ряд участков (рис. 2.2): воздушный зазор д, зубцовый слой статора h z 1 , зубцовый слой ротора h z 2 , полюс ротора h m , спинку статора L 1 и спинку ротора (обод) L об.

Сумма магнитных напряжений на всех перечисленных участках магнитной цепи определяет МДС обмотки возбуждения на пару полюсов в режиме х.х. (А):

F во = ? F = 2 F д + 2 F z 1 +2 F z 2 + 2 F m + F c 1 + F об , (2.1)

где F д, F z 1 , F z 2 , F m , F с1 и F o 6 -- соответственно магнитные напряжения зазора, зубцовых слоев статора и ротора, полюсов, спинки статора и обода, А.

Порядок расчета магнитных напряжений на участках магнитной цепи в принципе такой же, как и при расчете магнитной цепи асинхронной машины (см. гл. 11). При расчете магнитного напряжения полюсов и спинки ротора необходимо иметь в виду, что магнитный поток на этих участках несколько больше основного магнитного потока Ф на величину потока рассеяния ротора Ф у представляющего собой небольшую часть общего потока полюсов Ф m не проходящего через зазор д, замыкающегося в межполюсном пространстве:

Ф m = Ф + Ф у = Ф(1 + Ф/ Ф у ) = Ф у m , (2.2)

где у m -- коэффициент магнитного рассеяния полюсов ротора.

Рис. 2.1. Магнитная система явнополюсной синхронной машины

Рис. 2.2. Участки магнитной цепи явнополюсной синхронной машины

Для синхронных явнополюсных машин коэффициент

у m = 1 + 0, 2 k м 1 (2.3)

k м 1 = F 10 / (2 F д ) (2.4)

Коэффициент магнитного насыщения сердечника статора синхронной машины;

F 10 = 2 F д + 2 F z 1 + F c 1

Сумма магнитных напряжений в сердечнике статора и воздушном зазоре, А.

Для синхронных явнополюсных машин коэффициент магнитного рассеяния полюсов ротора у m = 1,1 ч 1,4 в зависимости от степени магнитного насыщения магнитопровода машины и числа полюсов (с ростом числа полюсов 2р уменьшается межполюсное пространство ротора машины и магнитное рассеяние увеличивается). После расчета магнитной цепи синхронной машины строят магнитную характеристику машины, аналогичную представленной на рис. 1.3. Используя МДС обмотки возбуждения в режиме х.х. ? F , путем дополнительных расчетов определяют МДС обмотки возбуждения при нагрузке F в.н. Обычно F в.н = (2,0 ч 2,2) ?F .

Полученное значение МДС F в.н позволяет рассчитать число витков в полюсной катушке ротора:

W к.в = F в.н / (2 I в ) , (2.5)

где I в -- ток в обмотке возбуждения синхронной машины, А.

2. 2 Магнитное поле синхронной машины

В настоящей главе рассматривается трехфазный синхронный генератор, работающий на симметричную нагрузку так, что все фазы обмотки нагружены равномерно, т. е. в них наводятся одинаковые ЭДС и проходят равные по значению и сдвинутые по фазе относительно друг друга на угол 120° токи. Из гл. 9 известно, что в этих условиях трехфазная обмотка статора создает вращающуюся синхронно с ротором МДС, максимальное значение которой определяется выражением (9.16):

F 1 = 0,45 m 1 I 1 w 1 k об1 / p .

Как будет показано в § 2.3, вектор МДС статора может занимать разные пространственные положения относительно оси полюсов ротора.

В неявнополюсной синхронной машине воздушный зазор равномерен, а поэтому пространственное, положение вектора МДС статора относительно оси полюсов ротора не влияет на величину и график распределения магнитного поля статора.

В явнополюсной синхронной машине воздушный зазор неравномерен из-за наличия значительного межполюсного пространства, не заполненного сталью (рис. 2.3), и магнитное сопротивление потоку статора Ф d по продольной оси dd намного меньше магнитного сопротивления потоку статора Ф q по поперечной оси qq. Поэтому величина индукции магнитного поля статора и график ее распределения в воздушном зазоре в явнополюсных машинах зависят от пространственного положения вектора МДС обмотки статора F 1 или его составляющих.

Так, амплитуда основной гармоники индукции магнитного поля статора по продольной оси B 1 d 1 больше амплитуды основной гармоники индукции поля по поперечной оси В 1 q 1:

B 1 d 1 = B 1 k d ; B 1 q 1 = B 1 k q (2.6)

где В 1 -- амплитудное значение магнитной индукции поля статора при равномерном зазоре; k d и k q -- коэффициенты формы поля статора (якоря) по продольной и поперечной осям.

Коэффициенты k d и k q определяют степень уменьшения амплитуды основной гармоники поля статора (якоря) по продольной и поперечной осям, обусловленную неравномерностью воздушногo зазора в машинах с явнополюсным ротором.

Рис. 2.3. Магнитные поля статора синхронной явнополюсной машины по продольной (а) и поперечной (б) осям

Значения k d и k q зависят от отношения максимального и минимального воздушных зазоров д m ах /д, от относительной величины зазора д/ ф, а также от коэффициента полюсного перекрытия б i , При равномерном зазоре (д = const) отношение д m ах /д = 1. Полюсное деление ф определяют по (7.1). Коэффициент полюсного перекрытая б i = b р /ф, где b р -- ширина полюсного наконечника (см. рис. 1.8).

При равномерном воздушном зазоре (д m ах /д =1) и весьма малой его относительной величине (д/ ф? 0) коэффициенты формы поля определяются выражениями

k d = [ рб i + sin(б i 180°)] /р ; (2.7)

k q = [ рб i - sin(б i 180°)] /р . (2.8)

Из (2.7) и (2.8) видим, что при б i = 1, т. е. при неявнополюсном роторе, k d = k q = 1.

Обмотка возбуждения синхронной машины при прохождении по ней тока I в создает МДС на пару полюсов (А):

F в.н = I в 2 w к.в (2.9)

Рис. 2.4. Магнитные поля возбуждения неявнополюсной (а) и явнополюсной (б) синхронных машин

При этом форма магнитного поля возбуждения в зазоре машины зависит от конструкции ротора. Амплитуда основной гармоники этого поля В в1 определяется коэффициентом формы поля возбуждения

k f = B в1 / В в , (2.10)

где В в -- максимальное значение магнитной индукции поля возбуждения (рис. 2.4).

Для неявнополюсного ротора коэффициент формы поля возбуждения (рис. 2.4, а)

k f = 8 sin г 90°/ (р 2 г ) (2.11)

где г = 2б/ ф -- отношение обмотанной части полюса ротора ко всему полюсному делению. Обычно г = 0,67 ч 0,80. Наименьшее содержание высших гармоник поля соответствует г = 0,75.

Для явнополюсного ротора при равномерном зазоре и д/ф? 0 коэффициент формы поля возбуждения (рис. 2.4, б)

k f = 4 sin б i 90°/ р . (2.12)

Увеличение зазора на краях полюсов способствует приближению коэффициента k f к единице, т. е. приближает форму кривой индукции поля к синусоиде.

При неравномерном воздушном зазоре значения коэффициентов формы поля определяют по графикам, приводимым в руководствах по расчету синхронных машин .

2. 3 Реакция якоря синхронной машины

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нем одновременно действуют МДС возбуждения F в0 [см. (2.1)] и статора (якоря) F 1 [см. (9.15)], при этом МДС статора (якоря) воздействует на МДС возбуждения, усиливая или ослабляя поле возбуждения или же искажая его форму. 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. Воспользуемся для этого векторными диаграммами МДС. При построении этих диаграмм следует иметь в виду, что вектор ЭДС, индуцируемой магнитным потоком возбуждения в обмотке статора, отстает по фазе от вектора этого потока (а следовательно, и вектора МДС) на 90°. Что же касается вектора тока в обмотке статора I 1 , то он может занимать по отношению к вектору различные положения, определяемые углом, в зависимости от вида нагрузки.

Рис. 2.5. Реакция якоря синхронного генератора при активной (а), индуктивной (б) и емкостной (в) нагрузках совпадает по фазе с ЭДС, а поэтому вектор МДС, создаваемый этим током, сдвинут в пространстве относительно вектора на 90°.

Такое воздействие МДС статора (якоря) на МДС возбуждения вызовет искажения результирующего поля машины: магнитное поле машины ослабляется под набегающим краем полюса и усиливается под сбегающим краем полюса (рис. 2.6). Вследствие насыщения магнитной цепи результирующее магнитное поле машины несколько ослабляется. Объясняется это тем, что размагничивание набегающих краев полюсных наконечников и находящихся над ними участков зубцового слоя статора происходит беспрепятственно, а подмагничивание сбегающих краев полюсных наконечников и находящихся над ними участков зубцового слоя статора ограничивается магнитным насыщением этих элементов магнитной цепи. В итоге результирующий магнитный поток машины ослабляется, т. е. магнитная система несколько размагничивается. Это ведет к уменьшению ЭДС машины Е 1 .

Такое действие МДС статора F 1 ослабляет поле машины. Следовательно, реакция якоря в синхронном генераторе при чисто индуктивной нагрузке оказывает продольно-размагничивающее действие.

В отличие от реакции якоря при активной нагрузке в рассматриваемом случае магнитное поле не искажается.

При этом происходит усиление магнитного поля возбуждения. Таким образом, при чисто емкостной нагрузке синхронного генератора реакция якоря оказывает продольно-намагничивающее действие. Магнитное поле при этом не искажается.

Рис. 2.6. Магнитное поле синхронного генератора при активной нагрузке

Рис. 2.7. Реакция якоря при смешанной нагрузке

При активно-индуктивной нагрузке (рис. 2.7, а) вектор отстает от вектора на угол 0 < ш 1 < 90° . Разложим вектор F 1 на оставляющие: продольную составляющую МДС статора, F 1 d = F 1 sin ш 1 и поперечную составляющую МДС статора F 1 q = F 1 cos ш 1 . Такое же разложение МДС якоря F 1 на составляющие можно сделать в случае активно-емкостной нагрузки (рис. 2.7, б). Поперечная составляющая МДС статора F 1 q , представляющая собой МДС реакции якоря по поперечной оси, пропорциональна активной составляющей тока нагрузки I q = I 1 cos ш, т. е.

F 1 q = F 1 cos ш 1 , (2.13)

а продольная составляющая МДС статора (якоря) F 1 d представляющая собой МДС реакции якоря по продольной оси, пропорциональна реактивной составляющей тока нагрузки I d = I 1 sin ш 1 , т. е.

F 1 d = F 1 sin ш 1

При этом если реактивная составляющая тока нагрузки отстает по фазе от ЭДС (нагрузка активно-индуктивная), то МДС F 1 d размагничивает генератор, если же реактивная составляющая тока опережает по фазе ЭДС (нагрузка активно-емкостная), то МДС F 1 d подмагничивает генератор.

Направление вектора F 1 d относительно вектора определяется характером реакции якоря, который при токе нагрузки, отстающем по фазе от ЭДС, является размагничивающим, а при токе, опережающем по фазе ЭДС, -- подмагничивающим.

Определить продольную и поперечную составляющие МДС статора (якоря) трехфазного синхронного генератора номинальной мощностью 150 кВА при напряжении 6,3 кВ, если его четырехполюсная обмотка статора с обмоточным коэффициентом k об1 = 0,92 содержит в каждой фазе по w 1 = 312 последовательно соединенных витков. Нагрузка генератора номинальная при cos = ш 1 0,8.

Решение. Ток нагрузки номинальный

I 1 = S ном / (U 1ном) = 150/ (6,3) = 13,76 А.

Максимальное значение МДС трехфазной обмотки статора по (9. IS)

F 1 =1,35 I 1 w 1 k o6l / p = l,3513,763120,92 / 2 = 2666 A.

Поперечная составляющая МДС статора по (2.13)

F 1 q = F 1 cos ш 1 = 2666 * 0,8 = 2133 А.

Продольная составляющая МДС статора по (2.14)

F 1 d = F 1 sin ш 1 = 2666 * 0,6 = 1600 А.

Магнитодвижущие силы реакции якоря по продольной F 1 d и поперечной F 1 q осям создают в магнитопроводе синхронной машины магнитные потоки реакции якоря. Основные гармоники этих потоков: по продольной оси

Ф 1 d = F 1 d / R м d = F 1 sin ш 1 / R м d ; (2.15)

по поперечной оси

Ф 1 q = F 1 q / R м q = F 1 cos ш 1 / R м q ; (2.16)

где R м d и R м q -- магнитные сопротивления синхронной машины потокам основной гармоники по продольной и поперечной осям.

В неявнополюсной машине воздушный зазор по периметру расточки статора равномерен, а поэтому магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям равны (R м d = R м q = R м).

Магнитные потоки реакции якоря, сцепляясь с обмоткой статора, наводят в этой обмотке ЭДС реакции якоря:

по продольной оси

по поперечной оси

Здесь х а -- индуктивное сопротивление реакции якоря, представляющее собой главное индуктивное сопротивление обмотки статора (Ом):

x a = 2,5 10 -6 m 1 f 1 , (2.19)

где D 1 -- внутренний диаметр сердечника статора, м; l i -- расчетная длина сердечника статора, м; д -- воздушный зазор, м.

В явнополюсных синхронных машинах магнитные сопротивления машины потокам основной гармоники по продольной и поперечной осям не одинаковы (R м q > R м d):

R м d = R м / k d (2.20)

R м q = R м / k q (2.21)

где R м -- магнитное сопротивление машины при равномерном воздушном зазоре по всему периметру расточки статора.

Это обстоятельство оказывает влияние на значения магнитных потоков реакции якоря, а следовательно, и на ЭДС реакции якоря. Количественно это влияние учитывается коэффициентами формы

= - j x a k q = - j x ad sin ш 1 (2.22)

= - j x aq k q = - j x aq cos ш 1 . (2.23)

Здесь x ad и x aq -- индуктивные сопротивления реакции якоря явнополюсной машины: по продольной оси

x ad = x a k d ; (2.24)

по поперечной оси

x aq = x a k q . (2.25)

2. 4 Уравнения напряжений синхронного генератора

Напряжение на выводах генератора, работающего с нагрузкой, отличается от напряжения этого генератора в режиме х.х. Это объясняется влиянием ряда причин: реакцией якоря, магнитным потоком рассеяния, падением напряжения в активном сопротивлении обмотки статора.

Как было установлено, при работе нагруженной синхронной машины в ней возникает несколько МДС, которые, взаимодействуя, создают результирующий магнитный поток. Однако при учете факторов, влияющих на напряжение синхронного генератора, условно исходят из предположения независимого действия всех МДС генератора, т. е. предполагается, что каждая из МДС создает собственный магнитный поток.

Но следует отметить, что такое представление не соответствует физической сущности явлений, так как в одной магнитной системе возникает один лишь магнитный поток - результирующий. Но в данном случае предположение независимости магнитных потоков дает возможность лучше понять влияние всех факторов на работу синхронной машины.

Итак выясним, каково же влияние магнитодвижущих сил на работу явнополюсного синхронного генератора.

1. МДС обмотки возбуждения F в0 , создает магнитный поток возбуждения Ф 0 , который, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней основную ЭДС генератора Е 0 .

2. МДС реакции якоря по продольной оси F 1 d создает магнитный поток Ф 1 d , который наводит в обмотке статора ЭДС реакции якоря E 1 d [см. (2.22)], значение которой пропорционально индуктивному сопротивлению реакции якоря по продольной оси х ad [см. (2.24)]. Это сопротивление характеризует уровень влияния реакции якоря по продольной оси на работу синхронного генератора. Так, при насыщенной магнитной системе машины магнитный поток реакции якоря Ф 1 d меньше, чем при ненасыщенной магнитной системе. Объясняется это тем, что поток Ф 1 d почти полностью проходит по стальным участкам магнитопровода, преодолевая небольшой воздушный зазор (см. рис. 2.3, а), а поэтому при магнитном насыщении сопротивление этому потоку заметно возрастает. При этом индуктивное сопротивление x 1 d уменьшается.

3. МДС реакции якоря по поперечной оси F 1 q создает магнитный поток Ф 1 q , который наводит в обмотке статора ЭДС Е 1 q [см. (2.23)], значение которой пропорционально индуктивному сопротивлению реакции якоря по поперечной оси x aq [см. (2.25)]. Сопротивление х aq не зависит от магнитного насыщения машины, так как при явнополюсном роторе поток Ф 1 q проходит в основном по воздуху межполюсного пространства (см. рис. 2.3, б).

4. Магнитный поток рассеяния обмотки статора Ф у 1 (см. рис. 1.4) наводит в обмотке статора ЭДС рассеяния Е у 1 , значение которой пропорционально индуктивному сопротивлению рассеяния фазы обмотки статора х 1:

= - j x 1 . (2.26)

5. Ток в обмотке статора I 1 создает активное падение напряжения в активном сопротивлении фазы обмотки статора r 1:

= r 1 (2.27)

Геометрическая сумма всех перечисленных ЭДС, наведенных в обмотке статора, определяет напряжение на выходе синхронного генератора:

= . (2.28)

Здесь -- геометрическая сумма всех ЭДС, наведенных в обмотке статора результирующим магнитным полем машины, образованным совместным действием всех МДС (F в.0 , F 1 d , F 1 q) и потоком рассеяния статора Ф у 1 .

Активное сопротивление фазы обмотки статора r 1 у синхронных машин средней и большой мощности невелико, и поэтому даже при номинальной нагрузке падение напряжения I 1 r 1 составляет настолько малую величину, что с некоторым допущением можно принять I 1 r 1 = 0. Тогда уравнение (2.28) можно записать в виде

Выражения (2.28) и (2.29) представляют собой уравнения напряжений явнополюсного синхронного генератора.

В неявнополюсных синхронных генераторах реакция якоря характеризуется полной МДС статора F 1 без разделения ее по осям, так как в этих машинах магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям одинаковы. Поэтому ЭДС статора в неявнополюсных машинах Е 1 , равная индуктивному падению напряжения в обмотке статора, пропорциональна индуктивному сопротивлению реакции якоря х а [см. (2.19)], т. е.

Поток реакции якоря Ф 1 и поток рассеяния статора Ф у1 создаются одним током I 1 [сравните (2.26) и (2.30)], поэтому индуктивные сопротивления х а и х 1 можно рассматривать как суммарное индуктивное сопротивление

х с = х а + х 1 ,

представляющее собой синхронное сопротивление неявнополюсной машины. С учетом этого ЭДС реакции якоря Е 1 и ЭДС рассеяния Е у1 следует рассматривать также как сумму представляющую собой синхронную ЭДС неявнополюсной машины. С учетом изложенного уравнение напряжений неявнополюсного синхронного генератора имеет вид

2. 5 Векторные диаграммы синхронного генератора

Воспользовавшись уравнением ЭДС (2.28), построим векторную диаграмму явнополюсного синхронного генератора, работающего на активно-индуктивную нагрузку (ток отстает по фазе от ЭДС). Векторную диаграмму строят на основании следующих данных: ЭДС генератора в режиме х.х. ; тока нагрузки, и его угла сдвига ш 1 , относительно ЭДС; продольного х ad и поперечного х aq индуктивных сопротивлений реакции якоря; активного сопротивления фазной обмотки статора r 1 .

При симметричной нагрузке генератора диаграмму строят лишь для одной фазы.

Рис. 2.8. Векторные диаграммы явнополюсного (а и б) и неявнополюсного (в и г) синхронных генераторов: а и в -- при активно-индуктивной нагрузке; б и г -- при активно-емкостной нагрузке.

Рассмотрим порядок построения векторной диаграммы (рис 2.8, а). В произвольном направлении откладываем вектор ЭДС и под углом ш 1 к нему -- вектор тока. Последний разложим на составляющие: реактивную = sin ш 1 , и активную = sin ш 1 . Далее, из конца вектораоткладываем векторы ЭДС,

Соединив конец вектора с точкой О, получим вектор напряжения, значение которого равно геометрическом сумме векторов ЭДС [см. (2.28)].

При построении векторной диаграммы генератора, работающего на активно-емкостную нагрузку (ток опережает по фазе ЭДС), вектор тока, откладывают влево от вектора ЭДС (рис. 2.8, б), а направление вектора устанавливают согласно с направлением вектора ЭДС, так как при емкостном характере нагрузки реакция якоря имеет подмагничивающий характер. В остальном порядок построения диаграммы остается прежним.

Векторную диаграмму синхронного неявнополюсного генератора строят на основании уравнения (2.32), при этом вектор откладывают под углом ш 1 к вектору тока (рис. 2.8,в)

Следует отметить, что построенные векторные диаграммы не учитывают насыщения магнитной цепи, поэтому отражают лишь качественную сторону явлений. Но тем не менее эти диаграммы дают возможность сделать следующие выводы: основным фактором, влияющим на изменение напряжения нагруженного генератора, является продольная составляющая магнитного потока якоря, создающая ЭДС; при работе генератора на активно-индуктивную нагрузку, т. е. с током, отстающим по фазе от ЭДС, напряжение на выводах обмотки статора, с увеличением нагрузки уменьшается, что объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря. При работе генератора на активно-емкостную нагрузку (с током, опережающим по фазе ЭДС) напряжение с увеличением нагрузки повышается, что объясняется подмагничивающим влиянием реакции якоря (рис. 2.8, г).

2. 6 Характеристики синхронного генератора

Свойства синхронного генератора определяются характеристиками холостого хода, короткого замыкания, внешними и регулировочными.

Характеристика холостого хода синхронного генератора. Представляет собой график зависимости напряжения на выходе генератора в режиме х.х. U 1 = Е 0 от тока возбуждения I в. 0 при n 1 = const. Схема включения синхронного генератора для снятия характеристики х.х. приведена на рис. 2.9, а. Если характеристики х.х. различных синхронных генераторов изобразить в относительных единицах Е * = f (I в *), то эти характеристики мало отличаются друг от друга и будут очень схожи с нормальной характеристикой х.х. (риc. 2.9, б), которую используют при расчетах синхронных машин:

Здесь E * = Е 0 / U 1 ном -- относительная ЭДС фазы обмотки статора;

I в* = I в0 /I в0ном -- относительный ток возбуждения; I в0ном -- ток возбуждения в режиме х.х., соответствующий ЭДС х.х. Е 0 = U 1ном

Характеристика короткого замыкания. Характеристику трехфазного к.з. получают следующим образом: выводы обмотки статора замыкают накоротко (рис. 2.10, а) и при вращении ротора с частотой вращения n 1 постепенно увеличивают ток возбуждения до значения, при котором ток к.з. превышает номинальный рабочий ток статорной обмотки не более чем на 25% (I 1к = l,25 I 1ном). Так как в этом случае ЭДС обмотки статора имеет значение, в несколько раз меньшее, чем в рабочем режиме генератора, и, следовательно, основной магнитный поток весьма мал, то магнитная цепь машины оказывается ненасыщенной. По этой причине характеристика к.з. представляет собой прямую линию (рис. 2.10, б). Активное сопротивление обмотки статора невелико по сравнению с ее индуктивным сопротивлением, поэтому, принимая r 1 ? 0, можно считать, что при опыте к.з. нагрузка синхронного генератора (его собственные обмотки) является чисто индуктивной. Из этого следует, что при опыте к.з. реакция якоря синхронного генератора имеет продольно-размагничивающий характер (см. § 2.3).

Подобные документы

Принцип действия и структура синхронных машин, основные элементы и их взаимодействие, сферы и особенности применения. Устройство и методика использования машин постоянного тока, их разновидности, оценка Э.д.с., электромагнитного момента этого типа машин.

учебное пособие , добавлен 23.12.2009


Системы возбуждения синхронных генераторов. Изменение величины выпрямленного напряжения. Системы автоматического регулирования возбуждения синхронных генераторов. Изменение тока возбуждения синхронного генератора. Активное сопротивление обмотки.

контрольная работа , добавлен 19.08.2014


Проектирование синхронных генераторов Marathon Electric, состоящих из главного статора и ротора, статора и ротора возбудителя, вращающегося выпрямителя и регулятора напряжения. Характеристики и механический расчет синхронных двигателей серии Magnaplus.

курсовая работа , добавлен 19.09.2012


Конструкция, принцип работы силовых масляных трансформаторов, синхронных турбогенераторов, синхронных явнополюсных двигателей и асинхронных двигателей. Расчет установившейся работы в узле нагрузки и при пониженном напряжении, оценка работы оборудования.

курсовая работа , добавлен 17.11.2009


Общие понятия и определение электрических машин. Основные типы и классификация электрических машин. Общая характеристика синхронного электрического двигателя и его назначение. Особенности испытаний синхронных двигателей. Ремонт синхронных двигателей.

дипломная работа , добавлен 03.12.2008


Электромагнитная и электрическая схема синхронных машин. Конструкция явнополюсного ротора. Характеристика синхронного генератора, синхронное индуктивное сопротивление. Угловые характеристики и регулирование реактивной мощности, реактивный момент.

презентация , добавлен 09.11.2013


Исследование назначения машин переменного тока, их места в системе энергоснабжения. Анализ принципа действия трансформатора. Характеристика его работы в режиме холостого хода и короткого замыкания. Оценка качества работы магнитной системы трансформатора.

презентация , добавлен 21.10.2013


Роль и значение машин постоянного тока. Принцип работы машин постоянного тока. Конструкция машин постоянного тока. Характеристики генератора смешанного возбуждения.

реферат , добавлен 03.03.2002


Принцип работы и устройство генератора постоянного тока. Типы обмоток якоря. Способы возбуждения генераторов постоянного тока. Обратимость машин постоянного тока. Двигатель параллельного, независимого, последовательного и смешанного возбуждения.

реферат , добавлен 17.12.2009


Выбор синхронных генераторов, их технические параметры. Выбор двух структурных схем электрической станции, трансформаторов и автотрансформаторов связи. Технико-экономическое сравнение всех вариантов. Выбор и обоснование упрощенных схем всех напряжений.

Характеристики системы возбуждения определяются сочетанием свойств источника питания обмотки возбуждения и устройств автоматического регулирования. Системы возбуждения должны обеспечивать:

1) надежное питание обмотки ротора синхронной машины во всех режимах, в том числе и при авариях;

2) устойчивое регулирование тока возбуждения при изменении нагрузки в пределах номинальной;

3) достаточное быстродействие;

4) форсировку возбуждения.

Системы возбуждения классифицируются в зависимости от источника питания-обмотки возбуждения на зависимые (самовозбуждение) и независимые. Зависимая - питается от главной или дополнительной обмотки якоря возбуждаемого генератора. Независимая питается от других источников (от шин собственных нужд станции, от возбудителя или вспомогательного генератора).

Среди независимых систем возбуждения различают:

а) прямые системы возбуждения, в которых ротор возбудителя или вспомогательного генератора находится на одном валу с ротором
синхронной машины или сопрягается с ним редуктором скорости;

б) косвенные системы возбуждения, в которых ротор возбудителя или вспомогательного генератора приводится во вращение синхронным или асинхронным двигателем, специально установленным для этой цели.

До 60-х годов прошлого века применялись прямые электромашинные системы возбуждения, в которых обмотка возбуждения синхронной машины питается от коллекторного генератора постоянного тока - возбудителя (рис. 24.26, а).

В соответствии с ГОСТ 533-76, ГОСТ 5616-81 и ГОСТ 609-75 турбо- и гидрогенераторы и синхронные компенсаторы могут иметь только обладающие наибольшей надежностью прямую систему возбуждения или систему самовозбуждения. Но электромашинные системы возбуждения по условиям коммутации не могут применяться в турбогенераторах мощностью 200 МВт и выше, у которых мощность возбуждения превышает 800-1000 кВт.

В. настоящее время все большее распространение получают вентильные системы возбуждения . Они применяются для синхронных двигателей и генераторов небольшой мощности, а также для крупных турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов, в том числе и для установок предельных мощностей.

Различают три основные разновидности вентильных систем возбуждения.

1. Независимая вентильная система возбуждения (рис. 24.26, б), в которой питание обмотки возбуждения осуществляется от вспомогательного синхронного генератора, ротор которого укреплен на валу главного генератора. В схемах выпрямителей в этом случае используются полупроводниковые вентили (кремниевые диоды или тиристоры), собранные по трехфазной мостовой схеме. При регулировании возбуждения генератора используются одновременно возможности управления выпрямителями и возможности изменения напряжения вспомогательного генератора.

2. Бесщеточная система возбуждения, которая отличается от независимой вентильной системы (рис. 24.26, б )тем, что имеет обращенный вспомогательный синхронный генератор, у которого обмотка переменного тока 3 размещается на роторе. Выпрямитель 5, получающий питание от этой обмотки, расположен на валу главного генератора. Преимуществом данной системы является отсутствие скользящих контактов, которые в мощных турбогенераторах должны быть рассчитаны на тысячи ампер

3 . Система самовозбуждения (рис. 24.26, в), в которой питание обмотки возбуждения производится от главной или дополнительной обмотки якоря. Выпрямление переменного тока осуществляется с помощью тиристоров. Отбор энергии осуществляется с помощью трансформаторов 9 и 7, включенных соответственно параллельно и последовательно с обмоткой статора. Трансформатор 7 позволяет обеспечить форсирование возбуждения при близких коротких замыканиях, когда напряжение на обмотке якоря существенно снижается. Система самовозбуждения имеет по сравнению с другими системами более высокую надежность и меньшую стоимость из-за отсутствия в ней возбудителя или вспомогательного генератора.

Важными параметрами систем возбуждения являются номинальная скорость нарастания напряжения возбуждения, номинальное напряжение возбуждении, кратность форсировки возбуждения.

Номинальное напряжение возбуждения - напряжение на выводах обмотки возбуждения при питании ее номинальным током возбуждения и сопротивлении обмотки, приведенном к расчетной рабочей температуре.

Кратность форсировки возбуждения - отношение наибольшего установившегося значения напряжения возбуждения к номинальному напряжению возбуждения.

В схеме возбуждения предусматривается специальное устройство, с помощью которого можно в аварийной ситуации достаточно быстро уменьшить ток возбуждения до нуля (погасить магнитное поле ). Например, при внутренних коротких замыканиях в обмотке статора гашение поля осуществляется с помощью автомата гашения поля, который замыкает обмотку возбуждения на специальный гасительный резистор.

Для удержания синхронной машины в синхронизме при снижении напряжения сети при удаленных коротких замыканиях прибегают к форсированию ее тока возбуждения. Форсирование производится автоматически релейной защитой машины. Эффективность форсировки характеризуется кратностью форсировки возбуждения.

Конструктивная схема машины. Синхронные машины выполняют с неподвижным или вращающимся якорем. Машины большой мощности для удобства отвода электрической энергии со статора или подвода ее выполняют с неподвижным якорем (рис. 1.2, а)

Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3-3%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух колец не вызывает особых затруднений. Синхронные машины небольшой мощности выполняют как с неподвижным, так и с вращающимся якорем.

Рис. 1.2 - Конструктивная схема синхронной машины

с неподвижным и вращающимся якорем:

1 - якорь, 2 - обмотка якоря, 3 - полюсы индуктора,

4 - обмотка возбуждения, 5 - кольца и щетки

Синхронную, машину с вращающимся якорем и неподвижным индуктором (рис. 1.2, б ) называют обращенной.

Рис. 1.3 - Роторы синхронной явнополюсной (а) и неявнополюсной (6) машин:

1 - сердечник ротора, 2 - обмотка возбуждения

Конструкция ротора

Конструкция ротора. В машине с неподвижным якорем применяют две конструкции ротора: явнополюсную - с явно выраженными полюсами (рис. 1.3, а) и неявнополюсную - с неявно выраженными полюсами (рис. 1.3, б ). Явнополюсный ротор обычно используют в машинах с четырьмя и большим числом полюсов. Обмотку возбуждения выполняют в этом случае в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках полюсов и укрепляют при помощи полюсных наконечников. Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготовляют из стали. Двух- и четырехполюсные машины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1500 и 3000 об/мин, изготовляют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения необходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотку возбуждения в такой машине размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки, и укрепляют немагнитными клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят при помощи стальных массивных бандажей. Для получения распределения магнитной индукции, близкого к синусоидальному, обмотку возбуждения укладывают в пазы, занимающие 2 / 3 каждого полюсного деления.

Рис. 1.4 - Устройство явнополюсной машины:

1 - корпус, 2 - сердечник статора, 3 - обмотка статора, 4 - ротор,

5 - вентилятор, 6 - выводы обмотки статора, 7 - контактные кольца,

8 - щетки, 9 - возбудитель

На рис. 1-4 показано устройство явнополюсной синхронной машины. Сердечник статора собран из изолированных листов электротехнической стали и на нем расположена трехфазная обмотка якоря. На роторе размещена обмотка возбуждения.

Полюсным наконечникам в явнополюсных машинах обычно придают такой профиль, чтобы воздушный зазор между полюсным наконечником и статором был минимальным под серединой полюса и максимальным у его краев, благодаря чему кривая распределения индукции в воздушном зазоре приближается к синусоиде.

В синхронных двигателях с явнополюсным ротором в полюсных наконечниках размещают стержни пусковой обмотки (рис. 1-5), выполненной из материала с повышенным удельным сопротивлением (латуни и др.). Такую же обмотку (типа «беличья клетка»), состоящую из медных стержней, применяют и в синхронных генераторах; ее называют успокоительной или демпферной обмоткой, так как она обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих при переходных режимах работы синхронной машины. Если синхронная машина выполнена с массивными полюсами, то в этих полюсах при пуске и переходных режимах возникают вихревые токи, действие которых эквивалентно действию тока в короткозамкну-тых обмотках. Затухание колебаний ротора при переходных процессах обеспечивается в этом случае вихревыми токами, замыкающимися в массивном роторе.

Возбуждение синхронной машины

Возбуждение синхронной машины. В зависимости от способа питания обмотки возбуждения различают системы независимого возбуждения и самовозбуждения. При независимом возбуждении в качестве источника для питания обмотки возбуждения служит генератор постоянного тока (возбудитель), установленный на валу ротора синхронной машины (рис. 1.6, а ), или же отдельный вспомогательный генератор, приводимый во вращение синхронным или асинхронным двигателем.

При самовозбуждении обмотка возбуждения питается от обмотки якоря через управляемый или неуправляемый выпрямитель - полупроводниковый или ионный (рис. 1.6, б ). Мощность, необходимая для возбуждения, невелика и составляет 0,3-3% от мощности синхронной машины.

В мощных генераторах иногда кроме возбудителя применяют подвозбудитель - небольшой генератор постоянного тока, служащий для возбуждения основного возбудителя. В качестве основного возбудителя в этом случае может быть использован синхронный генератор совместно с полупроводниковым выпрямителем. В настоящее время питание обмотки возбуждения через полупроводниковый выпрямитель, собранный на диодах или на тиристорах, все более широко применяют как в двигателях и генераторах небольшой и средней мощности, так и в мощных турбо- и гидрогенераторах (тиристорная система возбуждения). Регулирование тока возбуждения I в осуществляется автоматически специальными регуляторами возбуждения, хотя в машинах небольшой мощности применяется регулирование и вручную реостатом, включенным в цепь обмотки возбуждения.

В последнее время в мощных синхронных генераторах начали применять так называемую бесщеточную систему возбуждения (рис. 8-6, в). При этой системе в качестве возбудителя используют синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу.

Рис. 1.5 - Размещение пусковой обмотки в синхронных двигателях:

1-полюсы ротора, 2-короткозамыкающие кольца, 3 - стержни беличьей клетки,

4 - полюсные наконечники

Обмотка возбуждения возбудителя получает питание от подвозбудителя через регулятор напряжения. При таком способе возбуждения в цепи питания обмотки возбуждения генератора отсутствуют скользящие контакты, что существенно повышает надежность системы возбуждения. При необходимости форсирования возбуждения генератора повышают напряжение возбудителя и увеличивают выходное напряжение выпрямителя.

Синхронная машина в обычном исполнении состоит из неподвижной части - статора, в пазах которого помещается трехфазная обмотка, и вращающейся части - ротора с электромагнитами, к обмотке которых подводится постоянный ток при помощи контактных колец и наложенных на них щеток (рис. 1). Статор синхронной машины ничем не отличается от статора асинхронной машины. Ротор её выполняется или явнополюсным (с выступающими полюсами, рис. 1), или неявнополюсным (цилиндрический ротор, рис. 2).

Рис. 1 Явнополюсная синхронная машина (2 p = 8). Рис. 2 Неявнополюсная синхронная машина (2 p = 2).

В зависимости от рода первичного двигателя, которым приводится во вращение синхронный генератор, применяются названия: паротурбинный генератор или сокращенно турбогенератор (первичный двигатель - паровая турбина), гидротурбинный генератор или сокращенно гидрогенератор (первичный двигатель - гидравлическая турбина) и дизель-генератор (первичный двигатель - дизель). Турбогенераторы - быстроходные неявнополюсные машины, выполняемые в настоящее время, как правило, с двумя полюсами. Турбогенератор вместе с паровой турбиной, с которой он механически соединяется называется турбоагрегатом.

Гидрогенераторы - в обычных случаях тихоходные явнополюсные машины, выполняемые с большим числом полюсов и с вертикальным валом

Дизель-генераторы представляют собой в большинстве случаев машины с горизонтальным валом. Синхронные машины небольшой мощности иногда выполняются с неподвижными электромагнитами, помещенными на статоре, и обмоткой переменного тока, заложенной в пазы ротора, изготовленного из листовой электротехнической стали; в этом случае обмотка переменного тока соединяется с внешней цепью через контактные кольца и щетки.

Ту часть синхронной машины, в обмотке которой наводится э. д. с. , называют якорем. Электромагниты (полюсы) вместе с замыкающим их ярмом образуют полюсную систему; ее называют индуктором. В синхронных машинах обычной конструкции статор служит якорем, ротор - полюсной системой. Основные преимущества конструкции с вращающимися полюсами заключаются в том, что здесь возможно осуществить более надежную изоляцию обмотки неподвижного якоря, более просто, без скользящих контактов соединить ее с сетью переменного тока.

Устройство скользящих контактов для подвода постоянного тока в обмотке электромагнитов, называемой обмоткой возбуждения, не представляет затруднений, так как мощность, подводимая к этой обмотке, составляет небольшую долю [(0, 3 - 2)%] номинальной мощности машины. Кроме того, нужно отметить, что в современных мощных турбогенераторах, работающих с частотой вращения 3000 об/мин, окружная частота ротора достигает 180 - 185 м/сек; при такой частоте не представлялось бы возможным выполнить вращающийся якорь, собранный из тонких листов, механически достаточно прочным.

Ротор современного турбогенератора выполняется из цельной стальной поковки, высокого качества. Катушки обмотки возбуждения закладываются в пазы, выфрезерованные на внешней поверхности ротора, и закрепляются в пазах прочными металлическими клиньями. Лобовые части обмотки возбуждения закрываются кольцевыми бандажами, выполненными из особо прочной стали. Ток для питания обмотки возбуждения синхронная машина получает обычно от небольшого генератора постоянного тока, помешенного на общем валу с ней или механически с ней соединенного. Такой генератор называется возбудителем. В случае мощного турбогенератора вал возбудителя с валом турбо генератора соединяется при помощи полуэластичной муфты.

В синхронных генераторах применяют два основных способа возбуждения: независимое (рис. а.) и самовозбуждение (рис. б.)

При независимом возбуждении обмотка возбуждения питается от генератора постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения, расположенного на валу ротора синхронного генератора и вращающегося вместе с ним (большой мощности). При самовозбуждении питание обмотки возбуждения осуществляется самим синхронным генератором через выпрямитель (малой и средней мощности).

При помощи первичного двигателя роториндуктор вращается. Магнитное поле находится на роторе и вращается вместе с ним, поэтому скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля – отсюда название синхронная машина.

При вращении ротора магнитный поток полюсов пересекает статорную обмотку и наводит в ней ЭДС по закону электромагнитной индукции: E = 4, 44*f*w*kw*Ф, где: f – частота переменного тока, Гц; w – количество витков; kw – обмоточный коэффициент; Ф – магнитный поток. Частота индуктированной ЭДС (напряжения, тока) синхронного генератора: f =p *n/60, где: р – число пар полюсов; n – скорость вращения ротора, об/мин.

Заменив в: E = 4, 44*(п*р/60)*w*kw*Ф и, определив что: 4, 44*(р/60)*w*kw – относится к конструкции машины и создаёт конструктивный коэффициент: C = 4. 44*(р/60)*w*kw. Тогда: Е = СЕ*n*Ф. Таким образом, как и у любого генератора, основанного на законе электромагнитной индукции, индуктированная ЭДС пропорциональна магнитному потоку машины и скорости вращения ротора.

Синхронные машины применяются также в качестве электрического двигателя, особенно в установках большой мощности (свыше 50 к. Вт)

Для работы синхронной машины в режиме двигателя обмотку статора подключают к трёхфазной сети, а обмотку ротора к источнику постоянного тока. В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля машины с постоянным током обмотки возбуждения, возникает вращающий момент М, который увлекает его со скоростью магнитного поля.

Для включения генератора в сеть необходимо: одинаковое чередование фаз в сети и генераторе; равенство напряжения сети и ЭДС генератора; равенство частот ЭДС генератора и напряжения сети; включать генератор в тот момент, когда ЭДС генератора в каждой фазе направлена встречно напряжению сети. Невыполнение этих условий ведёт к тому, что в момент включения генератора в сеть возникают токи, которые могут оказаться большими и вывести генератор из строя.