Zagryadtskiy_elektr_mashiny_3

В.И. Загрядцкий

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

ЧАСТЬ 3. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

0

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ - УЧЕБНО-НАУЧНО- ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС»

В.И. Загрядцкий

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

ЧАСТЬ 3. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Рекомендовано ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» для использования в учебном процессе в качестве учебника для высшего профессионального образования

Орел 2013

1

УДК 621.313:[621.313.2 +621.313.32](075)

ББК 31.261Я7 + 31.261.5Я7 + 31.261.62 З-14

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электрооборудование и энергосбережение»

Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Государственный университет - учебно-научно- производственный комплекс»

А.Н. Качанов,

доктор технических наук, профессор кафедры «Электромеханические системы и электроснабжение» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Воронежский государственный технический университет»

К.Е. Кононенко

Загрядцкий, В.И.

3-14 Электрические машины: учебник для вузов: в 3 ч. Ч. 3: Синхронные машины. Машины постоянного тока ⁄ В.И. Загрядцкий.

– Орел: ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК», 2013. – 164 с.

ISBN 978-5-93932-582-0

Учебник содержит в соответствии с программой особенности физических процессов и общие вопросы теории синхронных машин и машин постоянного тока, их конструктивное исполнение, основные характеристики, а также эксплуатационные особенности применения в различных отраслях промышленности.

Предназначен студентам, обучающимся по направлению подготовки 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника», профиль «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений», изучающим дисциплину «Электрические машины», может быть полезен аспирантам и преподавателям вузов, инженерно-техническим работникам, занятым в области электрических машин.

УДК 621.313:[621.313.2 +621.313.32](075)

ББК 31.261Я7 + 31.261.5Я7 + 31.261.62

ISBN 978-5-93932-582-0 © ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК», 2013

2

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие………………………………………………………………5

2.16.Особенности работы двигателей от выпрямителей………151

2.17.Применение машин постоянного тока в различных отраслях хозяйства………………………………………………..152

ПРЕДИСЛОВИЕ

Третья часть учебника «Электрические машины» состоит из двух разделов: первый по синхронным машинам, второй – по коллекторным машинам постоянного тока. Эти два направления обладают целым рядом объединяющих их общих признаков: машины имеют обмотки возбуждения, питаемые постоянным током, либо возбуждение осуществляется постоянными магнитами; в машинах происходят одинаковые процессы при наведении ЭДС вращения; и в синхронных машинах и в машинах постоянного тока имеет место реакция якоря. В сущности, принцип действия машины переменного тока и машины постоянного тока одинаковы.

В третьей части учебника сжато излагаются вопросы теории электрических машин, однако она не перегружена математическими выкладками. Они даются лишь в той мере, в какой необходимы для количественного анализа явлений и проведения практических расчетов. В учебнике также уделяется внимание конструктивному исполнению и эксплуатации машин. Кроме основных видов в учебнике рассматриваются некоторые машины специального исполнения. Изложение материала учебника сопровождается вопросами для самостоятельного изучения, а также решением типовых задач.

Учебник «Электрические машины» соответствует программе подготовки инженеров-электриков по направлению 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника» и профилю «Электрооборудование и электрохозяйство промышленных предприятий, учреждений и организаций». Он может быть полезен для широкого круга специалистов, работающих с электрическими машинами.

Автор считает своим долгом выразить благодарность профессору К.Е. Кононенко и профессору А.Н. Качанову, рецензировавшим рукопись учебника, канд. техн. наук доценту С.Ю. Свидченко, а также студентам Ф.С. Загрядцкому, А.А. Девину, С.А. Жилину, С.С. Шаталову, М.А. Козорезову за помощь в работе.

5

1. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

1.1. Общие сведения о синхронных машинах

1.1.1. Отличия синхронных машин от машин других классов

Синхронные машины представляют собой важный класс электрических машин переменного тока, которые нашли широкое применение в современных электротехнических установках. Они отличаются от асинхронных машин следующими признаками: синхронные машины обладают ценным свойством – жесткой связью между электрической частотой питающего напряжения и частотой вращения; в режиме генератора они не нуждаются в источнике реактивной энергии или конденсаторах для самовозбуждения, что имеет место в асинхронных генераторах. В режиме двигателя синхронная машина может работать, не потребляя из сети и не отдавая реактивную энергию в сеть, т.е. с коэффициентом мощности, равным единице. Такой режим невозможен для асинхронного двигателя.

Синхронные машины конструктивно отличаются и от машин постоянного тока тем, что в них отсутствует коллектор, а якорная обмотка присоединена к сети переменного тока. Магнитное поле якоря является вращающимся в пространстве полем, в то время как в машинах постоянного тока оно фиксировано в пространстве. Существуют и другие отличия синхронных машин от упомянутых выше машин.

1.1.2.Типы и режимы работы синхронных машин

Синхронные машины могут работать в режимах генератора, двигателя, компенсатора, двигателя-генератора, но практически в конструкциях выполненных машин имеются существенные различия, обусловленные особенностями каждого из режимов.

Синхронные генераторы

На всех электрических станциях в качестве основных источников электроэнергии трехфазного переменного тока 50 ⁄60 Гц используются синхронные генераторы. Они могут работать как в автономном режиме, так и параллельно с энергосистемой.

6

Генераторы бывают двух типов: явнополюсные и неявнополюсные, (рис. 1.1). В явнополюсной конструкции (рис. 1.1, а) ротор выполняется в виде отдельных явно выраженных полюсов, на которых размещаются сосредоточенные катушки обмотки возбуждения. Катушки удерживаются полюсными наконечниками. Для того, чтобы форма магнитного поля возбуждения приближалась к синусоидальной, полюсный наконечник выполняется скошенным, т.е. расстояние между полюсом и статором по оси полюса делается меньше, чем расстояние между краями полюсного наконечника и статором. При таком устройстве ротора, а также при наличии больших междуполюс-

и имеет форму массивного стального цилиндра. На большей части его поверхности выполнены пазы для укладки распределенной обмотки возбуждения. При таком выполнении ротора воздушный зазор машины является практически равномерным.

Явнополюсный синхронный генератор − тихоходная многопо-

люсная машина, приводимая во вращение низкоскоростным первичным двигателем. Наиболее распространенный двигатель такого рода

– гидравлическая турбина. Генераторы, соединяемые с гидравлическими турбинами, носят название гидрогенераторов. Они выпускаются с широким диапазоном мощностей, вплоть до 800 МВт и коэффициентом полезного действия 97…98,7 %. Частота вращения таких генераторов лежит в диапазоне 46,9…500 мин−1. Небольшие частоты вращения обусловили значительные диаметры ротора при их относительно малой длине. Так гидрогенератор 640 МВт имеет диаметр расточки статора 11,85 м при его длине 2,75 м.

7

По типу приводного двигателя мощные генераторы делятся на генераторы горизонтального и вертикального исполнений.

Генераторы с вертикальным валом бывают подвесными или зонтичными, (рис. 1.2). Они отличаются друг от друга расположением подпятника (упорного подшипника), воспринимающего вертикальные усилия, действующие на вал агрегата.

В генераторах подвесного типа (рис. 1.2, а) подпятник расположен на верхней крестовине выше ротора генератора, через которую вес вращающихся частей и осевая нагрузка реакции воды передается

При частотах вращения до величин 200 мин-1 генераторы выполняются в зонтичном исполнении, при частотах вращения более 200 мин-1 – в подвесном исполнении.

Отмеченные границы конструктивных типов не являются строгими.

Гидрогенераторы средней мощности изготовляются на мощности от 100 до 1600 кВт как горизонтального, так и вертикального исполнения.

К специальным генераторам относятся капсульные генераторы, генераторы-двигатели. Горизонтальный капсульный гидрогенератор

исвязанная с ним гидротурбина образуют герметизированный блок (капсулу) обтекаемой формы, работающей непосредственно в потоке воды. Их мощность составляет от 1 до 50 МВт. Особое место занимают так называемые обратимые гидроагрегаты, состоящие из обратимой электромашины, которая может работать как генератором, так

иэлектродвигателем, и обратимой гидромашины (гидротурбины), которая в зависимости от направления вращения может работать как турбина или как насос.

8

В режиме генератора электрическая машина вырабатывает электроэнергию во время дефицита «пиковой» мощности в энергосистеме. Работая в режиме двигателя, электрическая машина потребляет мощность из энергосистемы во время ночного «провала» в суточном графике нагрузки. Обратимые гидроагрегаты широко применяются на низконапорных ГЭС (с напором 15…20 м), а также на гидроаккумулирующих и приливных гидростанциях. Генераторы с горизонтальным валом широко используются в качестве дизель-генераторов в передвижных и стационарных установках. Они сочленяются с дизельными двигателями внутреннего сгорания. Частота вращения

1500…3000 мин−1.

Неявнополюсный синхронный генератор – быстроходный ге-

нератор, приводимый во вращение паровой или газовой турбиной, двигателем внутреннего сгорания, газовым двигателем, электродвигателем. По конструкции этот вид генераторов, также как и гидрогенераторы, может быть горизонтального и вертикального исполнений. Преимущественное исполнение – горизонтальное. Наиболее мощной машиной этой группы является турбогенератор.

Единичные мощности крупных турбогенераторов достигают значительных величин. В эксплуатации на электростанциях находятся генераторы мощностью 1200 МВт с коэффициентом полезного действия 99 %. Высокие частоты вращения накладывают ограничение по прочности на диаметры ротора, поэтому ротор турбогенератора для выработки нужной мощности имеет значительную длину. В генераторе 1200 МВт диаметр ротора составляет 1,55 м, а его длина − 8 м. Большинство современных машин являются двухполюсными. В настоящее время ведутся разработки более мощных генераторов с использованием сверхпроводимости и электромагнитных подшипников.

На практике находят также применение специальные синхронные генераторы: ударные генераторы, генераторы повышенной и высокой частоты, генераторы для атомной энергетики и др.

Ударный синхронный генератор предназначен для получения мощных кратковременных импульсов в режиме короткого замыкания, он находит применение в установках для научных исследований, для испытания высоковольтной коммутирующей аппаратуры и т.д. Развиваемая мощность до нескольких ГВА.

В некоторых случаях в технике используются токи более высоких частот, чем частота 50 или 60 Гц. Это частоты 400...500 Гц. Напряжение таких и более высоких частот вплоть до 10000 Гц можно получить, если генератор привести во вращение с частотой вращения бо-

9