ЛЕКЦІЯ 37

РОЗДІЛ 5 СИНХРОННІ МАШИНИ

Синхронні машини – це безколекторні машини змінного струму. За своєю будовою вони відрізняються від асинхронних тільки конструкцією ротора, який може бути явнополюсним або неявнополюсним. Що стосується властивостей, то синхронні машини відрізняються синхронною частотою обертання ротора і магнітного поля (n₂ = n₁ = n = const) при будь-якому навантаженні. Крім цього, такі машини мають можливість регулювання коефіцієнта потужності, встановлюючи його значення таким, при якому робота синхронної машини стає найбільш ефективною.

Синхронні машини використовуються як генератори, двигуни і як компенсатори, що регулюють реактивну потужність мережі, підвищуючи ефективність її роботи.

ТЕМА 5.1 ПРИНЦИП ДІЇ ТА КОНСТРУКЦІЯ СИНХРОННИХ ГЕНЕРАТОРІВ

Синхронні генератори складають основу електротехнічного обладнання електростанцій, тобто, практично, вся електроенергія виробляється синхронними генераторами на теплових, атомних, гідро- та пересувних електростанціях. Одинична потужність сучасних синхронних генераторів досягає мільйона кіловат і більше.

5.1.1 ПРИНЦИП ДІЇ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Принцип дії однофазного генератора можна пояснити за допомогою макета генератора постійного струму (рис.1.1), якщо в ньому півкільця замінити контактними кільцями (рис.5.1, а).

При обертанні електропровідної рамки в магнітному полі з кутовою частотою обертання w, в її провідниках аb та сd, згідно із законом електромагнітної індукції, створюється змінна ЕРС е_А, миттєве значення якої визначиться за (1.1). Наявність контактних кілець (замість півкілець, як у генератора постійного струму) дозволяє мати однофазний змінний струм навантаження.

Щоб отримати трифазний струм в макеті (рис. 5.1, а) необхідно додати ще дві рамки В і С, зсунувши їх в просторі на електричний кут в 120 ⁰ ел. При цьому в кожній рамці будуть створюватись ЕРС, миттєві значення яких зсунуті в часі на кут 120 ⁰:

е_А = Е_{макс *}sin(wt);(5.1)

е_В = Е_{макс *}sin(wt – 120 ⁰);(5.2)

е_С = Е_{макс *}sin(wt – 240 ⁰).(5.3)

Враховуючи, що рамки обертаються, для ввімкнення трифазного навантаження, в макеті (рис. 5.1, а) слід передбачити чотири контактні кільця (три фазні та одне нейтрального виводу). Така конструкція синхронного генератора називається зворотною і може іноді застосовуватись для генераторів порівняно невеликої потужності.

В сучасних синхронних генераторах використовується пряма конструкція, коли трифазна обмотка якоря (рамки АX, ВY, СZ на макеті) розташовується на статорі (рис. 5.1, б). В електромагнітному відношенні обидві конструкції рівнозначні, але з практичних міркувань, перевага надається прямій конструкції, тому що в цьому випадку до ковзного контакту на роторі підводиться потужність збудження, що складає лише (0,3 – 3) % від номінальної потужності. При зворотній конструкції ковзний контакт довелось би розраховувати на повну потужність машини, але для потужних машин, які мають значні струми і напруги, забезпечити задовільну роботу таких контактів неможливо.

Частота f₁, індукованих в обмотках (рамках) статора ЕРС, пропорційна числу пар полюсів р та

частоті обертання ротора n, тобто f₁ = n _* p /60. Таким чином, для отримання ЕРС визначеної частоти, число пар полюсів машини і її частота обертання повинні мати чітко визначену залежність між собою. Так, для отримання стандартної частоти f₁ = 50Гц при р = 1 необхідно обертати ротор з частотою n = 3000 об/хв. (w = 314р/с), а при р = 24 –з частотою обертання n = 125 об/хв. (w = 13р/с).

Якщо до трифазної обмотки ввімкнути навантаження, то струми, які при цьому виникнуть, створять обертове магнітне поле якоря. Це поле буде обертатися відносно статора з частотою обертання згідно з (3.32) n₁ = 60 f₁ / p. Підставивши в цю формулу значення частоти f₁ з (3.3), отримаємо рівність (синхронність) частот обертання магнітного поля і ротора n₁ = n, що і є характерною особливістю синхронної машини, яка зумовила її назву.

При прямій конструкції синхронного генератора основне магнітне поле створюється постійним струмом, що підводиться до обмотки збудження, і обертається разом з ротором, тому результатне магнітне поле, створене загальною дією обмоток статора і ротора має ту ж частоту обертання.

У зворотному варіанті конструкції синхронного генератора якір розташований на роторі, а індуктор на статорі, тому основне магнітне поле нерухоме. Магнітне поле, що створюється струмами якоря, обертається відносно ротора з частотою обертання n₁ в напрямі, зворотному напряму обертання ротора, враховуючи, що n₁ = n, поле якоря буде нерухомим відносно статора. Таким чином, при обох варіантах конструкції магнітні поля статора і ротора, створюючи результатне поле, будуть нерухомими відносно одне одного.

5.1.2 КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ СИНХРОННИХ ГЕНЕРАТОРІВ

Синхронний генератор, як і будь-яка електрична машина, складається з нерухомої частини – статора, та ротора, який обертається привідним двигуном. Статор синхронної машини, в принципі, не відрізняється від статора асинхронної машини, тобто складається з корпуса, осердя та обмотки.

Конструктивне виконання статора синхронної машини може бути різним, в залежності від призначення та габаритів машини. Так, у багатополюсних машинах великої потужності при зовнішньому діаметрі осердя статора більше ніж 900 мм, пластини осердя виконують із окремих сегментів, які при складанні (шихтовці) утворюють циліндр. Корпуси статора великогабаритних генераторів виконують роз’ємними, що необхідно для зручності транспортування і монтажу таких машин.

Ротори синхронних генераторів можуть мати дві конструкції, що принципово відрізняються одна від другої: явнополюсну та неявнополюсну (рис. 5.2).

В залежності від первинного (привідного) двигуна (головним чином, застосовуються три види привідних двигунів: парові турбіни, гідротурбіни та двигуни внутрішнього згорання – дизелі) синхронні генератори поділяються на гідрогенератори (рис. 5.3), турбогенератори (рис. 5.4) та дизель-генератори (рис. 5.5).

Гідрогенератор. Частота обертання гідротурбіни, яка приводить до обертання гідрогенератор, в залежності від потужності турбіни та напору води, складає від 50 до 600 об/хв. Для того щоб при таких частотах обертання отримати змінну напругу частотою в 50 Гц, гідрогенератори мають кілька десятків полюсів. Значна кількість полюсів вимагає і відповідного діаметра явнополюсного ротора,

який у потужних гідрогенераторів складає близько 12 м при довжині осердя статора до 3 м.

Таке співвідношення діаметра та довжини вимагає вертикального розташування гідрогенераторів (рис. 5.3) у просторі і має, пов’язані з цим, конструктивні особливості. Важливим вузлом у них є упорний підшипник ковзання чи підп’ятник, що утримує вагу частин ротора і турбіни, які обертаються, а також сприймає тиск води на лопатки турбіни.

Для сприйняття радіальних зусиль, що діють на ротор, на валу гідрогенератора установлюються один або два направляючих підшипники, один з них біля жорсткого фланцевого з’єднання валів генератора і турбіни.

Механічна міцність різних деталей гідрогенераторів розраховується по, так званій, угінній частоті

обертання, яка в (2 – 3) рази більша від номінальної і може мати місце в результаті розгону ротора при аварійному відмиканні генератора від мережі.

Турбогенератор. Турбогенератори (рис. 5.4) приводяться до обертання паровою турбіною і працюють на теплових та атомних електростанціях. Частота обертання таких генераторів досить висока і складає на теплових станціях 3000 об/хв., а на атомних – 1500 об/хв., тому вони використовуються, відповідно, з однією та двома парами полюсів на роторі неявнополюсної конструкції (рис.5.2, б).

Ротор турбогенератора виконується масивним із цілої поковки високоякісної хромонікелевої чи хромомолібденової сталі, при цьому, за умовами механічної міцності, його діаметр не повинен перевищувати (1,2 – 1,25) м при довжині 6,5 м. На зовнішній поверхні ротора фрезеруються пази прямокутної форми, в які укладають обмотку збудження, її лобові частини закріплюються роторними бандажами. Близько третини полюсної поділки обмоткою не займається, і ця частина ротора утворює, так званий, великий зуб, через який замикається більша частина магнітного потоку генератора. Відводи від обмотки збудження приєднують до контактних кілець на роторі.

Вздовж осі ротора по всій довжині висвердлюється центральний отвір, який служить для дослідження матеріалу центральної частини ротора і для розвантаження поковки від небезпечних внутрішніх напруг.

Дизель-генератор. Дизель-генератор (рис. 5.5) приводиться до обертання двигуном внутрішнього згорання. Як і гідрогенератори, дизель-генератори мають явнополюсну конструкцію ротора і розраховуються на частоту обертання (600 – 1500) об/хв.

Дизель-генератори, в порівнянні з турбогенераторами та гідрогенераторами, мають незначну потужність до сотень кВт і використовуються на пересувних електростанціях, для живлення привідних електродвигунів тепловозів, кораблів тощо.

5.1.3 ЗБУДЖЕННЯ СИНХРОННИХ МАШИН

Більшість синхронних машин мають електромагнітне збудження (рис. 5.6). Джерелами постійного струму для обмоток збудження є спеціальні системи, до яких ставиться низка вимог:

- надійне і стійке регулювання струму збудження в будь-яких режимах роботи машини;

- достатня швидкодія, для чого застосовується форсування збудження, тобто швидке збільшення напруги збудження до максимального значення, що складає (1,8 – 2) від номінальної напруги збудження, таке форсування застосовується для підтримки стійкої роботи машини при аварії та в процесі її

ліквідації;

- швидке гасіння магнітного поля, тобто зниження струму збудження до нуля без значного підвищення напруги в обмотці збудження, яка зростає за рахунок ЕРС самоіндукції, що при цьому буде індукуватися в обмотці при зниженні струму.

Для збудження синхронних машин застосовується кілька систем. Найпростішими з них є контактна електромашинна система збудження з генератором постійного струму, який називають збуджувач З (рис. 5.6, а) або безконтактна з синхронним генератором зворотної конструкції (рис. 5.6, б) та випрямлячем В, що будучи змонтованим на роторі машини, обертається.

Збуджувач, як правило, розташовується на валу синхронного генератора і має обмотку паралельного або незалежного збудження ОЗЗ, джерелом живлення якої є генератор постійного струму (підзбуджувач) ПЗ, з власною обмоткою збудження ОЗПЗ та регулювальним резистором R_рг. На (рис. 5.6) зображені схеми збудження, де збуджувач має незалежне збудження, а на (рис. 5.7, а) – схема з паралельним збудженням збуджувача, яке дозволяє форсувати збудження синхронного генератора контактором К_ф, що шунтує опір R_рг в колі збудження збуджувача. Гасіння магнітного поля (рис.5.7) здійснюється в такій послідовності: вмикається контактор К₂ (шунтуючи опором гасіння R_г, величина якого приблизно в п’ять разів більша, ніж опір обмотки збудження, саму обмотку збудження ОЗ), потім розмикається контактор К₁ і енергія, яка накопичена в обмотці збудження, гаситься на резисторі R_г, що дозволяє запобігти виникненню перенапруги.

Останнім часом замість електромашинного збудження застосовують вентильні системи з діодами чи тиристорами. Ці системи можуть бути побудовані на великі потужності і є більш надійними, ніж електромашинні. У вентильній системі з самозбудженням (рис. 5.7, б) для збудження використовується енергія, що виробляється обмоткою статора генератора, а змінний струм випрямляється в постійний напівпровідниковим перетворювачем НП. Принцип самозбудження тут не відрізняється від принципу самозбудження генераторів постійного струму (див. 1.5.1), а процес форсування збудження – від описаного вище при електромашинному збудженні.

Вентильна система може мати і незалежне збудження від збуджувача – синхронного генератора, ротор якого укріплений на валу основного генератора і виконує роль індуктора, тоді струм збудження основного генератора від збуджувача через випрямляч подається з обмотки статора на контактні кільця. Достоїнством цієї системи є відсутність конструктивно складної колекторної машини.

Різновидом вентильного збудження є безконтактна система збудження (рис. 5.6, б). В цьому випадку на валу основної синхронної машини розміщують якір збуджувача – генератора змінного струму з трифазною обмоткою. Змінний струм цієї обмотки за допомогою випрямляча, закріпленого на роторі машини, перетворюється в постійний і безпосередню, без контактних кілець, подається на обмотку збудження головного генератора. При цьому обмотка збудження збуджувача розташована на статорі і живиться постійним струмом від незалежного джерела. Така система використана для збудження турбогенераторів Запорізької АЕС, потужність кожного з шести яких складає 1000 МВт, а збуджувачів відповідно до 30 МВт.

ЦЕ НЕОБХІДНО ЗАПАМ’ЯТАТИ:

– синхронні машини – це машини змінного струму, магнітне поле, створюване струмами обмотки статора, і ротор яких обертаються з однаковою частотою обертання, тобто синхронно;

– в світі майже вся електрична енергія виробляється синхронними генераторами, що працюють на теплових, гідравлічних, атомних та пересувних електростанціях;

– від привідних двигунів синхронні генератори отримали свої назви турбогенератори, гідрогенератори та дизель-генератори;

– конструктивно синхронні машини виконуються явнополюсними або неявнополюсними;

– для створення основного магнітного поля синхронна машина потребує джерела постійного струму (збуджувача): це може бути генератор постійного струму, напівпровідниковий перетворювач або інше джерело;

Потужні генератори атомних станцій мають безконтактну систему збудження з синхронними генераторами зворотної конструкції та напівпровідниковими випрямлячами, змонтованими на власному роторі.

Дата добавления: 2015-07-14