Статор 1 синхронной машины (рис. 1.1, а) выполнен так же, как и асинхронной: на нем расположена трехфазная (в общем случае многофазная) обмотка 3. Обмотку ротора 4, которая питается от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, так как она создает в машине магнитный поток возбуждения.

Рис. 1.1 – Электромагнитная схема синхронной машины (а) и схема ее включения (б):

1 – статор, 2 – ротор, 3-обмотка якоря, 4 – обмотка возбуждения,

5 – контактные кольца, 6 – щетки

Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец 5 и щеток 6. При вращении ротора 2 с некоторой частотой n2 поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в ее фазах переменную э. д. с. E (рис. 1.1, б), изменяющуюся с частотой

f1=pn2/60 (1.1)

Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то протекающий по этой обмотке многофазный ток Ia создаст вращающееся магнитное поле, частота вращения которого

n1=60f1/p. (1.2)

Из (1.1) и (1.2) следует, что n1 = n2, т.е. ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. По этой причине рассматриваемую машину называют синхронной. В такой машине результирующий магнитный поток Фрез создается совместным действием м. д. с. обмотки возбуждения и обмотки статора и результирующее магнитное поле вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор.

В синхронной машине обмотку, в которой индуктируется э. д. с. и протекает ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения, – индуктором. Следовательно, в машине, выполненной по конструктивной схеме, представленной на рис. 1.1, статор является якорем, а ротор – индуктором. С точки зрения принципа действия и теории работы машины безразлично, вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной конструктивной схемой: обмотка якоря, к которой подключена нагрузка, расположена на роторе, а обмотка возбуждения, питаемая постоянным током, – на статоре.

Синхронная машина может работать автономно в качестве генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, или параллельно с сетью, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т.е. работать генератором или двигателем. При подключении обмотки статора к сети с напряжением Uс и частотой f1 протекающий по обмотке ток создает, так же как в асинхронной машине, вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется по (1.2). В результате взаимодействия этого поля с током Iв, протекающим по обмотке ротора, создается электромагнитный момент М, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а при работе в генераторном режиме–тормозным. Таким образом, в рассматриваемой машине в отличие от асинхронной поток возбуждения (холостого хода) создается обмоткой постоянного тока, расположенной на роторе. Поэтому в установившихся режимах ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается вместе с ним с частотой вращения n1 = n2, независимо от механической нагрузки на валу ротора или электрической нагрузки.

Таким образом, синхронная машина имеет следующие особенности, характерные для установившихся режимов работы:

а) ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной частотой, равной частоте вращающегося магнитного поля, т.е. n2 = n1;

б) частота изменения э. д. с. Е, индуктируемой в обмотке якоря, пропорциональна частоте вращения ротора;

в) в обмотке ротора э. д. с. не индуктируется, а ее м. д. с. определяется только током возбуждения и не зависит от режима работы.

1.2 Устройство синхронной машины

Конструктивная схема машины. Синхронные машины выполняют с неподвижным или вращающимся якорем. Машины большой мощности для удобства отвода электрической энергии со статора или подвода ее выполняют с неподвижным якорем (рис. 1.2, а)

Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3–3%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух колец не вызывает особых затруднений. Синхронные машины небольшой мощности выполняют как с неподвижным, так и с вращающимся якорем.

Рис. 1.2 – Конструктивная схема синхронной машины

с неподвижным и вращающимся якорем:

1 – якорь, 2 – обмотка якоря, 3 – полюсы индуктора,

4 – обмотка возбуждения, 5 – кольца и щетки

Синхронную, машину с вращающимся якорем и неподвижным индуктором (рис. 1.2, б) называют обращенной.

Рис. 1.3 – Роторы синхронной явнополюсной (а) и неявнополюсной (6) машин:

1 – сердечник ротора, 2 – обмотка возбуждения

Конструкция ротора. В машине с неподвижным якорем применяют две конструкции ротора: явнополюсную – с явно выраженными полюсами (рис. 1.3, а) и неявнополюсную – с неявно выраженными полюсами (рис. 1.3, б). Явнополюсный ротор обычно используют в машинах с четырьмя и большим числом полюсов. Обмотку возбуждения выполняют в этом случае в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках полюсов и укрепляют при помощи полюсных наконечников. Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготовляют из стали. Двух- и четырехполюсные машины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1500 и 3000 об/мин, изготовляют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения необходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотку возбуждения в такой машине размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки, и укрепляют немагнитными клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят при помощи стальных массивных бандажей. Для получения распределения магнитной индукции, близкого к синусоидальному, обмотку возбуждения укладывают в пазы, занимающие 2/3 каждого полюсного деления.

Рис. 1.4 – Устройство явнополюсной машины:

1 – корпус, 2 – сердечник статора, 3 – обмотка статора, 4 – ротор,

5 – вентилятор, 6 – выводы обмотки статора, 7 – контактные кольца,

8 – щетки, 9 – возбудитель

На рис. 1–4 показано устройство явнополюсной синхронной машины. Сердечник статора собран из изолированных листов электротехнической стали и на нем расположена трехфазная обмотка якоря. На роторе размещена обмотка возбуждения.

Полюсным наконечникам в явнополюсных машинах обычно придают такой профиль, чтобы воздушный зазор между полюсным наконечником и статором был минимальным под серединой полюса и максимальным у его краев, благодаря чему кривая распределения индукции в воздушном зазоре приближается к синусоиде.

В синхронных двигателях с явнополюсным ротором в полюсных наконечниках размещают стержни пусковой обмотки (рис. 1–5), выполненной из материала с повышенным удельным сопротивлением (латуни и др.). Такую же обмотку (типа «беличья клетка»), состоящую из медных стержней, применяют и в синхронных генераторах; ее называют успокоительной или демпферной обмоткой, так как она обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих при переходных режимах работы синхронной машины. Если синхронная машина выполнена с массивными полюсами, то в этих полюсах при пуске и переходных режимах возникают вихревые токи, действие которых эквивалентно действию тока в короткозамкну-тых обмотках. Затухание колебаний ротора при переходных процессах обеспечивается в этом случае вихревыми токами, замыкающимися в массивном роторе.

Возбуждение синхронной машины. В зависимости от способа питания обмотки возбуждения различают системы независимого возбуждения и самовозбуждения. При независимом возбуждении в качестве источника для питания обмотки возбуждения служит генератор постоянного тока (возбудитель), установленный на валу ротора синхронной машины (рис. 1.6, а), или же отдельный вспомогательный генератор, приводимый во вращение синхронным или асинхронным двигателем.

При самовозбуждении обмотка возбуждения питается от обмотки якоря через управляемый или неуправляемый выпрямитель – полупроводниковый или ионный (рис. 1.6, б). Мощность, необходимая для возбуждения, невелика и составляет 0,3–3% от мощности синхронной машины.

В мощных генераторах иногда кроме возбудителя применяют подвозбудитель – небольшой генератор постоянного тока, служащий для возбуждения основного возбудителя. В качестве основного возбудителя в этом случае может быть использован синхронный генератор совместно с полупроводниковым выпрямителем. В настоящее время питание обмотки возбуждения через полупроводниковый выпрямитель, собранный на диодах или на тиристорах, все более широко применяют как в двигателях и генераторах небольшой и средней мощности, так и в мощных турбо- и гидрогенераторах (тиристорная система возбуждения). Регулирование тока возбуждения Iв осуществляется автоматически специальными регуляторами возбуждения, хотя в машинах небольшой мощности применяется регулирование и вручную реостатом, включенным в цепь обмотки возбуждения.

В последнее время в мощных синхронных генераторах начали применять так называемую бесщеточную систему возбуждения (рис. 8–6, в). При этой системе в качестве возбудителя используют синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу.

Рис. 1.5 – Размещение пусковой обмотки в синхронных двигателях:

1-полюсы ротора, 2-короткозамыкающие кольца, 3 – стержни беличьей клетки,

4 – полюсные наконечники

Обмотка возбуждения возбудителя получает питание от подвозбудителя через регулятор напряжения. При таком способе возбуждения в цепи питания обмотки возбуждения генератора отсутствуют скользящие контакты, что существенно повышает надежность системы возбуждения. При необходимости форсирования возбуждения генератора повышают напряжение возбудителя и увеличивают выходное напряжение выпрямителя.

1.3 Особенности конструкции машин большой мощности

Синхронные машины большой мощности являются весьма напряженными в конструктивном отношении: отдельные части машины имеют очень большие механические и электромагнитные нагрузки; по интенсивности нагрузок они превосходят все другие электрические машины. Поэтому в них выделяется большое количество тепла, что потребовало применения весьма интенсивного охлаждения.

Стремление получить максимальную мощность в заданных габаритах или минимальные габариты при заданной мощности, характерное для проектирования всех электрических машин, в синхронных машинах привело к появлению своеобразных конструкций, сильно отличающихся друг от друга и определяемых в основном типом первичного двигателя.

По конструкции крупные синхронные машины подразделяют на турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы, синхронные компенсаторы и синхронные двигатели.

Рис. 1.6 – Схемы возбуждения синхронной машины:

1 – обмотка якоря генератора, 2 – ротор генератора, 3 – обмотка возбуждения,

4 – кольца, 5 – щетки, 6 – регулятор напряжэния, 7 – возбудитель, 8 – выпрямитель,

9 – ротор возбудителя, 10 – обмотка якоря возбудителя, 11 – обмотка возбуждения

возбудителя, 12 – под-возбудитель, 13 – обмотка возбуждения подвозбудителя

Турбогенераторы. Эти машины, приводимые во вращение быстроходными паровыми или газовыми турбинами, выполняют неявно-полюсными. Турбогенераторы, предназначенные для установки на тепловых электростанциях обычного типа, работают, как правило, при максимально возможной частоте вращения 3000 об/мин (имеют два полюса), что позволяет существенно уменьшить габариты и массу машины и паровой турбины. На атомных электростанциях реакторы вырабатывают пар с относительно низкими температурой и давлением. Поэтому для них более экономичными являются турбины и турбогенераторы с частотой вращения 1500 об/мин (имеют четыре полюса). Однако из-за этого значительно увеличивается диаметр ротора турбогенератора (при одинаковой мощности приблизительно в √2 раз).

Турбогенераторы выполняют с горизонтальным расположением вала ротора (рис. 1.7). При мощности до 30 МВт (турбогенераторы типа Т2) они имеют поверхностное или косвенное (посредством обдува) воздушное охлаждение, а при больших мощностях (турбогенераторы типа ТВ и ТВ2) – косвенное водородное.

Рис. 1.7 – Общий вид турбогенератора ТВВ-1200–2:

1 – корпус, 2 – камеры для сбора и распределения охлаждающего газа, 3 – статор,

4 – обмотка статора, 5 – подшипник, 6 – вал, 7 – ротор

В турбогенераторах мощностью более 60 МВт применяют непосредственное внутреннее охлаждение проводов обмоток водородом, дистиллированной водой и трансформаторным маслом.

В турбогенераторах с косвенным водородным охлаждением избыточное давление водорода составляет (0,035 – 0,05)·105 Па, при этом исключается проникновение воздуха внутрь корпуса через неплотности и масляные уплотнения концов вала. Смесь водорода с воздухом взрывоопасна при содержании водорода в смеси от 7 до 70%, поэтому содержание водорода в корпусе поддерживается на уровне примерно 97%. Несмотря на это, корпус машины с водородным охлаждением обычно рассчитывают так, чтобы давление, развивающееся при возможном взрыве водорода, не повредило машину.

В турбогенераторах с непосредственным (внутренним) охлаждением охлаждающее вещество циркулирует внутри проводников обмоток (рис. 1.8, а) или по каналам, непосредственно соприкасающимся с проводниками (рис. 1.8, б, в). При использовании для этой цели водорода избыточное давление в машине повышается до (3–4)·105 Па, что обеспечивает значительное увеличение теплоемкости, коэффициента теплопередачи и способности к теплоудалению по сравнению с воздухом при атмосферном давлении (примерно в 3–4 раза). Еще большей способностью к теплоудалению обладают трансформаторное масло и вода (соответственно в 16,5 и в 125 раз больше, чем у воздуха).

Рис. 1.8 – Выполнение внутренних каналов в обмотках статора (а) и ротора (б, в)

в турбогенераторах с непосредственным охлаждением:

1 – пазовая изоляция, 2 – полые проводники, 3 – каналы для прохода охлаждающего вещества, 4 – изоляционные прокладки, 5 – клин, 6 – канал для забора и выброса охлаждающего газа из зазора между ротором и статором

В настоящее время в СССР применяют следующие системы непосредственного охлаждения турбогенераторов:

а) аксиальная система охлаждения обмоток статора, ротора и сердечника статора водородом повышенного давления, который подается с помощью центробежного компрессора, проходит по аксиальным каналам сердечника статора и полым проводникам обмоток и поступает в газоохладитель, охлаждаемый водой (турбогенераторы типа ТГВ-200; ТГВ-300). При водородном охлаждении газоохладители встраивают в корпус статора или в концевые части машины;

б) многоструйная радиальная система охлаждения водородом повышенного давления, в которой обмотка ротора имеет непосредственное охлаждение, а обмотка статора – поверхностное (турбогенераторы типа ТВФ). При этом водород нагнетается двумя вентиляторами, установленными по концам вала, и разделяется на отдельные струи, которые охлаждают лобовые части обмоток статора и ротора, сердечник статора (проходя по радиальным каналам), обмотку ротора и наружные поверхности статора и ротора. Отдельные струи сходятся в центральной части машины и подаются оттуда в газоохладитель;

в) многоструйная радиальная система охлаждения сердечника статора и обмотки ротора водородом и одноструйная система охлаждения обмотки статора водой (турбогенераторы типа ТВВ);

Рис. 1.9 – Схемы подачи водорода в проводники обмотки ротора в турбогенераторах

при аксиальной и многоструйной радиальной системах охлаждения:

1 – лобовые части обмотки, 2 – каналы для входа водорода, 3 – клинья,

4 – каналы для выхода водорода, б – проводники обмотки

г) система охлаждения обмоток статора и ротора водой, а сердечников статора и ротора, а также внутреннего пространства машины воздухом или водородом (турбогенераторы типа ТГВ-500);

д) система охлаждения обмотки и сердечника статора маслом, обмотки ротора водой, а сердечника ротора и внутреннего пространства машины воздухом или водородом. В этом случае ротор отделен от статора изоляционным цилиндром и полость статора заполнена маслом (турбогенераторы ТГМ).

На рис. 1.9 показаны схемы подачи охлаждающего газа в проводники обмотки ротора при непосредственном водородном охлаждении. При аксиальной системе охлаждения водород попадает под бандажные кольца ротора с обеих сторон машины (рис. 1.9, а), охлаждает их и выбрасывается через радиальные отверстия в зазор между ротором и статором. При многоструйной радиальной системе охлаждения водород, поступивший в воздушный зазор через радиальные каналы статора в зоне выхода из них газа, захватывается специальными заборниками внутрь ротора (рис. 1.9, б), проходит по каналам, имеющимся в пазах ротора, и выбрасывается обратно в воздушный зазор в зоне входа газа в каналы статора.

На рис. 1.10, а, б показано устройство для подачи и отвода охлаждающей воды к проводникам обмотки статора. Проводники обмотки статора сообщаются с коллекторами холодной и нагретой воды патрубками, выполненными из изоляционного материала. Нагретая вода проходит через охладитель и вновь поступает в коллектор холодной воды.

Роторы турбогенераторов изготовляют из цельных поковок высококачественной стали (рис. 1.11, а). Диаметр ротора D определяется условиями механической прочности; для ограничения действующих на ротор центробежных сил он не должен превышать 1,0–1,5 м, поэтому приходится увеличивать его длину. Однако и длина ротора ограничивается допустимым прогибом вала и возникающими при этом вибрациями.

Рис. 1.10 – Устройство для подачи и отвода охлаждающей воды в проводники обмотки статора: а – общий вид; б – конструктивная схема:

1 – сборный коклектор охлаждающей воды, 2 – гибкие изолирующие шланги,

3 – сборный коллектор нагретой воды, 4 – водораспределительный наконечник,

5 – стержень, подводящий воду к обмотке, 6 – стержень, отводящий воду от обмотки

Для того чтобы прогиб вала при неподвижном роторе не превышал 2,5 мм, длина ротора l турбогенератора не должна превышать 7,5–8,5 м. Следовательно, отношение l/D достигает 5 ÷ 6. Указанные размеры ротора являются предельными по возможностям металлообрабатывающих заводов. В СССР такие поковки ротора выпускают с 1932 г. Хотя с тех пор ощутимого прогресса в увеличении размеров ротора не произошло (и в СССР, и за рубежом), мощность турбогенератора со 100 МВ-А при воздушном охлаждении возросла до 800–1200МВ·А за счет снижения механических потерь при переходе к водородному охлаждению поверхности вращающегося ротора и за счет увеличения электромагнитных нагрузок при повышенной интенсивности охлаждения в системах, описанных выше.

Рис. 1.11 – Общий вид роторов турбогенератора (а), гидрогенератора (б) и синхронного двигателя (в):

1 – контактные кольца, 2 – кольцевые бандажи, 3 – ротор, 4 – металлические клинья,

5 – вентилятор, 6 – вал, 7 – обмотка возбуждения, 8 – полюсы, 9 – пусковая обмотка

Гидрогенераторы. Эти машины приводятся во вращение сравнительно тихоходными гидравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50–500 об/мин, поэтому их выполняют с большим числом полюсов и явнополюсными роторами (рис. 1.11, б). Диаметр ротора достигает у мощных машин 16 м при длине 1,75 м (в генераторах мощностью 590 – 640 МВ·А), т.е. для таких генераторов отношение l/D = 0,11 ÷ 0,20.

Гидрогенераторы мощностью свыше нескольких десятков мегавольт-ампер выполняют с вертикальным расположением вала (рис. 1.12). На роторе такого гидрогенератора с помощью фланца укрепляют ротор турбины, вследствие чего роторы имеют общие подшипники. В верхней части гидрогенератора на одном с ним валу обычно устанавливают вспомогательные машины: возбудитель генератора с подвозбудителем и дополнительный синхронный генератор, предназначенный для питания электродвигателей автоматического масляного регулятора турбины.

В конструкции гидрогенераторов с вертикальным расположением вала весьма ответственной частью является упорный подшипник (подпятник), который воспринимает массу роторов генератора и турбины, давление воды на лопасти турбины, а также динамические усилия.

Рис. 1.12 – Общий вид гидрогенератора с вертикальным расположением вала:

1 – верхняя крестовина, 2 – статор, 3 – полюсы ротора. 4 – обод ротора, 5 – вал

В зависимости от расположения подпятника гидрогенераторы подразделяют на подвесные и зонтичные. В подвесных гидрогенераторах (рис. 1.13, а) подпятник располагают над ротором генератора на верхней крестовине, а один или два направляющих подшипника – под ним; при этом весь турбоагрегат подвешен на подпятнике к этой крестовине. В зонтичных гидрогенераторах (рис. 1.13, б) подпятник располагают под ротором на нижней крестовине или на крышке турбины, а генератор – над подпятником в виде зонта. Крестовины представляют собой мощную опорную конструкцию, состоящую из центральной втулки и ряда радиальных балок. Быстроходные гидрогенераторы выполняют обычно подвесного типа; тихоходные – зонтичного.

Наиболее тяжелые условия работы ротора гидрогенератора имеют место при аварийном отключении машины от сети. При этом частота вращения ротора сильно возрастает, так как приложенный к нему вращающий момент от турбины остается достаточно большим (быстро прекратить поступление большой массы воды в турбину практически невозможно), а тормозной момент самого генератора из-за резкого сброса нагрузки сильно уменьшается.

Рис. 1.13 – Конструктивные схемы гидрогенераторов:

подвесного (а) и зонтичного (б) типов:

1 – верхняя крестовина, 2 – подпятник, 3 – направляющие подшипники, 4 – ротор,

5 – статор, 6 – нижняя крестовина, 7 – фланец вала, 8 – турбина, 9 – фундамент,

10 – направляющий подшипник турбины

Достигаемую при этих условиях частоту вращения называют угонной; она не должна превышать 2,8–3,5 номинальной частоты вращения. Для уменьшения угонной частоты вращения и сокращения времени выбега ротора до его остановки в гидрогенераторах устанавливают тормоза.

Для подпятников, наоборот, наиболее тяжелые условия работы имеют место при пуске и остановке гидрогенератора, так как масляный клин (масляная пленка) в подпятнике образуется только при достаточно большой частоте вращения вала. Для облегчения работы подпятников в гидрогенераторах с вертикальным расположением вала применяют конструкции подпятников с составными самоустанавливающимися сегментами, с гидравлической опорой и автоматическим распределением нагрузки между сегментами и др.

Гидрогенераторы мощностью, меньшей нескольких десятков мегавольт-ампер, выполняют обычно с горизонтальным расположением вала. В последнее время значительное распространение получили гидрогенераторы капсульной конструкции (рис. 1.14), которые окружены водонепроницаемой оболочкой – капсулой. При таком устройстве генератор и турбина образуют единую конструкцию, а поток воды, проходящий через турбину, омывает капсулу, что способствует более интенсивному ее охлаждению. Капсульные гидрогенераторы устанавливают на низконапорных гидроэлектростанциях; это позволяет существенно уменьшить объем здания электростанции.

Гидрогенераторы из-за небольшой частоты вращения ротора не имеют таких габаритных ограничений, как турбогенераторы. Но в связи со стремлением уменьшить их габариты, массу и стоимость в машинах большой мощности* применяют непосредственное охлаждение обмоток статора, обмоток ротора и сердечника статора дистиллированной водой. При тех же основных размерах мощность гидрогенератора с водяным охлаждением можно увеличить более чем в два раза по сравнению с гидрогенератором, имеющим поверхностное воздушное охлаждение.

Рис. 1.14 – Общий вид гидрогенератора капсульного типа:

1 – капсула, 2 и 3 – статор и ротор генератора, 4 – направляющий аппарат турбины,

5 – ротор турбины, 6 и 8 – подшипники, 7 – вал

Непосредственное водяное охлаждение обмоток статора и ротора выполняют так же, как в турбогенераторах путем пропускания воды через полые проводники обмоток (рис. 1.15, а). Сердечник статора охлаждается водой, циркулирующей по трубам, которые проходят сквозь отверстия в листах сердечника. Часто также применяют систему смешанного непосредственного охлаждения, при которой обмотка статора имеет водяное охлаждение, а обмотка ротора – воздушное охлаждение. На рис. 1.15, б показана система воздушного охлаждения обмотки ротора, называемая поперечной, так как охлаждающий воздух проходит по каналам 7, расположенным поперек обмотки возбуждения. Эти каналы образуются между двумя расположенными рядом проводниками обмотки возбуждения, один из которых имеет поперечные выемки для прохода воздуха. Охлаждающий воздух подается к обмотке возбуждения по каналам 10, проходящим в сердечнике обода ротора, и по каналам 8 и 9, проходящим в сердечнике полюса. Необходимый для циркуляции воздуха напор создается центробежной силой при вращении ротора. Часть охлаждающего воздуха попадает из каналов 10 обода в междуполюсное пространство и совместно с воздухом, выходящим из каналов 7, используется для охлаждения статора. В СССР выпускают различные типы гидрогенераторов мощностью до 640 MB·А.

Синхронные компенсаторы. Эти машины предназначены для генерирования или потребления реактивной мощности с целью улучшения коэффициента мощности сети и регулирования ее напряжения. Их обычно выполняют явнополюсными с горизонтальным расположением вала; работают они при частоте вращения 750 – 1000 об/мин. При мощности до 25MB·А синхронные компенсаторы имеют воздушное охлаждение, а при больших мощностях – водородное.

Рис. 1.15 – Устройство для охлаждения обмотки ротора

гидрогенераторов водой и воздухом:

1 – полюс, 2 – изоляция обмотки, 3 – полые проводники обмотки,

4 – канал для охлаждающей воды, 5 – обод ротора, 6 – проводники обмотки,

7 – каналы для прохода воздуха между проводниками обмотки,

8, 9, 10 – каналы для подачи воздуха к обмотке возбуждения

В СССР синхронные компенсаторы выпускают серийно мощностью от 10 до 100 MB·А. Для них характерно наличие роторов облегченной конструкции, так как вал ротора не должен передавать значительный вращающий момент (компенсатор обычно работает в режиме ненагруженного электродвигателя). Устанавливают синхронные компенсаторы в помещениях или под открытым небом. Во втором случае их выполняют с герметизированным корпусом; герметизация упрощается тем, что выводить наружу конец вала не требуется. Обмотку возбуждения у синхронных компенсаторов рассчитывают на большую (чем у генераторов и электродвигателей) м.д.с., так как они должны обеспечивать работу с перевозбуждением.

Дизель-генераторы. Эти генераторы предназначены для привода во вращение от двигателей внутреннего сгорания (дизелей). Их выполняют, как правило, явнополюсными с горизонтальным расположением вала. Дизель-генераторы имеют обычно один подшипник, в качестве второй опоры ротора используют подшипник самого дизеля, вал которого жестко соединен с валом ротора генератора. Возбудитель устанавливают непосредственно на валу ротора или же он приводится от него во вращение с помощью клиноременной передачи.

В СССР дизель-генераторы выпускают серийно мощностью от нескольких кВ·А до нескольких МВ·А при частотах вращения от 100 до 1500 об/мин.

Синхронные двигатели. Их выполняют, как правило, с горизонтальным расположением вала (см. рис. 1.11, в), хотя некоторые мощные двигатели имеют и вертикальное расположение. Эти машины изготовляют на щитовых или стояковых подшипниках, с самовентиляцией, а в некоторых случаях с независимым воздушным охлаждением.

В СССР выпускают синхронные двигатели мощностью до нескольких десятков МВт при частотах вращения от 100 до 3000 об/мин. При частотах вращения от 100 до 1000 об/мин электродвигатели выполняют явнополюсными, а при 1500 и 3000 об/мин – неявно-полюсными.

1.4 Работа синхронного генератора при холостом ходе

Э.д.с. в обмотке якоря. При холостом ходе магнитный поток генератора создается обмоткой возбуждения. Этот поток направлен по оси полюсов ротора и индуктирует в фазах обмотки якоря э.д.с. Первая гармоника Е0[1] этой э.д.с. определяется по той же формуле, что и первая гармоника э.д.с. для асинхронной машины:

E0=4,44f1ωakобaФв, (1.3)

где ωa и ko6a – число витков в фазе и обмоточный коэффициент обмотки якоря; Фв – поток первой гармоники магнитного поля возбуждения.

При небольших токах возбуждения магнитный поток мал и стальные участки магнитопровода машины не насыщены, вследствие чего их магнитное сопротивление мало. В этом случае магнитный поток практически определяется только магнитным сопротивлением воздушного зазора между ротором и статором, а характеристика холостого хода E0 = f (Iв) или в другом масштабе Фв = f(Iв) имеет вид прямой линии (рис. 1.16). По мере возрастания потока растет магнитное сопротивление стальных участков магнитопровода. При индукции в стали более 1,7–1,8Т магнитное сопротивление стальных участков сильно возрастает и характеристика холостого хода становится нелинейной. Номинальный режим работы синхронных генераторов приблизительно соответствует «колену» кривой характеристики холостого хода; при, этом коэффициент насыщения kнac, т.е. отношение отрезков ab/ac, составляет 1,1 – 1,4.

При рассмотрении работы синхронной машины в ряде случаев для облегчения математического анализа не учитывают нелинейность кривой холостого хода, заменяя ее прямой линией. Спрямленную характеристику проводят или как касательную к кривой холостого хода (рис. 1.16, прямая 1), или через точку b, соответствующую рассматриваемому режиму работы, например при номинальном напряжении (прямая 2). В первом случае спрямленная характеристика соответствует работе машины при отсутствии насыщения. Во втором случае она учитывает некоторое среднее насыщенное состояние магнитной цепи машины.

Рис. 1.16 – Характеристика холостого хода синхронного генератора

В теории синхронной машины широко используют систему относительных единиц. Основные параметры машины (ток, напряжение, мощность, сопротивления) выражают в долях соответствующей базисной величины[2]. В качестве базисных единиц при построении характеристики холостого хода принимают номинальное напряжение Uном машины и ток холостого хода Iв0, при котором Е0 = Uном. Относительные значения э.д.с. и тока возбуждения при этом запишутся следующим образом:

E0*=E0/Uном; I0*=Iв/Iв0

Характеристики холостого хода, построенные в относительных единицах для различных синхронных генераторов, при одинаковых коэффициентах насыщения совпадают. Поэтому характеристика холостого хода в относительных единицах может быть принята единой для всех генераторов; для каждого конкретного генератора различие будет только в базисных единицах и коэффициентах насыщения.

Форма кривой напряжения. Напряжение, индуктированное в обмотке якоря при холостом ходе, по возможности должно быть синусоидальным. Согласно ГОСТ 183–74 напряжение считается практически синусоидальным, если разность между ординатой действительной кривой напряжения и ординатой синусоиды в одной и той же точке для генераторов мощностью до 1 MB·А не превышает 10%, а для генераторов свыше 1 MB·А-5% от амплитуды основной синусоиды. Чтобы получить кривую напряжения, близкую к синусоидальной, желательно иметь в машине распределение магнитного поля, близкое к синусоидальному. Для этого в неявнополюсных машинах обмотку возбуждения распределяют так, чтобы были уменьшены амплитуды м.д.с. высших гармоник. В явнополюсных машинах этого добиваются увеличением зазора под краями полюсных наконечников. Обмотку якоря также выполняют распределенной (q = 4 ÷ 6) с укороченным шагом (y ≈ 0,8τ). Чтобы исключить третьи гармоники тока и уменьшить потери мощности в машине, обмотку якоря в трехфазных генераторах соединяют звездой. При этом будут отсутствовать также и третьи гармоники в линейном напряжении. Подавление третьих гармоник в кривой фазного напряжения путем укорочения шага обмотки нерационально, так как при у ≈ 0,66τ существенно уменьшается первая гармоника. Указанные меры позволяют получить на выходе, машины практически синусоидальную э.д.с, поэтому при дальнейшем рассмотрении теории синхронной машины можно принимать во внимание только поток первой гармоники магнитного поля и соответствующую гармонику э.д.с. Поток первой гармоники магнитного поля возбуждения Фв называют потоком взаимоиндукции.

Магнитное поле возбуждения. Магнитное поле, созданное обмоткой возбуждения, характеризуется рядом коэффициентов, посредством которых реальное распределение индукции в воздушном зазоре приводится к синусоидальному. К числу этих коэффициентов относятся: коэффициент формы кривой поля возбуждения kв = Ввm1/Ввm–отношение амплитуды первой гармоники Ввm1 индукции поля возбуждения в воздушном зазоре к амплитуде Ввm действительного распределения этой индукции; коэффициент потока возбуждения kф = Ф/Фв – отношение потока Ф, созданного обмоткой возбуждения в воздушном зазоре, к потоку первой гармоники Фв этого поля (потоку взаимной индукции).

Определим эти коэффициенты для неявнополюсной и явнопо-люсной машин. На рис. 1.17, а, б показано распределение магнитного поля возбуждения в воздушном зазоре в пределах одного полюсного деления для неявнополюсной машины. На одно полюсное деление ротора приходится значительное число пазов (20–40), поэтому можно принять, что распределение индукции в воздушном зазоре вдоль окружности якоря (сплошная линия) имеет трапецеидальный характер. Если рассматривать обмотку возбуждения как однофазную, распределенную на части γτ окружности ротора, то при указанном распределении индукции поля возбуждения получим для поля первой гармоники (штриховая линия)

Bвm1=4Bвmkр.в/π, (1.4)

где – коэффициент распределения для обмотки возбуждения; γ = Zв2/Z2 – коэффициент заполнения окружности ротора обмоткой возбуждения, равный отношению числа пазов ротора Zв2, заполненных проводниками обмотки, к полному числу Z2 пазовых делений ротора.

Следовательно, коэффициент формы кривой поля возбуждения

. (1.5)

Магнитный поток возбуждения

Ф=αδτliBвm (1.6)

Рис. 1.17 – Магнитное поле обмотки возбуждения в воздушном зазоре

Неявнополюсной и явнополюсной машин

При трапецеидальном распределении индукции поток Ф можно считать состоящим из двух частей: потока Ф', соответствующего части (1 – γ)τ окружности ротора, незаполненной обмоткой, и потока Ф», соответствующего части γτ окружности ротора, в пазах которой уложена обмотка возбуждения:

Ф=Ф' +Ф'' =Bвm(1-γ)τli + 0,5Bвmγτli= Bвmτli(1-γ/2). (1.7)

Поток первой гармоники поля возбуждения

Фв=2Bвm1τli/π (1.8)

Следовательно, коэффициент потока возбуждения

(1.9)

С учетом (1.7) расчетный коэффициент полюсного перекрытия

αi=Ф/(τli Bвm)=1-γ/2. (1.10)

На рис. 1.17, в, г показано распределение магнитного поля возбуждения в воздушном зазоре в пределах одного полюсного деления для явнополюсной машины.

При проектировании явнополюсных синхронных машин принимаются меры, чтобы кривая распределения поля возбуждения в воздушном зазоре (сплошная линия) приближалась к синусоиде (для этого воздушный зазор выполняют неравномерным), однако получить идеальное распределение не удается. Поэтому наряду с первой га-рмоникой (штриховая линия) имеется и ряд высших гармоник. Форма распределения магнитного поля и коэффициент kв зависят от коэффициента полюсной дуги αi = bр/τ и формы воздушного зазора, т.е. от отношений δмакс/δ и δ/τ. Обычно αi = 0, б5 ÷ 0,75; δмакс/δ = l ÷ 2,5 и δ/τ = 0,01 ÷ 0,05. При этих условиях kв = 0,90 ÷ l, 20.

Коэффициент магнитного потока kф также зависит от формы распределения магнитного поля и представляет собой отношение площадей, ограниченных рассматриваемыми кривыми. При указанных выше значениях bр/τ, δмакс/δ и δ/τ коэффициент kф = 0,92 ÷ 1,10.

С учетом (1.6) и (1.8) расчетный коэффициент полюсного перекрытия

αi=2kвkФ/π. (1.11)

1.5 Работа синхронного генератора под нагрузкой. Реакция якоря

Рассмотрим работу трехфазного синхронного генератора в автономном режиме, когда к фазам обмотки якоря подключены равные и однородные сопротивления. В этом случае при симметричной нагрузке по фазным обмоткам генератора проходят равные токи, сдвинутые по времени относительно друг друга на 120°. Эти токи создают магнитное поле якоря, вращающееся с частотой n1, равной частоте вращения ротора n2. Следовательно, магнитные потоки якоря Фа и возбуждения Фв будут взаимно неподвижны и результирующий поток машины Фрез при нагрузке будет создаваться суммарным действием м.д.с. Fв обмотки возбуждения и м.д.с. Fа якоря. Однако в синхронной машине (в отличие от асинхронной) м.д.с. обмотки ротора (возбуждения) не зависит от нагрузки, поэтому результирующий поток при работе генератора в рассматриваемом режиме будет существенно отличаться от потока при холостом ходе.

Воздействие м.д.с. якоря на магнитное поле синхронной машины называют реакцией якоря. Так как под действием реакции якоря изменяется результирующий поток в машине, напряжение генератора, работающего в автономном режиме, будет зависеть от величины и характера нагрузки, а также от индивидуальных особенностей машины: величины м.д.с. обмотки возбуждения, свойств магнитной системы и т.д. Рассмотрим, как проявляется реакция якоря при двух основных конструктивных формах синхронных машин – неявнополюсных и явнополюсных.

Неявнополюсная машина. В этой машине величина воздушного зазора между статором и ротором по всей окружности остается неизменной, поэтому результирующий магнитный поток машины Фрез и создаваемая им э.д.с. Е при любой нагрузке могут быть определены по характеристике холостого хода исходя из результирующей м.д.с. Fрез. Однако при отсутствии насыщения в магнитной цепи машины этот метод определения потока Фрез может быть существенно упрощен, так как от сложения указанных м.д.с. можно перейти к непосредственному векторному сложению соответствующих потоков:

Фрез=Фв+Фа,

как это показано на рис. 1.18 и 1.19.

Рис. 1.18 – Реакция якоря в неявнополюсной машине при различных условиях нагрузки

При ψ= 0 (рис. 1.18, а и 1.19, а) ток в фазе А – X достигает максимума в момент времени, когда оси полюсов N и S совпадают с осью среднего паза рассматриваемой обмотки. Для этого случая показаны диаграммы распределения основных гармоник магнитных полей.

Кривая распределения индукции Ba = f(x) для двухполюсной машины будет смещена относительно кривой индукции Bв = f(x) в пространстве на 90°, т.е. поток якоря Фа действует в направлении, перпендикулярном действию потока возбуждения Фв (поперек оси полюсов). В теории синхронной машины ось, проходящую через середину полюсов, называют продольной и обозначают буквами d–d; ось, проходящую между полюсами, называют поперечной и обозначают q – q. Следовательно, при ψ = 0 поток якоря действует по поперечной оси машины, размагничивая одну половину каждого полюса и подмагничивая другую. Кривая распределения результирующей индукции Bрез = f(x) при этом сдвигается относительно кривой Bв = f(x) против направления вращения ротора. В соответствии с пространственным сдвигом кривых распределения индукции сдвигаются и векторы потоков на временной векторной диаграмме, т.е. вектор отстает от вектора потока возбуждения на 90°. Вектор результирующего потока ; его модуль

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9