Назначение и конструкция синхронных машин.
Синхронной машиной называется электрическая машина переменного тока, у которой частота вращения ротора n находится в строгом соответствии с частотой сети f1: n = n1 = 60 f1 / p.
На статоре синхронной машины располагается трехфазная обмотка переменного тока, называемая обмоткой якоря, а на роторе располагается обмотка постоянного тока, называемая обмоткой возбуждения. Существует две основных разновидности исполнения обмоток возбуждения: распределенные и сосредоточенные. Распределенные обмотки применяются при неявнополюсной конструкции ротора. В каждом пазу располагается только одна сторона катушки. Поэтому такая обмотка является однослойной.
Число катушек на полюсном делении равно qf. Они соединяются последовательно, образуя полное число витков обмотки возбуждения wf = pqfwk, где wk — число витков в катушке.
Неявнополюсную конструкцию ротора имеют быстроходные синхронные машины с 2p=2 и 2p=4. Частота вращения ротора таких машин при f1=50Гц соответственно равна 3000 и 1500 об/мин. Для получения необходимой механической прочности неявнополюсные роторы выполняются из массивной стальной поковки.
Явнополюсная конструкция ротора:
В машинах с 2p≥4 ротор имеет явнополюсную конструкцию. Обмотка возбуждения таких машин выполняется сосредоточенной в виде катушек (1) и размещается на сердечниках полюсов (2). Для закрепления катушек на полюсах используются полюсные наконечники (3). Все катушки соединяются последовательно, образуя полное число витков обмотки возбуждения wf = 2pwk.
Для улучшения динамических свойств синхронной машины в полюсные наконечники помещают дополнительную короткозамкнутую обмотку (4), выполняемую аналогично короткозамкнутой обмотке асинхронной машины. Ее называют успокоительной или демпферной. Иногда роль демпферной обмотки выполняют массивные полюсные наконечники.
2. Принцип действия синхронных машин. Энергетические диаграммы.
А). Режим генератора.
Ротор синхронного генератора (СГ) приводится во вращение специальным приводным двигателем. Постоянное напряжение подается на обмотку индуктора. Вращающееся поле индуктора, воздействует через зазор на проводники статора (якоря), наводя в них ЭДС. Если замкнуть выводные клеммы на сеть (нагрузку), то в нее от синхронного генератора (СГ) будет отдаваться переменное напряжение, а по обмотке якоря будет протекать ток.
Б). Режим двигателя.
К статору подводится питание от трехфазной цепи. При протекании токов по трем фазным обмоткам статора, сдвинутым друг относительно друга на 120° в пространстве, создается вращающееся электромагнитное поле статора (в момент пуска обмотка возбуждения должна быть отключена или зашунтирована большим сопротивлением). Воздействие через зазор на короткозамкнутую демпферную обмотку ротора, первичное поле статора наводит в ней ЭДС.
В демпферной обмотке наводятся электромагнитные силы, которые и приводят ротор во вращение (т.е. точно так же, как и в асинхронном двигателе (АД)). При этом ротор вращается с некоторым скольжением, как в асинхронном двигателе (АД). При достижении скорости вращения ротора, близкой к скорости вращения поля статора (якоря), на индуктор подается постоянное напряжение и ротор втягивается синхронно со строго постоянной скоростью n .
3. Схемы возбуждения синхронных генераторов.
Системы возбуждения генераторов можно разделить на группы:
1) независимое возбуждение, т.е. электромашинные возбудители постоянного и переменного тока сопряженные с валом генератора;
2) самовозбуждение (зависимое возбуждение), т.е. системы возбуждения, получающие питание непосредственно с выводов генератора через специальные понижающие трансформаторы.
Независимое возбуждение генераторов (основное достоинство - возбуждение СГ не зависит от режима электрической сети и поэтому является наиболее надежным) наиболее распространено.
Недостатки: сравнительно невысокая скорость нарастания возбуждения (определяется в основном недостатком возбудителя);снижение надежности работы генератора постоянного тока из-за вибрации и тяжелых условий работы щеток коллектора (для турбогенераторов, имеющих большую частоту вращения).
Системы самовозбуждения, в общем, менее надежны чем системы независимого возбуждения, поскольку в них работа возбудителя зависит от режима сети переменного тока.
Схема независимого электромашинного возбуждения (слева), схема зависимого электромашинного возбуждения, т. е, самовозбуждения (справа).
На схеме; ОВВ(Г) - обмотка возбуждения возбудителя (генератора); ШР - шунтовой реостат; В - возбудитель; АД-асинхронный .двигатель; М - маховик; СГ - синхронный генератор; СН- шины собственных нужд.
Перспективной, особенно для турбогенераторов большой мощности, .является система бесщеточного возбуждения, в которой нет подвижных контактных соединений.
Для создания основного магнитного потока генератора делается обмотка возбуждения с постоянным током. При изменении тока возбуждения изменяется напряжение генератора и отдаваемая с сеть реактивная мощность. Параметры системы возбуждения: сброс нарастания напряжения и кратность форсировки. Системы возбуждения бывают независимого возбуждения и самовозбуждения.
Система независимого электромашинного возбуждения. Регулирование напряжения возбудителя и следовательно тока возбуждения основного генератора осуществляется путем изменения тока в обмотке возбуждения возбудителя. Достоинства: не зависит от режима сети. Недостаток: при больших скоростях вращения влияние коммутации, большая реактивная ЭДС приводит к пробою изоляции коллекторных пластин и выходу коллектора из строя.
Высокочастотная система возбуждения. Состоит из возбудителя, представляющего собой высокочастотный генератор, с тремя обмотками возбуждения, частота 500 Гц. Первая обмотка возбуждения соединена последовательно с обмоткой возбуждения основного генератора. Две другие получают питание от подвозбудителя- генератора с частотой 400 Гц (многополюсный), с постоянными магнитами и обмотками, соединенными в разомкнутый треугольник. Возбудитель и подвозбудитель на одном валу с генератором. Ток в двух других обмотках подвозбудителя регулируется блоками АРВ (поддержание напряжение в нормальном режиме ), УБФ ( устройство бесконтактной форсировки), подключенными к трансформатору тока и напряжения на выводах генератора. Кратность форсировки 2, скорость нарастания напряжения на менее 2 1/с.
Тиристорная система возбуждения. Возбудитель- трехфазная машина с обмотками, соединенными в звезду. Обмотка его возбуждения питается от выпрямительного трансформатора, через выпрямитель. Обмотка возбуждения основного генератора подключена через 2 группы тиристорных выпрямителей: рабочая VS1, и форсировочная VS. При форсировке рабочие тиристоры закрыты более высоким напряжением на VS2.
Бесщеточная система. Проводники, соединяющие обмотку возбуждения с возбудителем проводниками на валу через вращающийся выпрямитель. Исключает необходимость применения щеток и контактных колец.
Система электромашинного самовозбуждения. Возбудитель вращается двигателем, подключенным к трансформатору собственных нужд блока.
Тиристорная система самовозбуждения. Обмотка генератора подключена к тиристорным выпрямителям, получающим питание от ТСН блока. Состоят из управляемых, регулирующих напряжение в нормальном режиме, и неуправляемых, при форсировке.