3.Синхронды м¸шинелер

Синхронды м¸шинелер ¼зара ºайтымды электр м¸шинелерi болып табылады. Олар º½рылыстыº ¼згерiске т¾спей-аº механикалыº энергияны электр энергиясына айналдыратын генераторды» немесе электр энергиясын механикалыº энергия¹а айналдыратын ºоз¹алтºыштарды» орнына да ºолданылады.

3.1. Синхронды м¸шиненi ºолдану айма¹ы. Синхронды м¸шинелер электр энергиясыны» генераторы ретiнде де, ºоз¹алтºыштар ретiнде де ºолданылады. Дегенмен, ол Э²К ¾шфазалы ж¾йесiнi» электромеханикалыº к¼зi ретiнде ке»iрек тара¹ан. Д¾ниеж¾зiнде электр энергиясын ¼ндiрудi айнымалы тоºты» синхронды м¸шинесi-¾шфазалы синхронды генератор атºарады. Синхронды айналысºа т¾сетiн ал¹ашºы ºоз¹алтºышты» т¾рiне ºарай, турбогенераторлар (механикалыº энергия к¼зi бу трибунасы), гидрогенераторлар (механикалыº энергия к¼зi гидравликалыº турбиналар) ж¸не дизельгенераторлар (механикалыº энергия к¼зi-iштен жанатын ºоз¹алтºыш-дизель). Жылу электр станцияларында (ЖЭС) ж¸не атом электр станцияларында (АЭС) турбогенераторлар, ал гидростанцияларда (ГЭС)–гидрогенераторлар орнатылады. Дизель генераторлар негiзiнде ж½мысында электр энергиясы апатты жа¹дайда да, болмай ºалуы тиiс нысандарда ºосалºы энергия к¼зi (банктер, ¸скери нысандар ж¸не т.б.) ретiнде ºолданылады. Аз ж¸не орташа ауºымды электр энергияларын т½тынатын жерлерде, оларды пайдалану, асинхронды ºоз¹алтºыштарды пайдалану¹а ºара¹анда экономикалыº жа¹ынан тиiмдiлiгiне ºарамастан, синхронды м¸шинелер ºоз¹алтºыш ретiнде сиректеу ºолданылады. Сондыºтан ºоз¹алтºыштар, арнайы жасалатындарынан басºа, ºуаттылы¹ы 100 кВт ж¸не одан жо¹ары етiп конструкцияланады. ²уаттылы¹ы жо¹ары синхронды ºоз¹алтºыштар (С²) ºуат коэффициентi (Cosφ) ж¸не пайдалы ¸сер коэффицентi (П°К) сондай-аº, оларды» т½тыну кезiндегi (желiдегi) кернеудi» т¼мендеуiне аса сезiмтал еместiгiнен, асинхронды ºоз¹алтºыштармен б¸секелесе алады. Синхронды ºоз¹алтºыштарды» айналдыру моменттерi бiрiншi д¸режелi кернеуге (М Ξ U), ал А²-екiншi д¸режелi кернеуге пропорцианал (М Ξ U²) ал технологиялыº ж½мыс т¸ртiбiнi» сапасына ¸сер етедi.

3.2. Синхронды м¸шинелерды» º½рылысы. Синхронды генератор мен синхронды ºоз¹алтºыштар º½рылысы жа¹ынан бiрдей бол¹андыºтан, оларды» º½рылыстарын бiрге ºарастырамыз. Синхронды м¸шине (генератор мен ºоз¹алтºыш) ¾шфазалы орамалы статордан ж¸не т½раºты ºоздыр¹ыш орамасы бар ротордан т½рады.

3.2.1. Синхронды м¸шиненi» статоры. Синхронды м¸шиненi» статоры конструкциялыº º½рылымы жа¹ынан ¾шфазалы асинхронды ºоз¹алтºыштарыны» статоры мен бiрдей (2.2.1).

3.2.2. Синхронды м¸шине статорыны» орамасы. Синхронды м¸шиненi» статорыны» орамасы ¾шфазалы Э²К ж¾йесiн индукциялау¹а (¾шфазалы синхронды генератор) немесе т½раºты айнымалы магнит ¼рiсiн ту¹ызу¹а арнал¹ан (¾шфазалы синхронды ºоз¹алтºыш). Ол ¾шфазалы асинхронды ºоз¹алтºыш статорыны» орамасымен бiрдей (2.2.3) дегенмен, синхронды генераторларды» раторы орамасы тек "ж½лдызша" с½лбасымен жал¹асады. Синхронды генераторды» орамасы "¾шб½рыш" с½лбасмен ºосылуы iсж¾зiнде ºолданылмайды. Себебi, статор орамасын "¾шб½рыштап" ºосºанда онда сызыºтыº кернеу болады, ал "ж½лдызшалап" ºосºанда фазалыº кернеуде болады, ол сызыºты кернеуден есе аз. Демек, орама¹а оºшаулатºышы ж½ºа ¼ткiзгiштi ºолдану¹а болады. Ол ºуаттылы¹ы бiрдей м¸шинелердi» т½рºына ¸сер етедi. Одан басºа, егер синхронды генераторды» статоры орамасын "¾шб½рыш" с½лбасы бойынша жал¹аса, м½ндай жа¹дайда статор орамасында Э²Кке индукцияланатын магнит а¹ыныны» с¸л ¹ана симметрясызды¹ынан ¼з-¼зiне т½йыºтал¹ан орамада, генераторды» бос ж¾рiс ж½мысы кезiнi» ¼зiнде шамасы 3 есе гармоникалыº º½раушы пайда болып, те»естiрушi тоº ¼тетiн болады, ол ºосымша шы¹ын¹а соºтырып генераторды» ºуаты т¼мендейдi. Статор орамасын "ж½лдызша" с½лбасы бойынша жал¹а¹анда фазаларды» орамалары ажыратулы бол¹андыºтан, ж¾ктемесiз ж½мыс кезiнде те»естiргiш тоº болмайды. Синхронды генераторды» ¾шфазалы орамасын "ж½лдызша" с½лбасмен жал¹а¹анда, одан бiрмезгiлде, шамасы жа¹ынан екi т¾рлi кернеу алу¹а болады: сызыºтыº ж¸не фазалыº (). Синхронды генераторды» ¾шфазалы орамасын "¾шб½рыш " с½лбасы бойынша жал¹а¹анда, синхронды генератор бiр шамада¹ы кернеулi электр энергиясыны» к¼зi болады: сызыºтыº кернеу фазалыº кернеуге те» болады (U^∆_c =U^∆_ô ).

3.2.3. Синхронды м¸шиненi» роторы. Статорды м¸шиненi» роторы º½рылысы бойынша екi н½сºада орындалады: айºынполюстi ж¸не айºындалма¹ан полюстi.

Айºынполюстi м¸шинеде ротор полюстерi айºын к¼рiнетiн, болат цилиндр (3.1- сурет).

3.1-сурет. Айқынполюсті синхронды мәшиненің роторы: а – полюс; в – қоздырғыш орама.

3.2-сурет. Айқынсыз полюсті синхронды мәшиненің роторы: а – полюс; в – қоздырғыш орама.

Роторды» м½ндай конструкциясы оны полюсiнi» саны к¼п етiп конструкциялау¹а м¾мкiндiк бередi, оларды» саны бiрнеше ондыººа жетуi ыºтимал. Айºын полюстi ротор гидрогенераторлар¹а орнатылады. Гидрогенераторлар роторыны» полюс сандары, стандартты жиiлiктегi ƒ=50Гц, Э²Ктен электр энергиясын алуды» технологиялыº процессiне негiзделедi. ²азiргi кездегi диаметiрi ¾лкен ºуаты гидротрубиналарды» д¼»гелектерiнi» айналу жылдамды¹ы 100 ай/мин-тан артпайды. Статор орамасында индукцияланатын Э²Ктi» жиiлiгi, ротор айналымыны» жылдамды¹ына ж¸не полюстi ж½быны» санына байланысты. Б½л байланыс (т¸уелдiлiк) мына те»деумен к¼рсетiледi:

Pn=60ƒ (3.1)

Гидротрубина д¼»гелегiнi» айналу жылдамды¹ы т¼мен кезде ж¸не Э²К ¼нерк¸сiптiк жиiлiкте ¼ндiрiлгенде синхронды гинераторды» айºынполюстерi роторыны» ж½п полюстерi саны рn= 60ł50=300 болатындай болуы тиiс. Егер, гидротурбинаны» айналу жылдамды¹ын 100 ай/мин-ке деп алсаº, синхронды генераторды» айºынполюстi роторды» ж½п полюстерi саны р=3000/100=30, ал полюстер саны 2р=60 ºа те» болуы тиiс.

Айºындалма¹ан полюстi ротор. Айºындалма¹ан полюстi ротор (3.2-сурет) ¼те жо¹ары сапалы. Оны» бетiнi» 2/3 б¼лiгiне бойлыº ойыºтар фрезделiп тiлiнедi, олар баржо¹ы екi полюс т¾зiледi. Оны» бу трубиналарымен айналатын турбогенераторлар¹а орнатады, олар 3000 ай/мин жылдамдыºпен ж½мыс жасайды. Стандартты ¼нерк¸сiптiк жиiлiк 50 Гц алу ¾шiн, роторды» бiр ж½п полюсы болуы тиiс: Р=60ƒ/n=60ł50/3000=1,0, демек екi полюс (2р=2). Егер турбогенератор¹а екi полюсi бар айºынполюсты ротор орнатса, онда, с¸л симметриясыздыº кезiнде, ол технологиялыº жа¹ынан болмай ºоймайды, осындай жылдамдыºта, роторда ºауiптi шамада дiрiл пайда болуы м¾мкiн. Сондыºтан казiргi кездегi турбогенераторларды» роторлары айºындалма¹ан полюстi, болаттан т½тас со¹ыл¹ан 200м/с жететiн ¾лкен айнымалы сызыºтыº жылдамдыººа т¼теп береалатын механикалыº бекемдiктi ºамтамасыз ете алатындай етiп жасалады.

3.2.4. Синхронды м¸шиненi» ºоздыру орамасы. Синхронды м¸шиненi» ºоздыру орамасы т½раºты тоºты» магнит ¼рiсiн тудыру¹а арнал¹ан. Айºынполюстi роторды» ºыздыру орамасы, цилиндр, шар¹ы т¾рiнде жасалып полюстер ¼зектерiне орналасады. Шар¹ы арнайы т¾рдегi полюстiк ½штыºтармен бекiтiледi.

Айºындалма¹ан полюстi роторларда ºоздыру орамасы, ротор бетiнi» 2/3 фрезделiп жасал¹ан бойлыº ойыºтарында жанасу ше»берi бар асинхронды ºоз¹алтºыш раторы орамасы сияºты орналасады. Айºындалма¹ан полюсты роторды» ºоздыру орамасыны» орамдары, ойыºтарда мыºты металл сыналарымен бекiтiлдi. ²оздыру орамасыны» алды»¹ы б¼лiгi роторды» ºазiргi ºуатты турбогенераторларда, секундына 200м ж¸не одан жо¹ары жылдамдыºпен айналуы кезiнде оларды» жарылып кетпеуi ¾шiн, аса бекем болатын сымдардан даярлан¹ан ше»бер белбеулермен бекiтеледi.

3.3. ¶шфазалы асинхронды генератормен, механикалыº энергиясына айналдыруды» электрофизикалыº процесстерi. ¶шфазалы синхронды генератормен механикалыº энергияны электр энергиясына айналдыруды» электрофизикалыº процестерi, генераторды» ж¾ктемемен немесе бос ж¾рiс кезiндегi т¸ртiппен iстелгендiктен наºты ерекшелiктерi бар. Сондыºтан олар жеке ºаралады.

3.3.1.Синхронды генераторды» бос ж¾рiс ж½мысы. Синхронды генераторды» роторы сырттай механикалыº энергия к¼здерiнен айналады (бу-гидротурбина немесе iштен жанатын ºоз¹алтºыш). Роторды» магнит полюстерi ту¹ыз¹ан магнит ¼рiсi (немесе ºоздыру орамасы, осы т½рºты Э²К к¼зiне ºосºанда) ротормен бiрге айналып, статор орамаларына енiп, косинусойда за»ы бойынша ¼згертудi: (Ф=Ф_mCosωt) ж¸не оны» ¸р орамасында синусойда т¸рiздi айнымалы Э²К е_â-нi индукциялайды, ол электромагниттiк индукция за»ына с¸йкес келедi:

å_â=dô/dt=-d(Ô_mCosωt)/dt=ωÔ_mSinωt (3.2)

ì½íäà¹û ωÔ_m=Å_ì(â) статор орамасы орамында индукциялан¹ан Э²К-iнi» тербелмелi шарыºтау (амплитуда) м¸нi. Синхронды генератор статоры орамасыны» орамасында индукциялан¹ан Э²К-iнi» ¸серетушi м¸нi Е=Е_m/2 те» екенiн ескере отырып, мына те»деумен ¼рнектеледi:

(3.3)

Синхронды генератор статорыны» бiр шар¹ысы ¾шiн фазалыº ораманы» орам саны w_ê онда индукцияланатын Э²К м¸ндерiнi» ºосындысы былай аныºталады:

(3.4)

3.3-сурет. Синхронды мәшиненің статор орамасының р=1 және q=3 кезіндегі сызба көрінісі.

Iс ж¾зiнде статор фазасыны» орамалары бiрнеше шар¹ыдан т½рады, оларды» жаºтары статорды» iшкi беттерiнде ¼здерiнi» аума¹ында¹ы ойыºтарда, бiрºалыпты таралып орналасады (3.3-сурет). Онда индукцияланатын Э²Ктер фаза бойынша, бiр-бiрiне ºара¹анда, α , б½рышына ы¹ысады да, мына¹ан те»еледi:

(3.5)

ì½íäà¹û t_ñ- ойыºтыº б¼лiну (к¼ршi ойыºтар арасыны» ºашыºты¹ы) (3.3-сурет); α – ойыºтыº Э²Ктi» векторлыº диаграммасында¹ы к¼ршi шар¹ылар жаºтарында¹ы Э²К-тi» векторлар арасында¹ы, электрлiк градуспен алын¹ан ы¹ысу б½рышы (3.4а-сурет); р - синхронды генераторды» роторыны» ж½п полюстер саны; Z_nñ-синхронды генератор статорыны» ойыºтар саны; - синхронды генератор статорыны» полюстiк б¼лiнуi:

(3.6)

ì½íäà¹û D_ñ-статорды» iшкi диамметрi.

М½ндай ораманы» фазалыº Э²К шамасы ойыºтыº Э²Кi векторлыº диаграммасында¹ы векторлар жиынты¹ы ретiнде аныºталады, ол 3.4а-суретте к¼рсетiлген.

Ойыºты» Э²К ж½лдызшасы ж¸не синхронды генераторды» статор орамдарыны» фазалыº Э²К-нi» жинаºтал¹ан м¸ндерiнi» векторлыº диаграммасы орамаларды» орналасуына ж¸не ºарама-ºарсы ба¹ытта индукциялан¹ан аттас шар¹ы жаºында¹ы Э²К-не байланысты 3.3-суретке с¸йкес т½р¹ызыл¹ан. 3.4в-суретте келтiрiлген векторлыº диаграммадан к¼рiнгенiндей ойыºтыº Э²К тi» геомериялыº ºосындысымен аныºтал¹ан фазалыº ораманы» Э²Кi; ойыºтыº Э²Ктi» арифметикалыº ºосындысымен аныºтал¹ан сондай Э²К тен, демек шар¹ыны» (3.3) бiр орамда¹ы Э²Ктi» оларда¹ы орама¹а к¼бейтiндiсiнен (3.4) аз болады.

3.4-сурет. 3.3-суретте көрсетілген орамасы бар синхронды генератордың фазалық ЭҚК туғызуының векторлық диаграммасы.

Фазалыº Э²К шамасыны» азаюы (3.4) те»деуiне ораманы» таралу коэффицентiн К_ð енгiзу арºылы ескерiледi (2.3.3 тармаºшасы). °детте статор орамалары толыº емес ºысºартыл¹ан у<ºадаммен орындалады, ол да шар¹ыда индукциялан¹ан Э²Ктi» азаюына ¸келедi (3.5 б,в-сурет), ол (3.4) те»деуiне ºысºару коэффицентiн К_ê енгiзумен ескерiледi (2.3.3). Онда iсж¾зiнде синхронды генератор статорыны» орамасында индукцияланып бiрiнен кейiн бiрi орналасып жал¹ан¹ан орамдардан w т½ратын Э²Ктi» ¸сер етушi м¸нi, былай аныºталады:

(3.7)

ì½íäà¹û Ê₀=Ê_ðÊ_ó индукциялан¹ан Э²Ктi» шамасын азайтºанмен, оны» синусойдалыº болу шарттарын ºамтамасыз ететiн орамалыº коэффицент (2.3.2). Орамалыº коэффицент сан жа¹ынан синхронды генератор статоры орамасында индукцияланатын Э²Ктi» геометриялыº ºосындысыны» (3.5 г-сурет), оны» арифметикалыº ºосындысыны» (3.5 в) шамасыны» ºатынасына те».

3.5-сурет. Синхронды генератор статоры орамасының орамында индукцияланған ЭҚК-і (а) толық (b, c) және қысқарған (b, d) қадамда.

Егер айналым n т½раºтылы¹ы есебiнен ¼зiнi» т½раºтылы¹ын саºтайтын Э²Кнi» жиiлiгiнi» те»деудегi орнына ƒ = рn/60 м¸нiн ºойса, онда, статор орамасында индукцияланатын Э²К Е тек асинхорнды генератор роторында¹ы магнит а¹ыныны» шамасына ¹ана т¸уелдi болады:

Å=ÊÔ (3.8)

м½íäà¹û

Ê=4,44ðnKw/60 (3.9)

(3.8) бен (3.9) - ¼рнектерден к¼рiнгендей, индукциялан¹ан Э²К роторды» магниттiк полюстерi т½¹ыз¹ан ораманы» орамдарыны» санына w₁ магнит а¹ыныны» м¼лшерiне Ф ж¸не оны» ¼згеру жылдамды¹ына, демек синхронды ºоз¹алтºыш роторыны» айналу жылдамды¹ына т¸уелдi. Статор орамасы орамыны» саны ротор айналымы жылдамды¹ыны» конструкциялыº элементi индукциялан¹ан Э²К жиiлiгiнi» мемлекеттiк стандарттыº м¸ндерiн демеушi шартты ретiнде, айнымайтын параметр саналады. Демек, индукциялан¹ан Э²К тек ºана ротор полюстерiндегi туында¹ан ºоздыру орамасы бойымен ¼тетiнi магнит а¹ыныны т¸уелдi (3.8).