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.

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.

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.

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.

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.

(= 0). На рис. 2.5, а представлены статор и ротор двухполюсного генератора. На статоре показана часть фазной обмотки. Ротор явнополюсный, вращается против движения часовой стрелки. В рассматриваемый момент времени ротор занимает вертикальное положение, что соответствует максимуму ЭДС в фазной обмотке. Так как ток при активной нагрузке совпадает по фазе с ЭДС, то указанное положение ротора соответствует также и максимуму тока. Изобразив линии магнитной индукции поля возбуждения (ротора) и линии магнитной индукции поля обмотки статора, видим, что МДС статора направлена перпендикулярно МДС возбуждения. Этот вывод также подтверждается векторной диаграммой, построенной для этого же случая. Порядок построения этой диаграммы следующий: в соответствии с пространственным положением ротора генератора проводим вектор МДС возбуждения; под углом 90° к этому вектору в сторону отставания проводим вектор ЭДС, наведенной магнитным полем возбуждения в обмотке статора; при подключении чисто активной нагрузки ток в обмотке статора,

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 .

(= 90°). При чисто индуктивной нагрузке генератора ток статора отстает по фазе от ЭДС на 90°. Поэтому он достигает максимального значения лишь после поворота ротора вперед на 90° относительно его положения, соответствующего максимуму ЭДС (см. рис. 2.5, 6). При этом МДС действует вдоль оси полюсов ротора встречно МДС возбуждения. В этом мы также убеждаемся, построив векторную диаграмму.

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.

(ш = - 90° ). Так как ток, при емкостной нагрузке опережает по фазе ЭДС на 90°, то своего большего значения он достигает раньше, чем ЭДС, т. е. когда ротор займет положение, показанное на рис. 2.5, в. Магнитодвижущая сила статора так же, как и в предыдущем случае, действует по оси полюсов, но теперь уже согласно с МДС возбуждения.

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.

При смешанной нагрузке синхронного генератора ток статора сдвинут по фазе относительно ЭДС на угол ш 1 , значения которого находятся в пределах 0 < ш 1 < ± 90° . Для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря при смешанной нагрузке воспользуемся диаграммами МДС, представленными на рис. 2.7.

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.