4. Принцип действия синхронных машин

При работе синхронной машины в качестве генератора возбужденный ротор приводится во вращение с частотой п внешним механическим вращающим моментом (например, моментом гидравлической или паровой турбины). Ток обмотки возбуждения I_f создает МДС F_f и магнитный поток Ф_f, неподвижный относительно полюсов и замыкающийся через сердечник статора. Относительно статора этот поток будет вращаться вместе с ротором с частотой n. Вращающимся потоком возбуждения в обмотке статора индуктируется ЭДС Е₁ частоты:

f₁ — pn/60.

Электродвижущие силы фаз трехфазной обмотки взаимно смещены во времени на электрический угол 120°. Если к обмотке статора присоединить симметричную нагрузку, то под действием ЭДС в ней и во внешней цепи будет протекать симметричная система токов I_А, Iв, Iс.

Эти токи создают МДС якоря F_a и магнитное поле, вращающиеся со скоростью ω, т. е. синхронно с ротором. Результирующий вращающийся магнитный поток Ф образуется в результате совместного действия взаимно неподвижных МДС F_f и F_a..

В результате взаимодействия потока Ф с током обмотки якоря возникает электромагнитный момент М ~ ФI₁cos , где I₁=I_А= Iв= Iс;  — угол сдвига фаз напряжения и тока генератора. В генераторном режиме электромагнитный момент действует навстречу внешнему вращающему моменту, т. е. является тормозящим.

При работе синхронной машины в качестве двигателя обмотка статора подключается к трехфазной сети переменного тока, a обмотка ротора — к источнику постоянного тока. Обмотка статора создает вращающееся магнитное поле. В результате взаимодействия этого с полем обмотки возбуждения возникает электромагнитный вращающий момент, под действием которого ротор вращается с синхронной частотой. В установившемся режиме электромагнитный момент уравновешивается внешним тормозящим механическим моментом.

Равенство частот вращения магнитного поля и ротора принципиально характерно для рассматриваемых машин и послужило причиной наименования их синхронными.

5. Системы возбуждения синхронных машин

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

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

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

3) достаточное быстродействие;

4) форсировку возбуждения.

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

Среди независимых систем возбуждения различают:

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

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

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

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

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

Различают три основные разновидности вентильных систем возбуждения.

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

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

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

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

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

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

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

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