2. Лабораторная работа №2

Тема работы: Исследование характеристик и правил эксплуатации судового синхронного генератора (СГ)

Цели работы: Закрепить знания принципа работы и устройства, изучить рабочие характеристики по результатам экспериментальных исследований, а также основные вопросы эксплуатации судовых СГ (4 часа).

Теоретический раздел

Устройство и принцип действия СГ

Синхронный генератор служит для преобразования механической энергии первичного двигателя в электрическую энергию переменного трехфазного тока. Устройство и принцип действия СГ показаны в упрощенном виде на рисунке 2.1.

Он состоит из неподвижного статора, в пазах сердечника которого уложена трехфазная обмотка переменного тока, и вращающегося ротора, на котором расположена обмотка возбуждения постоянного тока, получающая питание либо через щеточное устройство и контактные кольца, либо от возбудителя. Статор генератора по устройству не отличается от статора асинхронного двигателя. Ротор СГ может быть явнополюсным или неявнополюсным. Явнополюсный ротор применяется в тихоходных СГ (1500 об/мин), и состоит из крестовины на которой закреплены сердечники полюсов с надетыми на них катушками обмотки возбуждения (рисунок 2.1, а). Неявнополюсной ротор применяется в быстроходных СГ (3000 об/мин и выше) и представляет собой цилиндрическую поковку из высококачественной электротехнической стали, в которой фрезеруют продольные пазы (рисунок 2.1, б). В пазах укладывают распределенную обмотку возбуждения.

Постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения генератора, создает постоянное по величине магнитное поле, неподвижное относительно ротора. При вращении ротора с угловой скоростью это магнитное поле с такой же скоростью пересекает проводники обмотки статора, размещенные в пазах сердечника статора, и наводит в них электродвижущую силу (ЭДС). Мгновенное значение ЭДС витка, в соответствии с законом электромагнитной индукции равно

,

где B – индукция в месте расположения проводника, Т;

– активная длина проводника, м;

– окружная скорость магнитного поля, м/с.

Для получения трехфазных ЭДС и трехфазного переменного тока в пазах статора необходимо разместить под каждой парой полюсов ротора как минимум три витка, сдвинутых в пространстве относительно друг друга на 1/3 двойного полюсного шага 2 , т.е.. на 120 эл. градуса. На рисунке 2.2 эти витки играют роль фаз обмотки статора и обозначены АХ, ВУ, СZ.

Выбором профиля полюсных наконечников в явнополюсных СГ или соответствующим распределением витков обмотки возбуждения в неявнополюсных генераторах обеспечивают синусоидальное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре. В этом случае при равномерном вращении ротора ЭДС витков статора будет синусоидальной во времени (см. рисунок 2.1). Поскольку фазы обмотки статора сдвинуты в пространстве на 2 /3, а время прохождения полюсами расстояния, равного 2 , соответствует одному периоду изменения ЭДС, то и во времени ЭДС этих фаз будут сдвинуты по фазе на 1/3 периода. Если теперь к зажимам обмотки статора подключить трехфазный потребитель, то в замкнутых контурах потекут переменные токи, также сдвинутые по фазе на 1/3 периода. Частота тока и ЭДС в витках обмотки статора зависит от частоты вращения магнитного поля и числа пар полюсов р обмотки возбуждения

Рисунок 2.1 – Устройство и принцип действия синхронного генератора

В свою очередь, при наличии нагрузки генератора токи фаз обмотки статора создают свое магнитное поле Ф_а, вращающееся по статору в направлении вращения ротора с частотой вращения

то есть синхронно как с полем обмотки возбуждения, так и с самим ротором. Поэтому электрические машины такого типа называют синхронными.

Физические процессы в СГ при нагрузке

Поскольку поле обмотки статора замыкается по тем же путям, что и поле ротора, и неподвижно относительно него, при нагрузке изменяется результирующий магнитный поток и результирующая ЭДС обмотки статора. Воздействие магнитодвижущей силы (МДС) обмотки статора (якоря) на МДС обмотки возбуждения называется реакцией якоря. Направление действия МДС якоря и эффект ее действия зависят от характера и величины нагрузки.

При чисто активной нагрузке СГ ток и ЭДС совпадают по фазе, поэтому в проводниках, расположенных в данный момент точно под полюсами ротора (на продольной оси) не только наводится максимальная ЭДС, но и проходит максимальный ток того же направления. В других проводниках ЭДС и токи не являются максимальными, но совпадают по направлению и соответствуют полярности полюсов, под которыми они находятся. Поэтому магнитный поток, созданный обмоткой статора, в соответствии с правилом буравчика, замыкается поперек магнитного потока обмотки возбуждения по оси, которую называют поперечной осью q – q. На рисунке 2.2, а изображена упрощенная пространственно-временная векторная диаграмма синхронного генератора, на которой продольная ось d – d совмещена с вектором магнитного потока возбуждения . В этом случае векторы ЭДС и тока , совпадающие друг с другом по фазе, отстают от вектора потока на угол , а вектор магнитного потока совпадает по фазе с током и, следовательно, направлен по поперечной оси q – q. Именно поэтому реакцию якоря, при чисто активной нагрузке СГ называют поперечной. Ее действие состоит в том, что результирующее магнитное поле СГ при нагрузке не изменяется по величине, но искажается за счет уменьшения индукции под набегающим краем полюса и увеличения под сбегающим. Некоторое размагничивающее действие поперечная реакция якоря, как и в машинах постоянного тока, оказывает за счет насыщения сбегающего края полюса. Ток статора , создающий поперечную реакцию якоря, называют поперечным током = .

При чисто индуктивной нагрузке СГ ток статора отстает от ЭДС на ¼ периода, то есть на угол (рисунок 2.2, в). В этом случае в проводниках, расположенных точно под серединой полюса, также индуктируется максимальная ЭДС, но ток равен нулю. Максимальный ток, соответствующий данной ЭДС, должен проходить в тех проводниках, которые находились под рассматриваемым полюсом ¼ периода назад, то есть расположенных в данный момент на поперечной оси. Однако в данный момент на поперечной оси расположены проводники других фаз, и направление токов в них должно соответствовать векторной диаграмме СГ, изображенной на рисунке 2.2, а. Из рисунка 2.2, в видно, что направление токов в проводниках фаз В и С соответствует полярности того полюса, под которым они только что находились. По сравнению со случаем чисто активной нагрузки (рисунок 2.2, а) направление тока в фазе В осталось прежним, а в фазе С – изменилось на противоположное.

а – при чисто активной нагрузке;

в – при чисто индуктивной нагрузке;

с – при чисто емкостной нагрузке.

Рисунок 2.2 – Реакция якоря СГ при различном характере нагрузки

В соответствии с этим магнитный поток , созданный токами статора, замыкается по продольной оси, то есть по тому же пути, что и поток возбуждения, но навстречу ему (рисунок 2.2. в). Таким образом, при чисто индуктивной нагрузке СГ реакция якоря является продольной и размагничивающей. Ток, создающий продольную реакцию якоря, называется продольным током = .

При чисто емкостной нагрузке СГ ток якоря опережает ЭДС на угол . Следовательно, токи фаз и поток , по сравнению с предыдущим случаем, изменяет свое направление на противоположное. Таким образом, при чисто емкостной нагрузке реакция якоря является продольной и подмагничивающей (рисунок 2.2, с).

В общем случае при смешанной нагрузке, (для реальных судовых систем это активно-индуктивная нагрузка), реакция якоря является частично поперечной, частично продольной. При анализе и расчете реакции якоря для явнополюсных генераторов токи, МДС и магнитный поток якоря разлагают на составляющие по продольной и поперечной осям и рассматривают их отдельно, что позволяет значительно упростить количественный учет реакции якоря. Такой прием лежит в основе так называемой теории двух реакций.

К омпоновка судовых СГ. В настоящее время наибольшее распространение в судовых электроэнергетических системах получили бесщеточные СГ (БСГ) с вращающимися выпрямителями (ВВ) в роторе. Схема судового БСГ представлена на рисунке 2.3.

В – возбудитель; ОЯ – обмотка статора СГ; ОВ – обмотка возбуждения СГ

Рисунок 2.3 – Компоновка основных элементов БСГ с ВВ

Регулирование напряжения БСГ осуществляется в большинстве случаев системами АФК, включенными на обмотку возбуждения возбудителя.

Вопросы эксплуатации судовых СГ

Техническая эксплуатация судовых СГ включает в себя две составляющие:

– использование по прямому назначению в соответствии с технической инструкцией по эксплуатации завода – изготовителя;

– техническое обслуживание СГ в соответствии с руководящими документами по технической эксплуатации судового ЭО.

Использование по прямому назначению в соответствии с технической инструкцией по эксплуатации завода – изготовителя включает приготовление к работе, прием, снятие нагрузки и останов СГ, обслуживание в работе на основе знаний правил эксплуатации СГ, знание наиболее характерных и специальных режимов работы СГ.

В качестве примера специального режима ниже рассмотрена перегрузка СГ, а также требования по качеству напряжения судовых СГ.

Приготовление к действию, прием и снятие нагрузки СГ

При приготовлении судового СГ к действию должен быть выполнен осмотр №1 совместно с обслуживающими устройствами управления, защиты и контроля. Последовательность действий при приготовлении СГ к работе должна содержать:

– проверку исходного положения органов управления, защиты и контроля на щите управления, подготовку и введение в действие систем охлаждения и смазки, подачу напряжения на цепи управления, защиты, контроля и начального возбуждения;

– вывод на номинальные обороты;

– начальное возбуждение СГ и выход СГ на номинальное напряжение;

– контроль параметров холостого хода и температурного режима элементов СГ;

– проверку всех видов защиты ПД и СГ;

– прием нагрузки на СГ (осуществляется в зависимости от режима работы: для автономного режима - включением автомата СГ; для режима параллельной работы – выполнением условий включения на параллельную работу);

– снятие нагрузки осуществляется отключением генераторного автомата при возможном снижении тока нагрузки до нуля;

Ввод в действие судового СГ запрещается:

– при неисправности хотя бы одного из видов защит ПД и СГ;

– при сопротивлении изоляции обмоток СГ ниже допустимых норм;

– при неисправности контрольно-измерительных приборов;

– при вибрации выше допустимых норм.