58 Принцип работы и устройство синхронных машин (гидрогенератор)

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 (50Гц) 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 отдельного узла, состоящего из сердечника 1, полюсного наконечника 2 и полюсной катушки 3 (рисунок 1). 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.

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 (n₁=3000об/мин), либо четырехполюсными (n₁= 1500 об/мин).

60. Принцип действия и устройство турбогенератора

Для выработки электроэнергии на современных электрических станциях применяют синхронные генераторы трехфазного переменного тока. Различают турбогенераторы (первичный двигатель – паровая или газовая турбина) и гидрогенераторы (первичный двигатель - гидротурбина).

Для синхронных электрических машин в установившемся режиме работы имеется строгое соответствие между частотой вращения агрегата n, об/мин, и частотой сети f, Гц: где p – число пар полюсов обмотки статора генератора.

Паровые и газовые турбины выпускают на большие частоты вращения (3000 и 1500 об/мин), так как при этом турбоагрегаты имеют наилучшие технико-экономические показатели. Быстроходность турбогенератора определяет особенности его конструкции. Эти генераторы выполняются с горизонтальным валом. Ротор турбогенератора, работающий при больших механических и тепловых нагрузках, изготавливаются из цельной поковки специальной стали (хромоникелевой или хромоникельмолибденовой), обладающей высокими магнитными и механическими свойствами.

Ротор выполняется неявнополюсным. Вследствие значительной частоты вращения диаметр ротора ограничивается по соображениям механической прочности до 1,1 – 1,2 м при 3000 об/мин. Длина бочки ротора также имеет предельное значение, равное 6 – 6,5 м. Определяется оно из условий допустимого статического прогиба вала и получения приемлемых вибрационных характеристик.

В активной части ротора, по которой проходит основной магнитный поток, фрезеруются пазы, заполняемые катушками обмотки возбуждения. В пазовой части обмотки закрепляются немагнитными легкими, но прочными клиньями из дюралюминия. Лобовая часть обмотки, не лежащая в пазах, предохраняется от смещения под действием центробежных сил с помощью бандажа. Бандажи являются наиболее напряженными в механическом отношении частями ротора и обычно выполняются из немагнитной высокопрочной стали. По обеим сторонам ротора на его валу устанавливаются вентиляторы, обеспечивающие циркуляцию охлаждающего газа в машине.

Статор турбогенератора состоит из корпуса и сердечника. Корпус изготавливается сварным, с торцов он закрывается щитами с уплотнениями в местах стыка с другими частями. Сердечник статора набирается из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Листы набирают пакетами, между которыми оставляют вентиляционные каналы. В пазы, имеющиеся во внутренней расточке сердечника, укладывается трехфазная обмотка, обычно двухслойная.

Во время работы синхронного генератора его обмотки и активная сталь нагреваются.

Допустимые температуры нагрева обмоток статора и ротора зависят в первую очередь от применяемых изоляционных материалов и температуры охлаждения среды.

По способу отвода тепла от нагретых обмоток статора и ротора различают косвенное и непосредственное охлаждение.

При косвенном охлаждении охлаждающий газ (воздух или водород) с помощью вентиляторов, встроенных в торцы ротора, подается внутрь генератора и прогоняется через немагнитный зазор и вентиляционные каналы. При этом охлаждающий газ не соприкасается с проводниками обмоток статора и ротора и тепло, выделяемое ими, передается газу через значительный «тепловой барьер» - изоляцию обмоток.

При непосредственном охлаждении охлаждающее вещество (газ или жидкость) соприкасается с проводником обмоток генератора, минуя изоляцию и сталь зубцов, т. е. непосредственно.

Преимущество водородного охлаждения: во-первых оно эффективней воздушного, так как водород как охлаждающий газ по сравнению с воздухом имеет ряд существенных преимуществ. Он имеет в 1,51 раза больший коэффициент теплопередачи, в 7 раз более высокую теплопроводность. Последнее обстоятельство предопределяет малое тепловое сопротивление прослоек водорода в изоляции и зазорах пазов.

Значительно меньшая плотность водорода по сравнению с воздухом позволяет уменьшить вентиляционные потери в 8 – 10 раз, в результате чего к.п.д. генератора увеличивается на 0,8 – 1%.

Отсутствие окисления изоляции в среде водорода по сравнению с воздушной средой повышает надежность работы генератора и увеличивает срок службы изоляции обмоток. К достоинствам водорода относится и то, что он не поддерживает горения, поэтому в генераторах с водородным охлаждением можно отказаться от устройства пожаротушения.

Недостатки водородного охлаждения: водород, заполняющий генератор в смеси с воздухом, образует взрывоопасную смесь, поэтому у машин с водородным охлаждением должна быть обеспечена высокая газоплотность корпуса статора масляными уплотнениями вала, уплотнением токопроводов к обмоткам статора и ротора и т. д. Чем выше избыточное давление водорода, тем эффективнее охлаждение генератора, и, следовательно, при одних и тех же размерах генератора можно увеличить его номинальную мощность. Однако при избыточном давлении более 0,4 – 0,6 МПа прирост мощности генератора не оправдывает затрат на преодоление возникающих при этом технических трудностей (усложнение работы уплотнений и изоляции обмоток). Поэтому давление водорода в современных генераторах более 0,6 МПа не применяется.

2 3, 63. Режим противовключения (1 < s < оо). В этом режиме ротор приключенный к сети асинхронной машины вращается за счет подводимой извне к ротору механической энергии против вращения поля, вследствие чего скорость вращения ротора n<0 и, согласно выражению s=(n₁-n)/ n₁, s> 1. На практике в этом режиме обычно 1 <s<2. Поскольку как в двигательном, так и в режиме противовключения s > 0, то в соответствии с выражением активные и реактивные составляющие вторичного тока имеют в" режиме противовключения такие же знаки, как и в двигательном. Это означает, что и в режиме противовключения машина потребляет из сети активную мощность и развивает положительный вращающий момент, действующий в сторону вращения поля. Но, поскольку ротор вращается в обратном направлении, на него этот момент действует тормозящим образом. В режиме противовключения машина потребляет также механическую мощность с вала или с ротора, поскольку внешний вращающий момент действует в сторону вращения ротора. Как мощность, потребляемая из сети, так и мощность, потребляемая с вала, расходуются на потери в машине. Полезной мощности машина поэтому не развивает, а в отношении нагрева рассматриваемый режим является тяжелым.Соотношения двиг. режима действительны также и для режима противовключения. По сравнению с двигательным и генераторным режимами pa«i боты в режиме противовключения сопротивление r₂/s мало, ток /_а и угол; Ψ₂ == угол(Е₂,I₂) велики. Соответственно этому первичный ток J_t и угол сдвига фаз φ₁ = угол(Е₁,I₁) тоже велики. Это также указываем на опасность режима в тепловом отношении. Поэтому при U_x — U_ln рассматриваемый режим допускается лишь кратковременно.(1)Векторная диаграмма асинхронной машины в peжиме противовключения. Преобразование реактивной мощносги в режиме противовключения происходит так же, как и в двигательном. Режим противовключения на практике исдользуетфя для торможения и остановки асинхронных двигателей и приводимых ими в движение производстенных механизмов. Например, в ряде случаев, при необходимости быстрой остановки двигателя, путей переключения двух питающих проводов трехфазного двигателя изменяют чередование фаз и направление вращения поля, a poтop в течение некоторого времени врfoftncz при этом по инерции в прежнем направлении, т. е. теперь уже против поля. Механическая мощность Р_мх в данном случае развивается за счет кин.энергии вращ-ся масс вследствие уменьшения скорости вращения. При п да 0 машину необходимо отключить от сети, так как иначе она придет во вращение в обратном направлении. Таким же образом может осуществляться быстрый реверс (изменение направления вращения) двигателя, причем в этом случае, естественно, при п да О отключать двигатель от сети не нужно. В начале процесса реверсирования также существует режим противовключения. Режим противовключения называют также режимом электромагнитного тормоза. Следует, однако, иметь в виду, что существуют и другие способы электромагнитного торможения асинхронной машины.

33, 64 Принцип обратимости. Рассмотрим сначала работу машины в режиме генератора.Рис. 1-2. Работа простейшей машины постоянного тока в режиме генератора (а) и двигателя (б).А Предположим, что якорь машины приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется э. д. с, направление которой может быть определено по правилу правой руки. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта э. д. с. индуктируется только вследствие вращения якоря и называется э. д. с. вращения. Величина индуктируемой в проводнике обмотки якоря э.д.с. e_np = Blv,,где В — величина магнитной индукции в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; / — активная длина проводника, т. е. та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; v — линейная скорость движения проводника. В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые э. д. с, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная э. д. с. якоря рассматриваемой машины- Э. д. с. Е_а является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление э. д. с. в проводниках меняется. Частота э. д. с. / в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря п, выраженной й оборотах в секунду: f = n, а в общем случае, когда машина имеет р пар полюсов с чередующейся полярностью, Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток 1_а. В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой э. д. с. Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора на 90° и изменении направления э. д. с. в проводниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой-пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными. Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи. Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше Е_а на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря г_а: U_a = E_a-l_ar_a. Проводники обмотки якоря с током 1_а находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы F_np = BlI_a направление которых определяется по правилу левой руки. Эти силы создают механический вращающий момент М_9м, который называется электромагнитным моментом равенM_эм = F_apD_a = BlD_aI_a где D_a — диаметр якоря. Как видно из рис. в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим. Режим двигателя. Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на п роводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы F_np и возникнет электромагнитный момент М_Ь№. Величины F_np и Мэм, как и для генератора, определяются равенствами F_np = BlI_a и M_эм = F_apD_a = BlD_aI_a. (D_a — диаметр якоря) При достаточной величине М_эм якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент М_эм при этом является движущим и действует в направлении вращения. Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направления вращения генератора и двигателя были одинаковы, то направление действия М_Эм, а следовательно, и направление тока 1_а у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором. В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве механического инвертора тока. Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется э. д. с. Е_а, величина которой определяется равенством - Таким образом, в двигателе э. д. с. якоря Е_а направлена против тока /_а и приложенного к зажимам якоря напряжения U_a. Поэтому э. д. с. якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой. Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается э. д. с. Е_а и падением напряжения в обмотке якоря:U_a=E_a+I_ar_a. Из сравнения равенств U_a = E_a-l_ar_a и U_a=E_a+I_ar_a. видно, что в генераторе U_a < Е_а, а в двигателе U_a > E_a. Принцип обратимости. Из изложенного выше следует, что каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью. Для перехода машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря. Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.