ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Институт нефти и газа

Кафедра «Электроэнергетика»

Методические указания

к лабораторной работе

«Исследование синхронного генератора»

по дисциплине «Электрические машины»

для студентов специальности 140604 «Электропривод и автоматика

промышленных установок и технологических комплексов»

очной и заочной форм обучения

Тюмень 2007 г

Утверждено редакционно-издательским советом

Тюменского государственного нефтегазового университета

Составители:

Доцент, к.т.н., член-корреспондент Международной Академии Наук нефти и газа Савиных Ю.А. Ст. преподаватель Шаталова Н.В.

государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет» 2007г.

Методические указания

к лабораторной работе

«Исследование синхронного генератора»

Цель работы:

1. Изучить конструкцию, принцип действия и характеристики синхронного генератора

2. Приобрести практические навыки в сборке схем и опытном исследовании генератора при снятии показаний и построении основных характеристик

3. Получить экспериментальное подтверждение теоретическим сведениям о синхронных генераторах

2. Основные теоретические сведения

Синхронная машина относится к классу электрических машин переменного тока, у которых в установившемся режиме магнитное поле, участвующее в основном процессе преобразования энергии, и ротор имеют одинаковую частоту вращения. Эта частота называется синхронной и вычисляется по формуле:

n1 = ,

(1)

где f₁ – частота переменной ЭДС, наведенной в обмотке статора,

р – число пар полюсов в обмотке статора или вращающегося ротора

Синхронные генераторы составляют основу электроэнергетики, так как вся электроэнергия в мире вырабатывается посредством турбо- или гидрогенераторов, являющихся синхронными машинами.

Как следует из названия синхронных машин, скорость враще­ния их ротора равна скорости вращения электромагнитного поля и направлена в ту же сторону. Следовательно, скольжение синх­ронных машин в установившемся режиме работы и частоту токов в роторе можно выразить в следующем виде:

s = (n₁ – n₂) / n₁ = 0; (2)

f₂ = sf₁ =0 (3)

Таким образом, цепь ротора синхронной машины является це­пью постоянного тока, (f₂ = 0), а ЭДС наводится только в обмотке статора. Поэтому в синхронных машинах помимо разделения активной части на неподвижную и подвижную (статор и ротор) существует и другое деление: часть машины, в которой наводится ЭДС, статор, называется якорем, а часть машины с цепью постоянного тока, ротор, – индуктором.

По конструкции статор синхронной машины не отличается от статора ма­шины асинхронной. Ротор – это си­стема постоянного тока, поэтому его магнитопровод может выполняться как массивным, так и шихтованным (рис.1.). Обмотка ротора, пита­ющаяся от источника постоянного тока, является однофазной и назы­вается обмоткой возбуждения.

Рис.1. Конструктивная схема синхронной машины

1 – статор, 2 – обмотка статора, 3 – полюсы ротора, 4 – обмотка возбуждения, 5 – контактные кольца со щетками

С ердечник статора синхронной машины не отличается от сер­дечника статора машины асинхронной и представляет собой по­лый цилиндр, набранный из отдельных листов электротехничес­кой стали толщиной 0,5 мм. На внутренней поверхности этого цилиндра выштампованы пазы для укладки обмотки якоря. Размещают сердечник в станине (корпусе) статора.

а б

Рис.2. Поперечные разрезы роторов неявнополюсной (а) и явнополюсной (б) машин:

1 – сердечник; 2 – обмотка возбуждения

В зависимости от конструкции магнитопровода ротора син­хронные машины делятся на два класса (рис.2): явнополюсные (ЯСМ) и неявнополюсные (НСМ). Конструкция ротора зависит от частоты его вращения и обусловлена требованиями механической прочности. Количество полюсов ротора тихоходных явнополюсных синхронных машин определяется в зависимости от необходимой частоты генерируемого напряжения (обычно 50Гц):

f₁ = ,

где р – число пар полюсов обмотки; п₂ – скорость ротора, об/мин.

На полюсах ротора часто устанавливают демпферную обмотку, раз­мещая ее в пазах полюсных наконечников. Медные или латунные стержни этой обмотки по торцам замыкают сегментами таким образом, чтобы образовалась короткозамкнутая клетка.

К онструктивно демпферные обмотки выполняются по-разному (рис. 3, а, б).

а

б

Рис. 3. Конструкции демпферных обмоток

Демпферная обмотка выполняет ряд функций. В генераторах она ослабляет влияние токов обратной последовательности при несим­метричной нагрузке и уменьшает пульсации магнитного потока, вызванные зубчатостью статора. В двигателях она выполняет функции пусковой обмотки (типа бе­личьей клетки) и уменьшает ам­плитуду качаний ротора при из­менении нагрузки.

Синхронные явнополюсные генераторы, предназначенные для непосредственного соедине­ния с гидравлическими турби­нами, называются гидрогенера­торами. В зависимости от типа гидротурбины гидрогенераторы могут быть как с горизонталь­ным, так и с вертикальным ва­лом

Общий вид ротора явнополюсной машины с горизонталь­ным валом показан на рис. 4.

Рис. 4. Общий вид ротора явнополюсной машины с горизонталь­ным валом

Н еявнополюсные роторы (рис.5) применяют в высоко­скоростных (с частотой вращения п₂, равной 1500 или 3000 об/мин) синхронных машинах большой мощности, так как при большой мощности применение машин явнополюсной конструкции невоз­можно по условиям механической прочности ротора. Неявнопо­люсные роторы имеют быстроходные синхронные двигатели боль­шой мощности – турбодвигатели и синхронные неявнополюсные генераторы, предназначенные для непосредственного соединения с паровыми и газовыми турбинами (турбогенераторы).

Рис. 5. Общий вид ротора неявнополюсной синхронной машины:

1 – контактные кольца; 2 – бандаж обмотки возбуждения; 3 – бочка ротора; 4 – вентилятор; 5 – вал

Ротор турбогенераторов изготовляют массивным, из цельной поковки, выполненной из высокопрочной легированной стали. По условиям сохранения механической прочности ротора его диа­метр при частоте вращения 3000 об/мин не должен превышать 1200... 1250 мм.

Принцип действия синхронных генераторов основан на законе электромагнитной индукции. При включении обмотки возбуждения под напряжение в ее цепи появляется постоянный ток I_в : ротор возбуждается и становится электромагнитом. Ток I_в создаст постоянное во времени и неподвижное относительно ротора магнитное поле с чередующейся полярностью. При враще­нии ротора (индуктора) его магнитное поле будет вращаться от­носительно неподвижной обмотки статора (якоря) и наводить в ней переменную ЭДС.

Если на якоре уложена симметричная трехфазная обмотка (т. е. магнитные оси фаз сдвинуты в пространстве на 120° геометрических, а электрические сопротивления и числа витков фаз одинаковы), то в этой обмотке индуцируется симметричная систе­ма ЭДС (т.е. равных по модулю и сдвинутых во времени на 120° электрических). При этом частота индуктируемых в обмотках ЭДС

f₁ = , (4)

где р – число пар полюсов обмотки; п₂ – скорость ротора, об/мин.

Если к трехфазной обмотке якоря синхронного генератора под­ключить симметричное внешнее сопротивление, то по этой об­мотке будет протекать симметричная система токов, создающих круговое вращающееся магнитное поле якоря. Частота вращения этого поля относительно статора

n₁ = (5)

Подставив в (5) вместо f₁ правую часть выражения (4), получим

п₁ = п₂

Следовательно, магнитные поля возбуждения и якоря неподвижны относительно друг друга и образуют результи­рующее магнитное поле машины.

В схемах электрических принципиальных приняты следующие условные обозначения синхронных машин (рис.6).

а б в г

Рис.6. Условные обозначения синхронных машин в схемах электрических принципиальных:

• машина неявнополюсная с обмоткой возбуждения на роторе, обмотка статора соединена в треугольник (а, б)

• машина явнополюсная с обмоткой возбуждения и с короткозамкнутой обмоткой на роторе, обмотка статора соединена в звезду (в, г)