Электротехника. Раздел VII. Синхронные машины

СПбПУ

10

Раздел VII. Синхронные машины

1. Общие сведения о синхронных машинах

1.1 Назначение

Синхронные машины (СМ) в основном применяются как генераторы электрической энергии на электрических станциях и в автономных электроэнергетических установках. Мощность синхронных генераторов достигает 1200 МВт.

Синхронные двигатели используются в крупных компрессорах, двигатель-генераторных установках мощностью до 12,5 МВт. Наряду с крупными двигателями широко выпускаются синхронные микродвигатели различных типов мощностью до нескольких сотен ватт.

Синхронные двигатели, работающие на холостом ходу, используют в качестве источника реактивной мощности для повышения коэффициента мощности в электрической сети. Такие машины называются синхронными компенсаторами.

На некоторых специальных гидроэлектростанциях и газотурбинных электростанциях синхронные машины обеспечивают основной технологический процесс, работая генераторами и двигателями.

1.2 Системы возбуждения

Для возбуждения синхронной машины необходим источник электрической энергии постоянного ток, покрывающий потери в обмотке возбуждения синхронной машины. Этот источник постоянного тока, непосредственно соединяемый с обмоткой возбуждения синхронной машины, называется возбудителем. По- существу он является преобразователем энергии либо механической либо электрической переменного тока в энергию постоянного тока.

Мощность возбудителя (0,3 – 3)% мощности синхронного генератора.

Регулирование тока возбуждения в нормальных режимах связано с регулированием реактивной мощности синхронной машины и поддержанием напряжения на заданном уровне, а в аварийных режимах повышает статическую и динамическую устойчивость всей электрической системы.

Совокупность возбудителя, вспомогательных машин и регулирующих устройств составляет систему возбуждения.

Система возбуждения синхронной машины ГОСТ 21558-2000 должна иметь быстродействующее автоматическое регулирование.

2. Конструкция

2.1 Статор синхронной машины

Статор синхронной машины имеет такую же конструкцию, как и статор асинхронной машины.

Сердечник статора набирается из штампованных листов электротехнической стали, изолированных друг от друга, толщиной 0,350,5 мм. Посредством специальных стяжных болтов листы стягиваются в монолитную структуру и закрепляются в корпусе машины. На внутренней поверхности сердечника имеются пазы, в которые укладывается трехфазная (многофазная) обмотка переменного тока.

Рис. 2.1 Конструкция синхронной машины в поперечном сечении активной зоны с а) неявнополюсным ротором и б) явнополюсным ротором. На рисунке обозначено: 1- сердечник статора, 2 - обмотка якоря, 3- полюс неявнополюсного ротора, 3- полюс явнополюсного ротора, 4- обмотка возбуждения

Обмотка статора (якоря) обычно выполняется трехфазной. Обмотка якоря непосредственно взаимодействует с электрической сетью или автономной нагрузкой, в ней индуцируется основная ЭДС машины, электрическая мощность обмотки соответствует мощности машины.

2.2 Ротор синхронной машины

Сердечник ротора СМ может иметь явнополюсное и неявнополюсное исполнение.

Явнополюсный ротор имеет сборную конструкцию, на остове ротора крепятся выступающие полюсы с концентрической обмоткой возбуждения. Сердечник полюса набирается из листов конструкционной стали толщиной 12 мм и стягивается с помощью шпилек в монолитную структуру. Такие ротора рассчитаны на частоту вращения и имеют число полюсов . - оборотная частота вращения ротора , - угловая скорость ротора .

Неявнополюсный ротор синхронной машины выполнен из цельной стальной поковки. В роторе фрезеруются пазы для укладки распределенной обмотки возбуждения. Такие ротора рассчитаны на предельные частоты вращения и имеют число полюсов .

Ротор (индуктор) синхронной машины предназначен для возбуждения первоначального магнитного потока. Расположенная на нем обмотка возбуждения запитывается постоянным током от внешнего управляемого источника напряжения, называемого возбудителем.

При изготовлении синхронных машин принимаются конструктивные меры, обеспечивающие синусоидальное распределение индукции магнитного поля по окружности воздушного зазора между ротором и статором.

3. Электромагнитные процессы в синхронном генераторе при изменении нагрузки

Наибольшее распространение и значение имеют синхронные генераторы, работающие на электрическую сеть или автономную нагрузку.

3.1 Режим холостого хода

При холостом ходе трехфазная обмотка статора отключена от нагрузки и разомкнута.

Под действием разности внешнего механического момента и момента трения вращающихся частей ротор получает ускорение . - момент инерции вращающихся частей, - время. При достижении синхронной скорости , соответствующей заданной частоте вырабатываемого напряжения, моменты уравновешиваются и наступает установившийся режим с постоянной синхронной скоростью. В дальнейшем скорость вращения во всех режимах поддерживается постоянной внешним моментом . Подводимая механическая мощность равна .

При подаче от возбудителя на обмотку ротора постоянного напряжения по завершении переходного процесса в соответствии с уравнением

наступает установившийся режим с током возбуждения . В дальнейшем ток возбуждения регулируется напряжением возбуждения в соответствии с требованиями режимов эксплуатации. Мощность возбуждения равна .

Максимальная МДС и индукция на оси полюса ротора от тока

- число витков обмотки возбуждения,

- коэффициент насыщения,

- коэффициент воздушного зазора,

- воздушный зазор.

Амплитуды первой гармоники индукции

- коэффициент формы поля для первой гармоники.

Поток взаимоиндукции полюса от основной гармоники поля возбуждения

- полюсное деление,

- диаметр расточки статора,

- длина статора.

Вращающийся с угловой скоростью ротор синхронной машины с обмоткой возбуждения (индуктор) создает вращающееся магнитное поле. Пространственное распределение индукции такого поля по окружности воздушного зазора имеет гармонический характер, соответствующий числу пар полюсов машины.

Уравнение вращающейся волны индукции обмотки возбуждения полюсного порядка

, где

- угловая в пространственно-временных радианах координата с началом , совпадающим при с вращающейся магнитной осью обмотки возбуждения,

- угловая в пространственно-временных радианах скорость поля возбуждения равная угловой частоте ЭДС в обмотке статора.

Действующее значение ЭДС индукции в фазе статора от поля возбуждения

- обмоточный коэффициент.

Частота ЭДС статора

.

Рис. 3.1. Принцип устройства синхронной машины: а — явнополюсной; б — неявнополюсной; 1 — статор (якорь); 2 — ротор (индуктор); 3 — обмотка возбуждения.