Полезная информация для электромехаников / Судовые Электроэнергетические Системы для Механиков

Охлаждение генераторов обеспечивается насаженным на вал вентилятором, а в случае замкнутого цикла вентиляции еще и водяным воздухоохладителем. Генераторы, имеющие водяной воздухоохладитель, предназначенный для охлаждения нагретого воздуха (выходящего из генератора), работают с самовентиляцией по замкнутому циклу, а в аварийных режимах - по разомкнутому циклу.

Генераторы, не имеющие воздухоохладителей, работают с самовентиляцией по размокнутому циклу. Генераторы с воздухоохладителями, работающие по замкнутому циклу, имеют брызгозащищенное или брызгонепроницаемое исполнение, а при разомкнутом цикле -защищенное исполнение.

Устройство.

Судовые синхронные генераторы выполняются на напряжения 230В,380В,440В,660В с соединением фаз в звезду или треугольник. По системе возбуждения синхронные генераторы выполняются с самовозбуждением от статической системы фазового компаундирования и автоматическим регулированием напряжения, с независимым возбуждением от возбудителя (генератора постоянного тока) и бесконтактной (бесщеточной) системой возбуждения, включающей в себя возбудитель и систему регулирования напряжения.

Синхронные генераторы с независимым возбуждением морально устарели, применяются только в судовых установках на ремонтируемых судах и поэтому в справочнике не рассматриваются. Основными элементами статора являются станина, представляющая собой остов машины, запрессованный в нее сердечник и подшипниковые щиты. Станина имеет сварную или литую конструкцию. В зависимости от степени защиты от окружающей среды и способа охлаждения наружная поверхность станины может быть гладкой или ребристой. Заодно со

станиной отливают или приваривают к ней лапы для крепления машины к фундаменту.

Для обеспечения надежной работы машины станину выполняют достаточно жесткой и прочной. В станину запрессовывают сердечник статора, имеющий полную цилиндрическую шихтованную конструкцию. В его пазах уложена трехфазная обмотка с таким же числом полюсов, как у ротора. Сердечник статора вместе с обмоткой называют также якорем.

С целью уменьшения потерь на вихревые токи сердечник набирают из отштампованных изолированных листов специальной электротехнической стали толщиной 0,5 или 0,35 мм.

В машинах средней и большой мощности для улучшения охлаждения сердечник статора набирают из пакетов, между которыми имеются радиальные вентиляционные каналы. В выштампованных изолированных пазах сердечника статора уложена обмотка с соответствующей изоляцией.

Выводы фазных обмоток статора расположены в выводной коробке, размещенной на станине. На торцах станины имеются специальные заточки для посадки и центрирования подшипниковых щитов.

Ротор генератора состоит из полюсов с обмоткой возбуждения, к которой через контактные кольца и щетки подается постоянный ток. В полюсных наконечниках размещена успокоительная (демпферная) обмотка. Ротор может быть явнополюсным

— с выступающими полюсами или неявнополюсным — цилиндрическим. В зависимости от этого генератор называются явноили неявнополюсными.

Рис 2.

СГ с относительно малой частотой вращения делают явнополюсными (На рисунке 2 изображен продольный разрез явнополюсного ротора, имеющего 4 полюса). На роторе равномерно размещены явно выраженные полюса, состоящие из сердечников. На сердечнике находится катушка обмотки возбуждения, удерживаемая полюсным наконечником.

Пар полюсов у явнополюсных СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР (СГ) может быть два или более. Такое устройство ротора СГ облегчает выполнение обмотки возбуждения, но затрудняет обеспечение необходимой механической прочности.

Сердечники полюсов делают из листов электротехнической стали толщиной 1- 1,5 мм, которые стягивают с помощью шпилек. В СГ средней и большой мощности полюса крепят к выступам вала, к его втулке или ободу крестовины с помощью Т- образных хвостов. Обмотку возбуждения крупных СГ изготовляют из голой полосовой меди, ее витки изолируют один от другого. Демпферную обмотку выполняют из медных или латунных стержней.

Такая обмотка напоминает "беличью клетку" асинхронного короткозамкнутого двигателя. Она служит для пуска синхронного двигателя или является успокоительной

у синхронных генераторов. Ротор вместе с обмоткой возбуждения называют также индуктором.

У явнополюсных СГ малой мощности индуктор может быть неподвижным, а якорь вращаться. Явнополюсные СГ с горизонтальным валом обычно имеют аксиально-радиальную систему вентиляции.

Рис 3.

Ротор неявнополюсного СГ (рисЗ.) не имеет явно выраженных полюсов. На его внешней цилиндрической поверхности фрезеруют пазы, в которые укладывают обмотку возбуждения. Число пар полюсов у таких машин может быть равно одной или двум.

Роторы СГ большой мощности изготовляют из цельных поковок хромоникелевой или хромоникельмолибденовой стали. Обмотку ротора выполняют в виде концентрических катушек, которые закрепляют в пазах с помощью металлических немагнитных клиньев (из дюралюминия), обладающих большой механической прочностью.

Лобовые части обмотки крепят кольцевыми бандажами, изготовленными из особо прочной стали. Примерно одна треть каждого полюсного деления ротора не имеет пазов и носит название большого зуба.

Взависимости от рода первичного двигателя судовые СГ делят на дизельгенераторы (приводной двигатель — дизель) и турбогенераторы (приводной двигатель — турбина). У явнополюсных СГ в качестве приводного двигателя используют, как правило, дизели, у неявнополюсных — турбины. Принцип действия:

Как и другие электрические машины, СГ являются преобразователями энергии. Так, СГ преобразует механическую энергию в э*\ектрическую. Преобразование энергии в этих машинах осуществляется без значительных потерь, поэтому КПД у них высок.

Воснове работы СГ лежат законы электромагнитной индукции и электромагнитного взаимодействия. В режиме холостого хода магнитный поток Ф в СГ создается магнитодвижущей силой FB обмотки возбуждения (для этого к обмотке возбуждения подводится постоянное напряжение).

При вращении ротора СГ с частотой вращения n: f=pn/60 где р — число пар полюсов СГ; п — частота вращения, об/мин.

Если к трехфазной обмотке статора СГ подключить симметричную нагрузку, то по обмотке потекут переменные токи синусоидальные I = IA = IB =1С, равные между собой и сдвинутые по фазе относительно один другого на угол 120 эл. град. Эти токи создают результирующую МДС F и вращающееся магнитное поле Фа.

МДС якоря (статора) FA вращается в пространстве синхронно с ротором и воздействует на его МДС FB. Это явление носит название реакции якоря (т.е. реакция якоря - это влияние магнитного поля якоря на общее магнитное поле машины). Вследствие совместного действия магнитодвижущих сил FA и FB создается результирующий магнитный поток Ф синхронной машины.

Взаимодействие результирующего магнитного поля Ф с током I якоря вызывает появление электромагнитного момента СГ. В СГ он направлен встречно моменту, развиваемому приводным двигателем. Влияние реакции якоря СГ на ее рабочие свойства зависит от характера тока статора.

Так, при емкостной нагрузке напряжение СГ вследствие реакции якоря увеличивается, при индуктивной - уменьшается. Для судовой э*\ектростанции типична активно-индуктивная нагрузка, так как основными потребителями являются асинхронные короткозамкнутые двигатели.

Устройство оесщеточного генератора.

Через регулятор напряжения, который в качестве регулирующего звена управляет уровнем возбуждающего поля, генератор с постоянным магнитом посылает ток для возбуждения поля машины возбуждения. Регулятор напряжения реагирует на управляющий сигнал уровня напряжения, который через разделительный трансформатор отводится от обмотки основного статора машины. В результате маломощного управления полем машины возбуждения через выпрямительный выход якоря машины возбуждения происходит управление полем главной машины с высокой потребной мощностью.

Описанный выше простой принцип управления, так сказать, скрывает за собой сложность электронного регулятора напряжения, которым он управляет. Регулятор напряжения измеряет на трех фазах действительные значения эффективного напряжения и с жестким допуском обеспечивает изменение напряжения - в том числе при выходе генератора, искаженном нелинейной нагрузкой, например, из-за привода постоянного тока с тиристорным управлением. Кроме того, он измеряет число оборотов приводной машины и следит за зависящими от числа оборотов уровнями падения напряжения, лежащими ниже предварительно установленного номинального значения числа оборотов (Гц), в результате чего предотвращается перевозбуждение при низком числе оборотов приводной машины и ослабляется воздействие процессов переключения под нагрузкой для уменьшения нагрузки приводной машины. Он служит также для защиты от перевозбуждения при возникновении неисправности, а также для защиты от перенапряжения.

Эти устройства оснащены для приведения в действие внешнего силового выключателя. Кроме того встроены дополнительные регулируемые элементы для развития и оптимирования способности генераторного агрегата воспринимать тяжелые нагрузки. Это происходит в результате изменения мощности генератора во время процесса переключения нагрузки, для того чтобы соответственно согласовать мощность машины.

Кроме того, регулятор напряжения включает контуры, которые - если они используются совместно с комплектующими деталями - могут обеспечить параллельную работу, а именно либо со статическим ("Statik"), либо с астатическим ("Astatik") регулированием, с ограничением тока короткого замыкания и регулированием реактивной мощности/коэффициента мощности при параллельной работе.

Конструкция генератора:

Синхронный и асинхронный генератор.

Для создания электродвижущей силы в обмотках неподвижной части генератора нужно создать переменное магнитное поле. Это достигается вращением намагниченного ротора. Для "намагничивания" используют разные методы.

Синхронный генератор имеет обмотки, на которые подается электрический ток. Изменяя его величину, можно влиять на магнитное поле, а следовательно, и на

напряжение на выходе статорных обмоток. Роль регулятора прекрасно исполняет простейшая э*\ектрическая схема с обратной связью по току и напряжению. Благодаря этому способность синхронного а\ьтернатора "проглатывать" кратковременные перегрузки высока и легче переносит пусковые нагрузки. Самый основной недостаток синхронных генераторов - это низкая степень защиты от внешних воздействий таких как: пыль, грязь, вода, т.к. синхронный генератор охлаждается "протягивая" через себя воздух, соответственно все что находится в воздухе может попадать в генератор.

Асинхронный генератор вообще не имеет обмоток на роторе. Для возбуждения электродвижущей силы в его выходной цепи используют остаточную намагниченность ротора. Конструктивно он намного проще, надежнее и долговечнее. Кроме того, поскольку обмотки охлаждать не нужно, корпус асинхронного генератора полностью закрыт, что позволяет исключить попадание пыли и влаги. Асинхронные генераторы не восприимчивы к коротким замыканиям, поэтому лучше подходят для питания сварочных аппаратов.

К сожа\ению асинхронники тоже не лишены недостатков. Способность "проглатывать" пусковые перегрузки ниже, чем у синхронных генераторов. Но этот недостаток решается путем оснащения станций системой "стартового усиления", (см. выше). Как правило все профессиональные асинхронные генераторы оснащены системой стартового усиления.

Генератор вращается с номинальной частотой; напряжение в режиме холостого хода ниже номинального.

Недостаточное напряжение на обмотке возбуждения. Неисправность обмоток генератора.

Неправильное соединение обмотки статора (вместо звезды - треугольником). Неправильное чередование полюсов ротора.

Проверить цепь возбуждения, установить необходимое напряжение. Устранить неисправности.

Пересоединить обмотку статора.

Установить правильность чередования полюсов.

Генератор вращается с номинальной частотой без нагрузки; напряжение есть только между двумя фазами.

Обрыв в одной обмотке фазы статора при соединении звездой или в двух обмотках при соединении треугольником.

Если обрыв находится во внешних соединениях обмотки, восстановить соединение; если обрыв внутри катушки, заменить ее.

Напряжение генератора при работе с нагрузкой и в режиме холостого хода постоянно колеблется; частота вращения постоянна.

Плохой контакт в цепи возбуждения.

Проверить цепь возбуждения создать надежный контакт. Повышенная вибрация машины.

Нарушение центровки валов приводного двигателя и генератора, неисправность соединительной муфты. Разрушение деталей подшипника. Овальность шеек вала. Недостаточная жесткость фундамента. Междувитковое или короткое замыкание в обмотке ротора.

Произвести центровку, устранить неисправность муфты. Заменить подшипник. Проточить и отшлифовать шейки вала. Подкрепить фундамент. Устранить неисправность обмотки.

Работа генератора с повышенным шумом.

Отсутствие смазки в подшипниках. Увеличение зазоров в подшипниках. Ослабление крепления генератора сприводным двигателем, износ прокладок.

Неравномерный воздушный зазор. Задевание крылатки вентилятора за корпус машины.

Пополнить смазку. Заменить подшипники. Поджать болты, заменить прокладки. Произвести центровку. Устранить задевание.

Перегрев генератора. Повышенный нагрев подшипников. Недостаточная или чрезмерная смазка.

Снять крышку, промыть подшипник, заполнить рекомендуемой смазкой и закрыть. Загрязнение смазки. Попадание воды в смазку. Механическое повреждение подшипника. Плохая центровка агрегата.

Общий перегрев генератора.

Перегрузка генератора. Засорение вентиляционных путей, загрязнение фильтров, активной стали и обмотки.

Перегрев обмотки статора.

Перегрузка генератора или нарушение его нормальной вентиляции. Заменить подшипник. Обеспечить хорошую центровку. Устранить перегрузку.

Очистить генератор, продуть сжатым воздухом, промыть сетки фильтров. Устранить перегрузку, обеспечить нормальную вентиляцию.

Неправильное соединение катушек одной фазы обмотки после ремонта (одна или несколько катушек "перевернуты"). Равномерный перегрев всей обмотки статора из-за перегрузки.

Перегрев обмотки возбуждения.

Превышение тока возбуждения генератора. Междувитковые соединения или замыкания на корпус в катушке обмотки возбуждения. Междувитковые соединения или замыкание на корпус в двух местах обмотки статора.

Правильно соединить катушки. Устранить перегрузку. Не допускать его увеличения выше номинального значения. Устранить дефекты. Устранить повреждения.

Перегрев контактных колец и щеток.

Чрезмерное прижатие щеток к контактным кольцам. Недостаточная вентиляция контактных колец и щеток. Загрязнение контактных колец и щеток.

Использование щеток неподходящей марки. Отрегулировать нажатие соответственно марки щеток. Обеспечить нормальную вентиляцию. Очистить контактные кольца и щетки от грязи и протереть их чистой неволокнистой ветошью, смоченной бензином. Установить щетки согласно заводским рекомендациям.

Равномерный перегрев активной стали, хотя нагрузка генератора не превышает номинальную.

Высокое напряжение генератора. Низкая частота вращения генератора. Снизить напряжение. Повысить частоту вращения.

Активная сталь местами сильно перегревается в режиме холостого хода генератора при напряжении, равном номинальному.

Замыкания между отдельными листами активной стали, вызванные заусеницами при опиловке или задевание ротора о статор.

Удалить заусеницы, обработать места замыканий острым напильником, разъединить соединяющиеся места статора и покрыть их изоляционным лаком.

Местный нагрев, гудение, появление дыма.

Местное замыкание между листами Пакета ярма статора, короткое замыкание в обмотке статора. Разобрать и тщательно осмотреть генератор.

** интересная глава, для практической работы необходимо внимательно прочитать и изучить. Обычно на Эх\ектрических станциях устанавливается несколько синхронных генераторов, предназначенных для параллельной работы, что в большой степени повышает надежность работы станций в отношении бесперебойности энергоснабжения потребителей. В этом случае возможно в зависимости от потребной мощности включать на совместную работу такое количество генераторов, чтобы каждый из них отдавал номинальную мощность или близкую к ней. Тогда не только генераторы, но и их первичные двигатели будут работать с высоким к. п. д., так как те и другие рассчитываются и выполняются таким образом, чтобы значения их к. п. д. были наибольшими при номинальной нагрузке.

Параллельная работа генераторов.

Кроме того, и электрические станции часто объединяются для параллельной работы в одну мощную систему, позволяющую наилучшим образом как с технической, так и экономической точки зрения разрешать задачу производства и распределения

электрической энергии. Поэтому вопросы, относящиеся к параллельной работе синхронных машин, имеют большое практическое значение. Все параллельно работающие генераторы должны отдавать в сеть ток одинаковой частоты.

Поэтому они должны вращаться строго в такт или, как говорят, синхронно, т. е. их скорости вращения nl, п2, пЗ - должны быть в точности обратно пропорциональны числам пар полюсов:

В частности, скорости вращения генераторов с одинаковыми числами полюсов должны быть в точности одинаковыми. Условия синхронизации генераторов. При включении генераторов на параллельную работу с другими генераторами необходимо избегать чрезмерно большого толчка тока и возникновения ударных электромагнитных моментов и сил, способных вызвать повреждение генератора и другого оборудования, а также нарушить работу электрической сети или энергосистемы.

Поэтому необходимо отрегулировать надлежащим образом режим работы генератора на холостом ходу перед его включением на параллельную работу и в надлежащий момент времени включить генератор в сеть. Совокупность этих операций называется синхронизацией генератора. Идеальные условия для включения генератора на параллельную работу достигаются при соблюдении следующих требований:

1) напряжение включаемого генератора Ur должно быть равно напряжению сети или уже работающего генератора;

Рис. 2 Векторные диаграммы напряжений сети Uc и генератора Ut при идеальных условиях включения на параллельную работу.

2)частота генератора /г должна равняться частоте сети /с;

3)чередование фаз - генератора и сети должно быть одинаково;

4)напряжения Ur и Uz должны быть в фазе.

При указанных условиях векторы напряжений генератора и сети совпадают и вращаются с одинаковой скоростью (рис. 2), разности напряжений между контактами выключателя при включении генератора (рис. 2) равны и поэтому при включении не возникает никакого толчка тока.

Равенство напряжений достигается путем регулирования тока возбуждения генератора и контролируется с помощью вольтметра. Изменение частоты и фазы напряжения генератора достигается изменением скорости вращения генератора. Правильность чередования фаз необходимо проверять только при первом включении генератора после монтажа или сборки схемы. Совпадение напряжений по фазе контролируется с помощью ламп, нулевых вольтметров или специальных синхроноскопов, а в автоматических синхронизаторах — с помощью специальных измерительных элементов.

Неправильная синхронизация может вызвать серьезную аварию. Действительно, если, например, напряжения Ur и Uc будут в момент включения генератора на параллельную работу сдвинуты по фазе на 180°, то это эквивалентно короткому замыканию при удвоенном напряжении. Если генератор включается в сеть мощной