Zagryadtskiy_elektr_mashiny_3

1.14. Применение синхронных генераторов

1.14.1. Серии синхронных генераторов

Синхронные генераторы в настоящее время выпускаются многими отечественными и зарубежными производителями. Накоплен громадный опыт в разработке и производстве генераторов для выработки электрической энергии трехфазного тока. Выпускаются также специальные генераторы: для параллельной работы с другими источниками питания; с различными степенями защиты для работы в средах

ссодержанием абразивных, агрессивных, коррозионных примесей;

сразличными системами возбуждения; с датчиками контроля температуры обмоток и вибраций подшипников и т. д.

Для того, чтобы привести во вращение синхронный генератор, используются не только электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания, но и паровые, газовые, водяные и ветровые турбины. Высокие эксплуатационные характеристики синхронного генератора являются основанием для его использования не только на электростанциях, но и на крупных промышленных предприятиях.

Разрабатываются варианты источников энергии для АЭС с применением герметичных газонаполненных генераторов. Основные требования к генераторам заключаются в совершенствовании их надежности и получении высокого коэффициента полезного действия.

В последние годы рассматриваются вопросы проектирования новейших генераторов со сверхпроводящими обмотками с использованием электромагнитных подшипников.

Ниже приводятся краткие сведения по некоторым сериям синхронных генераторов.

Серия турбогенераторов ТВВ. В серию ТВВ входят турбогене-

раторы мощностью 63,110,160, 200, 300, 500, 800, 1000, и 1200 МВт на 3000 мин−1 и турбогенераторы 1000 МВт на 1500 мин-1. Исполнение машин – горизонтальное. Турбогенераторы имеют непосредственное охлаждение обмотки статора дистиллированной водой, форсированное охлаждение обмотки ротора водородом, внешней поверхности ротора и сердечника статора – водородом.

Технические данные турбогенератора мощностью 800 МВт: коэффициент мощности 0,9; напряжение обмотки статора 24 кВ; ток

61

статора 21,4 кА; напряжение возбуждения 612 В; ток возбуждения 3790 А; КПД 98,75 %. Перспективны турбогенераторы с полностью водяным охлаждением, а турбогенераторы до 200 МВА – с полностью воздушным охлаждением.

Серия гидрогенераторов. Значительная доля вырабатываемой в России электроэнергии приходится на гидрогенераторы большой мощности. Основное исполнение гидрогенераторов – с вертикальной осью вращения. Мощность генераторов Волжских ГЭС составляет 115 МВт, Братской − 250 МВт, Красноярской − 500 МВт. Мощности единичных гидроагрегатов зависят прежде всего от параметров источников гидроэнергии. Рекордными по полной мощности являются машины ГЭС Итайпу (Бразилия) – 823,6 МВ·А, Саяно-Шушенская ГЭС (Россия) – 820 МВ·А, Гранд-Кули (США) – 600 МВ·А.

Серии генераторов мощностью до 10 МВт.

Серия ГС-2. Генераторы этой марки предназначены для использования в качестве источников трехфазного напряжения частотой 50 Гц, в стационарных и передвижных электроустановках специального электроснабжения потребителей, требующих высокого качества электроэнергии. Диапазон мощностей серии 10…2000 кВт. Генератор ГС-100-Б(Б1), входящий в серию, имеет мощность 100 кВт, напряжение 400 В, частота тока 50 Гц, номинальный коэффициент мощности (индуктивный) 0,8, номинальный ток якоря 180 А, коэффициент полезного действия 92,6 %. Частота вращения 1500 мин−1 , режим работы S1 (продолжительный), система возбуждения бесщеточная.

Серия СГ. Генераторы СГ (СГС, ВГС, ГСБ) со статической или бесщеточной системой возбуждения предназначены для работы с гидротурбинами горизонтального или вертикального исполнения. Режим работы продолжительный. Генераторы изготовляются на мощности 100, 160, 240, 400, 450, 800, 1600 кВт. Напряжение – 400 В и 6300 В. Число полюсов 6, 16, 20, 40.

Структура условного обозначения: СГ – синхронный генератор, Г – горизонтальный, В – вертикальный, С – статическая система возбуждения, Б – бесщеточная.

Серия СГ 2. Трехфазные синхронные генераторы предназначены для работы в стационарных установках. Приводом генератора может быть дизель, паро- и гидротурбина, электродвигатель. Диапазон мощностей от 140…1000 кВт. Частоты вращения 500…1500 мин−1. Генератор имеет тиристорное возбудительное устройство, оно не только обеспечивает управление генератором, но и осуществляет ав-

62

томатическое регулирование возбуждения генератора. Питание возбудительного устройства производится от дополнительной обмотки, уложенной в пазы статора. Начальное возбуждение производится от остаточного напряжения генератора, а также может осуществляться от внешней сети напряжением 220 В. Генераторы выпускаются с право- и левосторонним направлением вращения. В рамках этой серии выпускаются также взрывозащищенные генераторы ВСГ.

Серия БГ. Генераторы этой серии являются общепромышленными электрическими машинами, рассчитанными на частоту 50 и 60 Гц. Они предназначены для работы в составе стационарных автоматизированных агрегатов и в передвижных электроустановках. Мощность генераторов 60 … 315 кВт, напряжение 230 и 400 В. Генераторы выдерживают трехфазное короткое замыкание в течение 5 с, а 50%-ю перегрузку в течение 2 минут. В режиме холостого хода генератор обеспечивает прямой пуск асинхронного электродвигателя мощностью до 70 % номинальной мощности генератора.

Генераторы имеют современную бесконтактную систему возбуждения, автоматическое регулирование напряжения. Отклонение напряжения при изменении нагрузки от 0 до 100 % составляет не более 1 %.

Серия МСК (МСС). Судовые синхронные генераторы предназначены для питания электрической энергией силовых и осветительных установок на судах неограниченного района плавания. Они могут работать автономно, с генераторами соизмеримой мощности и с сетью большой мощности. Сопрягаются генераторы с дизелями или турбинами. Серия генераторов МСК включает в себя четыре машины от 625 до 1000 кВ·А с частотой вращения 1000 мин−1 и шесть машин от 625 до 1875 кВ·А с частотой вращения 1500 мин-1.

Синхронные генераторы МСС изготовляются мощностью 300 кВт с частотой вращения 750 мин-1 .

Генераторы имеют статическую систему самовозбуждения с автоматическим регулированием напряжения при помощи корректора напряжения. Они выдерживают без повреждений аварийное короткое замыкание в течении 10 с в режиме любой нагрузки от холостого хода до номинальной при автоматическом регулировании напряжения

генератора.

Серия ОС. Серия содержит синхронные генераторы мощностью от 5 до 125 кВ·А, с номинальными напряжениями 230 и 400 В. КПД –

80…91,5 %.

63

иповысить тем самым надежность генератора. Бесконтактный генератор может работать при высоких частотах вращения и тяжелых условиях эксплуатации. Он не требует постоянного тока для возбуждения, поэтому электрические потери в роторе отсутствуют. Это позволяет увеличить КПД машины. В качестве магнитов в генераторах используются высококоэрцитивные магниты, например, Nd-Fe-B. Особенностью параметров редкоземельных магнитов являются низкое значение магнитной проницаемости и высокое значение коэрцитивной силы.

На рис. 1.43 представлен вариант исполнения генератора с постоянным магнитом в виде звездочки. Для снижения размагничивающего действия реакции якоря на роторе предусмотрена демпферная система, которая осуществляется путем заливки алюминием зон между полюсами.

Сложной проблемой, возникающей при применении генераторов с постоянными магнитами, является регулирование и стабилизация выходного напряжения. Одной из таких возможных мер, способствующих решению задачи, является включение на выходе генератора стабилизированного по напряжению и частоте двухзвенного полупроводникового преобразователя. Схема генератора с преобразователем приведена на рис. 1.44. Синхронные генераторы с постоянными магнитами применяются в ветроэнергетике, автотранспорте, авиации

ит.д. Наибольший эффект достигается у генераторов с высокими частотами вращения. Так генератор при частоте вращения 72000 мин−1 и

мощностью 100 кВт имеет вес 15 кг.

Также находят применение генераторы, в которых возбуждение осуществляется не только от постоянных магнитов, но одновременно и от обмотки возбуждения. Такие генераторы называются генераторами с комбинированным возбуждением.

65

двухполюсного турбогенератора с воздушным охлаждением. Отличается от генераторов нормального исполнения, рассчитанных на длительную работу тем, что должен отдавать свою мощность в течение короткого промежутка времени, исчисляемого долями секунды. Короткое замыкание длится 0,06…0,15 с, после чего ударный генератор в течение нескольких минут охлаждается. В настоящее время ударные генераторы развивают мощность трехфазного короткого замыкания около 5000 МВ·А.

Индукторный генератор повышенной частоты. Индукторная машина представляет собой синхронный генератор, в котором статор выполняет функцию якоря и индуктора. В ней процесс преобразования энергии обусловлен пульсациями магнитной индукции вследствие зубчатости ротора. Индукторный генератор служит источником электроэнергии тока частот 400…30000 Гц и применяется главным образом в установках индукционного нагрева. Его достоинством является отсутствие колец и щеток. На рис. 1.45 представлена она из возможных конструкций генератора. Генератор состоит из неподвижного корпуса 1, содержащего два кольцеобразных магнитопровода статора 2 с обмотками и вращающегося ротора без обмотки. Ротор содержит втулку 3, на обоих концах которой внутри магнитопроводов статора расположены зубчатые венцы 4. Магнитный поток возбуждается кольцевой катушкой 5, расположенной между магнитопроводами статора. Она получает питание от источника постоянного тока. Принцип действия генератора основан на использовании зубцо-

66

вых пульсаций магнитного потока. При подаче в обмотку возбуждения постоянного тока создается магнитный поток возбуждения (на рис.1.45 показан пунктирной линией). Поток неподвижен в пространстве и не меняет своего направления, а только меняется при вращении зубчатого ротора от величины Фмин до Фмакс. При изменении потока в обеих обмотках статора индуктируется переменная ЭДС.

Генератор с когтеобразными полюсами. Генератор с когтеобразными полюсами – синхронная машина, возбуждаемая кольцевыми обмотками или постоянными магнитами и имеющая полюса когтеобразной формы.

Статор генератора имеет обычную конструкцию, но конструкция ротора генератора с ког-

теобразными полюсами отличает- Рис. 1.45. Принципиальная конструкция

индукторного генератора

ся от исполнения ротора обычного синхронного генератора. Магнитопровод ротора (рис. 1.46) состоит

из диска 1 с когтеобразными выступами, образующими северные полюсы N и диска 2 с когтеобразными выступами, образующие южные полюсы S. Кольцевая обмотка возбуждения 3 располагается между дисками 1 и 2 и питается от возбудителя через контактную систему кольца – щетки. При подаче постоянного тока в обмотку возбуждения появляется магнитное поле возбуждения, магнитные силовые линии которого выходят из северных полюсов, пересекают воздушный зазор и сцепляются с обмоткой якоря, проходят по ярму якоря

ивозвращаются в южные полюса ротора через воздушный зазор

иярмо ротора. Меньшая часть магнитного потока ротора от северных полюсов направляется прямо к южным полюсам, не сцепляясь с обмоткой якоря.

67

Генераторы такого типа изготовляются небольшой мощности и широко применяются на транспорте. В случае применения генератора в автомобилях, каждая фаза генератора соединена с выпрямительным блоком, который распо-

сверхпроводникового металла или сплава, поместить в криостат (сосуд с гелием и системой экранно-вакуумной тепловой изоляции), заполненный жидким гелием с температурой 4,2…18 К, то удельное сопротивление сверхпроводникового материала становится близким к нулю.

Если по сверхпроводниковому материалу протекает постоянный ток, то электрические потери при этом отсутствуют. Это дает возможность значительно увеличить плотность тока в обмотке. Поэтому становится ясным, что в криостат нужно поместить обмотку возбуждения генератора. Увеличенный ток в обмотке возбуждения позволяет поднять индукцию в воздушном зазоре генератора до значительно большей величины, чем в обычном генераторе. По этой причине криогенератор выполняется без ферромагнитного магнитопровода.

При протекании переменного тока в сверхпроводниковой обмотке электрические потери в ней могут быть значительными. Поэтому в генераторах сверхпроводниковые обмотки на якоре не применяются.

68

Если криогенератор выполнен с вращающимся криостатом, то в него непрерывно при вращении подается жидкий гелий. Вакуумные камеры-изоляторы сохраняют холод в генераторе. Испаряясь, гелий поступает в компрессор. Снова сжижается и возвращается в машину по замкнутому циклу. Поэтому для нормальной работы генератора необходимы кроме компрессора, резервуар с гелием, вакуумные насосы и другое оборудование.

Применение криогенератора целесообразно в тех областях, где дополнительная стоимость и сложность эксплуатации будут экономически оправданными.

Внастоящее время созданы криогенераторы на мощности 20 МВт

иведутся работы по проектированию и изготовлению машин на несколько сот мегаватт.

1.15. Системы возбуждения синхронных машин

Система возбуждения – комплекс оборудования, устройств

исборных единиц, предназначенный для питания постоянным током обмотки возбуждения синхронной машины в нормальных и аварийных режимах. Возбудитель является составной частью системы возбуждения. Он представляет собой генератор постоянного тока, либо полупроводниковый преобразователь в комплексе с источником питания переменного тока. Источником переменного тока может быть машина переменного тока, трансформатор или дополнительная обмотка переменного тока в возбуждаемой машине, а также различные сочетания вышеуказанных источников питания.

Внастоящее время существует довольно много систем возбуждения, предназначенных для питания обмоток возбуждения и управления током возбуждения синхронных машин. Системы возбуждения осуществляют следующие режимы работы: начальное возбуждение

иподгонку ЭДС генератора к напряжению сети; работу в объединенных и автономных сетях с нагрузками от холостого хода до номинальной; форсировку возбуждения при снижении напряжения на шинах генератора; ограничение минимального возбуждения по диаграмме мощности генератора; гашение поля генератора.

При возникновении токов короткого замыкания в сетях напряжение на шинах генератора уменьшается. Это приводит к уменьшению электромагнитной мощности генератора. При условии, что мощность

69