Синхронными называются электрические машины, частота вращения которых связана постоянным соотношением с частотой сети переменного тока, в которую эта машина включена . Синхронные машины служат генераторами переменного тока на электрических станциях, а синхронные двигатели применяются в тех случаях, когда нужен двигатель, работающий с постоянной частотой вращения. Синхронные машины обратимы, т.е., могут работать и как генераторы и как двигатели. Синхронная машина переходит от режима генератора к режиму двигателя в зависимости от того, действует на неё вращающая или тормозящая механическая сила. В первом случае она получает на валу механическую, а отдаёт в сеть электрическую энергию, а во втором случае она получает из сети электрическую, а отдаёт на валу механическую.
Практически вся активная мощность, потребляемая в электроэнергетической системе, генерируется с помощью синхронных генераторов. Синхронные компенсаторы используются для компенсации реактивной мощности, поскольку эти машины работают с нулевой активной мощностью, то есть они не являются ни генераторами, ни двигателями. Синхронные машины используются, прежде всего, в качестве генераторов электроэнергии; в этом случае их называют «синхронными генераторами» или «генераторами». Обычно это большие машины, которые генерируют электроэнергию, установленную на гидроэлектростанциях, ядерных или термоэлектрических установках.
Синхронная машина имеет две основных части: ротор и статор, причём статор не отличается от статора асинхронной машины. Ротор синхронной машины представляет собой систему вращающихся электромагнитов, которые питаются постоянным током, поступающим в ротор через контактные кольца и щётки от внешнего источника. В обмотках статора под действием вращающегося магнитного поля наводится ЭДС, которая подаётся на внешнюю цепь генератора. Основной магнитный поток синхронного генератора, создаваемый вращающимся ротором, возбуждается посторонним источником – возбудителем, которым обычно является генератор постоянного тока небольшой мощности, который установлен на общем валу с синхронным генератором. Постоянный ток от возбудителя подаётся на ротор через щётки и контактные кольца, установленные на валу ротора. Число пар полюсов ротора обусловлено скоростью его вращения. У многополюсной синхронной машины ротор имеет p пар полюсов, а токи в обмотке статора образуют также p пар полюсов вращающегося магнитного поля (как у асинхронной машины). Ротор должен вращаться с частотой вращения поля, следовательно, его скорость равна:
В случае гидравлических турбин основным источником энергии является потенциальная энергия, накопленная в резервуарах. В случае паровых турбин первичный источник энергии используется для производства пара, что может быть достигнуто сжиганием топлива. Гидравлические установки используют плотины для повышения уровня воды и обеспечения давления, необходимого для перемещения турбин. Плотины могут также иметь роль формирования накопительного резервуара и могут иметь длительные периоды работы. Существуют также так называемые «водопроводные» установки, в которых емкость для хранения воды ограничена.
n = 60f / p (9.1)
При f = 50Hz и p = 1 n = 3000 об/мин.
С такой частотой вращаются современные турбогенераторы, состоящие из паровой турбины и синхронного генератора большой мощности с ротором, который имеет одну пару полюсов.
У гидрогенераторов первичным двигателем служит гидравлическая турбина, скорость которой от 50 до 750 оборотов в минуту. В этом случае используются синхронные генераторы с явнополюсным ротором, имеющим от 4 до 60 пар полюсов.
Стоимость эксплуатации гидроэлектростанций относительно дешева по сравнению с большинством других типов электростанций, которые сжигают какое-то топливо. Необходимые инвестиции относительно высоки, и, учитывая, что капитал является дефицитным товаром и высокой стоимостью, можно оценить трудности разработки системы в этом типе эксплуатации. Синхронные генераторы с гидравлической турбиной, как правило, выступающие полюса и работают на относительно низких скоростях по сравнению с паровыми турбинами, что отражает большое количество полюсов на некоторых выступающих генераторах полюсов.
Частота вращения дизельгенераторов, соединённых с первичным двигателем – дизелем, находится в пределах от 500 до 1500 об/мин.
В маломощных синхронных генераторах обычно используется самовозбуждение: обмотка возбуждения питается выпрямленным током того же генератора (рис.9.2).
Цепь возбуждения образуют трансформаторы тока ТТ, включённые в цепь нагрузки генератора, полупроводниковый выпрямитель, собранный по схеме трёхфазного моста, и обмотка возбуждения ОВ с регулировочным реостатом R.
Термические установки используют пар, производимый в котлах, которые сжигают какое-то топливо. Например, в случае угля первичная энергия первоначально находится в форме потенциальной химической энергии и преобразуется путем сжигания в тепловую энергию нагретого и высокого давления пара, который, в свою очередь, производит вращательную механическую энергию по мере ее прохождения турбины. Синхронные генераторы, работающие на паровых турбинах, обычно имеют гладкие полюса и работают при относительно высоких оборотах по сравнению с гидравлическими турбинами и, следовательно, делают число полюсов относительно меньшим, чем в случае гидравлических турбин.
Самовозбуждение генератора происходит следующим образом. В момент пуска генератора, благодаря остаточной индукции в магнитной системе, появляются слабые ЭДС и токи в рабочей обмотке генератора. Это приводит к появлению ЭДС во вторичных обмотках трансформаторов ТТ и небольшого тока в цепи возбуждения, усиливающего индукцию магнитного поля машины. ЭДС генератора возрастает до тех пор, пока магнитная система машины полностью не возбудится.
Механический крутящий момент на оси синхронной машины обусловлен взаимодействием двух вращающихся магнитных полей. Одно из этих полей создается током в обмотке возбуждения, который движется с постоянной скоростью, а другое вращающееся поле создается трехфазными токами в обмотках якоря. Мощность в валу измеряется произведением угловой скорости ротора крутящим моментом. В случае генератора механический крутящий момент подается турбиной. В случае двигателя ось машины состоит в том, что она обеспечивает крутящий момент механической нагрузке, подключенной к ее оси.
Среднее значение ЭДС, наводимое в каждой фазе обмотки статора:
Еср = c∙n∙Φ (9.2)
n – скорость вращения ротора;
Φ – максимальный магнитный поток, возбуждаемый в синхронной машине;
c – постоянный коэффициент, учитывающий конструктивные особенности данной машины.
Напряжение на зажимах генератора:
U = E - I ∙z, где
Генерация электрической энергии в больших блоках обусловлена действием вращающихся машин, которые механически приводятся в движение первичной машиной и создают через поля электромагнитной индукции синусоидальную волну напряжения с фиксированной частотой и амплитудой, определяемую классом напряжения генератора. Синхронная машина вращается с постоянной скоростью в стационарных условиях. В отличие от асинхронных машин вращающееся поле в воздушном зазоре и роторе вращается с одинаковой скоростью и называется «синхронной скоростью».
I – ток в обмотке статора (ток нагрузки);
Z – полное сопротивление обмотки (одной фазы).
Для точной подгонки амплитуды ЭДС величину магнитного потока регулируют путём изменения тока в обмотке возбуждения. Синусоидальность ЭДС обеспечивают приданием определённой формы полюсным наконечникам ротора в явнополюсных машинах. В неявнополюсных машинах нужного распределения магнитной индукции добиваются путём особого размещения обмоток возбуждения на поверхности ротора.
Слово «синхронный» означает, что вращающееся поле в воздушном зазоре имеет ту же угловую скорость, что и ротор. Частота наведенного напряжения прямо пропорциональна числу полюсов и скорости вращения ротора. Между ротором и арматурой. Когда ротор вращается, а обмотка возбуждается постоянным током. основанный на принципах Закона Фарадея. Обмотка статора. синхронная машина состоит из двух частей: статора.
«Звездное» соединение используется в большинстве генераторов электрических систем. нейтраль заземлена в этом типе соединения, и это заземление производится с помощью сопротивления или реактивного сопротивления, целью которого является уменьшение тока короткого замыкания. Обмотки якоря трехфазного генератора могут быть связаны в звезде или треугольнике со скоростью 000 об / мин. Черная точка указывает, что положительное направление тока направлено из плоскости бумаги.
К атегория:
Передвижные электростанции
Назначение и устройство синхронных генераторов
Синхронный генератор состоит из двух основных частей: неподвижного статора (якоря) с помещенной в нем обмоткой и подвижного (вращающегося) ротора (индуктора) с обмоткой возбуждения. Назначение обмотки возбуждения состоит в том, чтобы создать в генераторе первичное магнитное поле для наведения в обмотке статора электродвижущей силы (э. д. е)… Если ротор сихронного генератора привести во вращение с некоторой скоростью V и возбудить от источника постоянного тока, то поток возбуждения будет пересекать проводники обмотки статора и в фазах обмотки будут индуктироваться переменные э. д. с. При подключении нагрузки к данной обмотке в ней возникнет вращающееся магнитное поле. Это поле статора генератора будет вращаться в направлении, вращения поля ротора и с такой же скоростью, как поле ротора, в результате чего образуется общее вращающееся магнитное поле.
Для этого используются роторы большой мощности. и это делает машину подходящей для работы по скорости, чтобы иметь обмотку возбуждения, распределенную в пазах, выполненных в осевом направлении вдоль длины ротора 600 об / мин, 000 об / мин или используемых в генераторах с высокой мощностью и, как правило, приводятся в действие паровыми турбинами высокая скорость. Они представляют собой длинные роторы и имеют небольшой диаметр. построенный с двумя или четырьмя полюсами. обычно между 1 и согласно рисунку.
Высокая скорость вращения ротора вызывает высокую центробежную силу. что подразумевает большой диаметр, обеспечивающий необходимое пространство для упаковки полюсов. Однако роторы «выступающих полюсов» имеют обмотки, сконцентрированные на полюсах и неравномерный воздушный зазор. который накладывает верхний предел на диаметр ротора. высокая скорость довольно длительная. Синхронные генераторы с гладким высокоскоростным ротором 5 метров. как показано на рисунке, предел упругости стали накладывает максимальный диаметр.
Скорость вращения магнитного поля синхронного генератора зависит от числа пар полюсов. При заданной частоте чем больше число пар полюсов, тем меньше скорость вращения магнитного поля, т.е. скорость вращения магнитного поля обратно пропорциональна числу пар полюсов. Так, например, при заданной частоте /=50 гц скорость вращения магнитного поля равна 3000 об/мин при числе пар полюсов р= 1, 1500 об/мин при р = 2V 1000 об/мин при р = 3 и т. д.
Поскольку они работают с низкой скоростью вращения, они имеют большое количество полюсов. Это поле называется «полем возбуждения». Токи статора будут протекать в трехфазных обмотках. Если терминал машины остается открытым. Напряжение возбуждения пропорционально скорости машины и потоку возбуждения. который установит вращающееся магнитное поле. Если клеммы статора машины подключены к трехфазной нагрузке8. Рисунок 06. и может быть измерен с помощью вольтметра. который зависит от тока возбуждения. Обрыв или намагничивание, характерные для синхронной машины.
Статор генератора (рис. 1, а) состоит из сердечника, набранного из тонких листов электротехнической стали. Для ограничения вихревых токов листы стали изолированы пленкой лака толщиной 0,08-0,1 мм и прочно спрессованы в виде пакета, называемого пакетом активной стали. В каждом листе стали, выштампованы фигурные вырезы, благодаря чему в пакете, собранном из таких листов, образуются пазы, в которые и укладывается обмотка. Пазы для повышения электрической прочности обмотки и предохранения ее от механических -повреждений изолированы листами электрокартона с лакотканью или миканита. Пакет активной стали укреплен в чугунной или стальной станине генератора.
Изначально. напряжение возбуждения совпадает с напряжением на клеммах. напряжение линейно возрастает с напряжением поля. Здесь мы можем упомянуть некоторые из основных. Номинальный коэффициент мощности. известный как «поток реакции якоря». Существует несколько моделей, которые позволяют делать такие представления. где могут возникать входные и выходные нагрузки выразительных значений. или все еще. определяется в режиме постоянного режима. короткое замыкание. или еще. эта синхронная машина работает вместе с другими на общей шине.
Это реактивное сопротивление называется побочным переходным реактивным сопротивлением и представляет собой синхронную машину в условиях критического короткого замыкания. Однако. реактивное сопротивление, которое его представляет. нагрузка, которой он служит. Эта процедура будет принята в представлении синхронной машины во время исследований потока мощности в постоянном режиме. ток мгновенно поднимется до значений, значительно превышающих номинальные, которые оправдываются внезапным изменением внутреннего потока синхронной машины и, как следствие, изменением внутреннего поведения одного и того же.
Рис. 1. Устройство и схема возбуждения синхронного генератора: а - статор, б - явнополюсный ротор (без обмотки полюсов), в - неявнополюсный ротор; 1 - статор (якорь), 2 - ротор (индуктор), 3- контактные кольца, 4 - полюс, 5 - полюсная катушка индуктора, 6 - возбудитель, 7 - шунтовой регулятор, 8 - щетки
Если в конце концов. и т.д. являются ли они терминальными или нет. поэтому реактивное сопротивление, которое будет представлять его в этом случае, будет номинальным синхронным реактивным сопротивлением. Умноженное на число оборотов. аналогичные тем, которые применяются для других типов машин. ток, который будет отвечать за потери Джоуля в сопротивлении обмотки, будет циркулировать через него. как в генераторе. Принципиальная схема синхронно-генераторной машины. а также наличием магнитных утечек вокруг проводников. ниже: Рисунок 08.
Поток, индуцированный потоком обмотки поля, может быть получен из производного потока по времени. Эта модель используется для анализа стационарной работы обоих двигателей. 11 Более упрощена. Эти эффекты. это моделирование можно суммировать, как показано на рисунке. Поскольку это постоянный режим, переходными процессами, происходящими как в схеме возбуждения, так и в затухающей обмотке, пренебрегают. Рисунок 09. Эквивалентная схема на фазу синхронного генератора в условиях устойчивого состояния. приводят нас к эквивалентной схеме.
Ротор синхронного генератора конструктивно может быть выполнен явнополюсным и неявнополюсным.
Явнополюсный ротор (рис. 1, б) имеет выступающие или, как говорят, явновыраженные полюсы. Такие роторы применяют в тихоходных генераторах со скоростью вращения не более 1000 об/мин. Сердечники полюсов этих роторов набирают обычно из листов электротехнической стали толщиной 1-2 мм, которые прочно скрепляют в пакет стяжными шпильками. На валу ротора полюсы крепят болтами или при помощи Т-образного хвостовика полюса, укрепляемого в специальных пазах, профре-зерованных в стальном теле ротора.
Как и в других случаях модели с нейтральной фазой. Когда ток выходит из клемм машины. Зв как уже обсуждалось. воспринято как положительное. Противоположность. мощность имеет тенденцию вытекать из машины. подключены к системе питания, известной как Бесконечная шина. потому что. при анализе конкретного рабочего состояния синхронной машины в частности. согласно рисунку и с этого момента. также верно при анализе машины, работающей в качестве генератора. при анализе работы двигателя. более типичный тип «генератора».
Поскольку большое количество синхронных генераторов соединены вместе, напряжение и частота бесконечных шин редко меняются. Обе операции приемлемы. интуитивно может быть более удовлетворительным выбрать направление ссылки, в котором ток течет в машину. это то, что обычно будет использоваться. Эти генераторы. 13 Обратите внимание, что эти два представления эквивалентны. Для удобства расчета. не зависит от того, работает ли синхронная машина в качестве двигателя или как генератор. Генерация электроэнергии высокой мощности осуществляется с помощью синхронных генераторов при относительно низком уровне напряжения.
Обмотку возбуждения наматывают изолированным медным проводом соответствующего сечения. В роторах синхронных генераторов, предназначенных для работы в электроустановках, где в качестве первичных двигателей применяются дизели, предусматривается так называемая успокоительная обмотка. Успокоительная или как еще ее называют демпферная обмотка служит для успокоения свободных колебаний, возникающих при внезапных изменениях режима работы синхронных генераторов (резкие сбросы нагрузки, падение напряжения, изменение тока возбуждения и др.), особенно в тех случаях, когда несколько генераторов работают параллельно на общую сеть.
Трансформатор большой мощности используется для повышения уровня выходного напряжения генератора, чтобы соответствовать его уровню напряжения бесконечной шины. так что энергия может передаваться в центры потребления. порядка 15 кВ. коммерческих и промышленных. где это снизит этот уровень напряженности до уровней, совместимых с потреблением в жилых помещениях. обычно порядка сотен кВ. Операция подключения синхронного генератора к бесконечной шине называется «параллелизмом с бесконечной шиной». с одинаковой частотой и последовательностью фаз. 14 Нагрузки выводятся из бесконечной шины для нескольких нагрузочных центров.
Неявнополюсным называют ротор, имеющий вид цилиндра без выступающих полюсов. Такие роторы выполняют обычно двух- или четырехполюсными.
Явнополюсные роторы для быстроходных машин не применяют из-за сложности изготовления крепления полюсов, способных выдерживать большие центробежные усилия.
Неявнополюоный ротор (рис. 1, в) состоит из вала и стальной поковки с профрезерованными в ней пазами, в которые уложена обмотка возбуждения. В остальном неявнополюсный ротор конструктивно выполнен так же, как и явнополюсный.
Конструкция проводников роторной обмотки выбирается в зависимости от типа ротора: для обмоток явнополюсных роторов применяют прямоугольные или круглые изолированные провода, а также голые медные полосы, гнутые на ребро и изолированные полосками миканита; обмотки неявнополюсных роторов выполняют из изолированных витков плоской твердокатаной меди, укладываемых в изолированные пазы роторов.
Концы обмотки ротора (индуктора) выведены и присоединены к контактным кольцам на валу ротора. К индуктору подводится постоянный ток от какого-либо внешнего источника. В качестве источника тока возбуждения синхронных генераторов мощностью до 20 кет применяют полупроводниковые выпрямители, а для более мощных генераторов - специальные машины постоянного тока (возбудители), помещаемые обычно на общем валу с ротором генератора или механически соединяемые с генератором посредством полумуфт. Возбудитель представляет собой генератор постоянного тока, мощность которого, как правило, составляет 1-3% номинальной мощности питаемого им генератора. Номинальное напряжение возбудителей невелико и у синхронных генераторов средней мощности не превышает 150 в. Постоянный ток для возбуждения синхронных генераторов может быть получен с помощью ртутных, полупроводниковых или механических выпрямителей. Для возбуждения синхронных генераторов мощностью до 20 кет чаще всего применяют селеновые или германиевые выпрямители.
Ток возбуждения в проходит от источника до индуктора по следующему пути: источник постоянного тока - неподвижные щетки на контактных кольцах, контактные кольца ротора - обмотки полюсов индуктора. Этот путь показан схематически на рис. 1, а. Синхронный генератор обладает свойством обратимости, т.е. может работать и в качестве электродвигателя, если обмотку его статора присоединить к сети трехфазного переменного тока.
К атегория: - Передвижные электростанции
