Синхронные машины - это такие машины, в которых частота вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля статора. Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор. Наиболее частым исполнением является, якорь располагается на статоре, а на отделённом от него воздушным зазором роторе находится индуктор. Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора. Индуктор состоит из полюсов - электромагнитов постоянного тока или постоянных магнитов. Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, незаполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса. Для уменьшения магнитного сопротивлени я, применяют ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную конструкцию из электротехнической стали. Любая синхронная машина нуждается в процессе возбуждения - наведения в ней магнитного поля. Основным способом возбуждения синхронных машин является электромагнитноевозбуждение, сущность которого состоит в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения. При про­хождении по этой обмотке постоянного тока возни­кает МДС возбуждения, которая наводит в магнит­ной системе машины магнитное поле. Для питания обмотки возбуждения применяются специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В, обмотка возбуждения которого (ОВ) получала пита­ние постоянного тока от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронной машины и якоря возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронной машины поступает через контактные кольца и щетки. Для регулирования тока возбуждения применяют регу­лировочные реостаты, включаемые в цепи возбуж­дения возбудителя (r 1)и подвозбудителя (r 2).

Получила применение в синхронных генераторах бескон­тактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе.

В качестве возбудителя и в этом случае применяют генератор переменного тока, у которого обмотка, в которой наводится ЭДС (обмотка якоря), расположена на роторе, а обмот­ка возбуждения расположена на статоре. В результате обмотка якоря возбудителя и обмотка возбуждения синхронной машины оказываются вращающимися, и их электрическое соединение осу­ществляется непосредственно, без контактных колец и щеток. Но так как возбудитель является генератором переменного тока, а об­мотку возбуждения необходимо питать постоянным током, то на выходе обмотки якоря возбудителя включают полупроводниковый преобразователь, закрепленный на валу синхронной машины и вращающийся вместе с обмоткой возбуждения синхронной маши­ны и обмоткой якоря возбудителя. Питание постоянным током обмотки возбуждения возбудителя осуществляется от подвозбудителя (ПВ) - генератора постоянного тока. В синхронных генераторах, в том числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения, когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупро­водниковый преобразователь (ПП) преобразуется в энергию по­стоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного магнетизма магнитопровода машины.

Вопрос 58. Характеристики синхронного генератора: холостого хода, короткого замыкания, внешняя характеристика, регулировочная, нагрузочная, угловые характеристики. Их вид и анализ. Характеристика холостого хода синхронного генератора . Имеет прямолинейные и криволинейные участки, что связано с насыщением стали магнитной системы. Характеристика к.з: Это зависимость тока статора от тока возбужденияпри замкнутых выводах обмотки статора и постоянной частоте вращения. Машина будет работать на прямолинейном участке нагрузочной характеристики, и характеристика к.з. будет прямолинена.Внешняя характеристика . Представляет собой зависимость напряжения на выводах обмотки статора от тока нагрузки: U 1 = f (I 1) при I в = const; соs φ 1 , = const; n 1 = n ном = const.Регулировочная характеристика . Она показывает, как следует изменять ток возбуждения генератора при изменениях нагрузки, что­бы напряжение на зажимах генератора оставалось неизменно равным номинальному: I в = f (I 1) при U 1 = U 1ном = const; n 1 = n ном = const и cos φ 1 = const.++++Рисунки

Вопрос 57. Магнитное поле и реакция якоря синхронной машины. Уравнение напряжений синхронного генератора. Векторные диаграммы синхронного генератора при различных видах нагрузок. Воздействие МДС обмотки статора (якоря) на МДС обмотки возбуждения называется реакци­ей якоря. Реакция якоря оказывает влияние на рабочие свойства синхронной машины, так как изменение магнитного поля в маши­не сопровождается изменением ЭДС, наведенной в обмотке стато­ра, а следовательно, изменением и рада других величин, связан­ных с этой ЭДС. Влияние реакции якоря на работу синхронной машины зависит от значения и характера нагрузки. Синхронные генераторы, как правило, работают на смешан­ную нагрузку (активно-индуктивную или активно-емкостную). Но для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря на работу син­хронной машины целесообразно рассмотреть случаи работы гене­ратора при нагрузках предельного характера, а именно: активной, индуктивной и емкостной. При активной нагрузке ток в обмотке статора совпадает по фазе с ееЭДС . Это означает, что максимальной будет соот­ветствовать максимальному току. Показав по правилу «буравчика» направление магнитных потоков обмоток возбуждения и статора, видим, что поток статора Ф направлен перпендикулярно потоку возбуждения Фо, т. е. имеет место поперечная реакция якоря. В синхронной машине поперечная реакция якоря приводит к тем же последствиям, что и в машине постоянного тока искажается результирующее поле машины. Магнит­ное поле ослабляется под набегающим краем полюса и усиливает­ся под сбегающим краем полюса. Так как усиление поля ограни­чено насыщением стали, а ослабление не ограничено, результирующий магнитный поток машины уменьшается. Это ведет к уменьшению ЭДС машины. При индуктивной нагрузке ток статора отстает от ЭДС по фазе на 90°. Поэтому, когда ток статора достигнет мак­симума, ротор успеет провернуться на 90° и поток статора Ф г на­правлен вдоль оси полюса ротора противоположно основному по­току Фо- Таким образом, поток статора при индуктивной нагрузке ослабляет поле машины, и реакция якоря оказывает продольно-размагничивающее действие. При емкостной нагрузк е ток статора опережает ЭДС на 90°, и ток будет максимальным тогда, когда ротор еще не довернется до вертикального положения на 90°, и потоки статора и обмотки возбуждения будут совпадать. При этом магнитное по­ле машины усиливается, реакция якоря - продольно-намагничивающаяся.

Вопрос 60. Параллельная работа синхронных генераторов. Необходимость и условия включения на параллельную работу синхронных генераторов. Способы включения синхронных генераторов на параллельную работу. Применение нескольких параллельно включенных синхронных генераторов вместо одного генератора суммарной мощности необходимо для обеспечения бесперебойного энергоснабжения в случае аварии в каком-либо генераторе или отключения его для ремонта. Для включения синхронного генератора на параллельную работу необходимо выполнить следующие условия : 1. Напряжение подключаемой машины должно быть равно напряжению сети или работающей машины. 2. Частота подключаемого генератора должна быть равна частоте сети. 3. Напряжения всех фаз подключаемой машины должны быть противоположны по фазе напряжениям соответствующих фаз сети или работающей машины. 4. Для подключения на параллельную работу трехфазного синхронного генератора необходимо также обеспечить одинаковое чередование фаз подключаемой машины и сети.Приведение генератора в состояние, удовлетво­ряющее всем указанным условиям, называют син­хронизацией. Несоблюдение любого из условий син­хронизации приводит к появлению в обмотке статора больших уравнительных токов, чрезмерное значение которых может явиться причиной аварии.Включить генератор в сеть с параллельно рабо­тающими генераторами можно или способом точной синхронизации, или способом самосинхронизацииСпособ точной синхронизации . Сущность это­го способа состоит в том, что, прежде чем включить генератор в сеть, его приводят в состояние, удовле­творяющее всем вышеперечисленным условиям. Момент соблюдения этих условий, т. е. момент син­хронизации, определяют прибором, называемым синхроноскопом. Способ самосин­хронизации . Ротор не­возбужденного генера­тора приводят во вра­щение первичным дви­гателем до частоты вращения, отличающейся от синхронной не более чем на 2-5%, затем генератор подключают к сети. Для того чтобы избежать перенапряжений в обмотке ротора в момент подключения генератора к сети, ее замыкают на некоторое активное Сопротивление. Так как в момент подключения генератора к сети его ЭДС равна нулю (генератор не возбужден), то под действием напряжения сети в обмотке статора наблюдается резкий бросок тока, превышающий номинальное значение тока генератора. Вслед за включением обмотки статора в сеть подключают обмотку возбуждения к источнику постоянного тока и синхронный генера­тор под действием электромагнитного момента, действующего на его ротор, втягивается в синхронизм, т. е. частота вращения ротора становится синхронной. При этом ток статора быстро уменьшается.

Вопрос 62. Синхронные машины специального назначения. Реактивные синхронные, гистерезесные, шаговые двигатели. Назначение, устройство и принцип действия. Реактивный двигатель представляет собой явнополюсную синхронную машину без обмотки возбуждения. Поток двигателя и его вращающий момент создается м. д. с. реакции якоря, отсюда и название - реактивный двигатель. Момент двигателя М д возникает за счет дополнительной мощности Р д, имеющей место вследствие неодинаковой проводимости ротора по осям d и q. На выгоднейшим отношением x q /x d можно считать величину, близкую к 0,5.У реактивных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. Поэтому их роторы снабжаются короткозамкнутой пусковой обмоткой. При синхронном вращении короткозамкнутая обмотка является успокоительной, демпфирующей колебания ротора. Недостаток реактивных двигателей - низкий максимальный момент, коэффициент мощности (cosφ = 0,5) и к. п. д. У двигателей мощностью в несколько десятков ватт η= 35÷40%, а у двигателей мощностью в несколько ватт η<25%. К достоинству реактивных синхронных двигателей следует отнести отсутствие колебаний ротора и высокую надежность работы.Шаговые двигатели .Для преобразования управляющих импульсов в заданный угол поворота применяются синхронные двигатели, в которых поле вращается не равномерно, а при подаче сигнала поворачивается скачкообразно. Такие двигатели называются шаговыми. На статоре шаговые двигатели имеют две (иногда три) сдвинутые в пространстве обмотки, которые могут быть сосредоточенными или распределенными. Ротор двигателей всегда имеет явновыражен-ное исполнение. Шаговые двигатели разделяются на двигатели с активным ротором (имеющие обмотку возбуждения или постоянные магниты) и двигатели с реактивным ротором (не имеющие возбуждения). Шаговый двигатель работает следующим образом. В обмотку статора (или комбинацию статоров) подается постоянный ток. При этом полюса ротора устанавливаются против возбужденных полюсов статора, по обмоткам которых проходит ток. Когда постоянный ток подают в другие обмотки статора, ротор поворачивается на один шаг в положение, при котором его полюсы устанавливаются против следующих возбужденных полюсов статора. При каждом переключении постоянного тока в обмотках управления ротор двигателя поворачивается на один шаг. К шаговым двигателям предъявляются следующие требования : надежность в работе, быстродействие, малый шаг, недопустимость накопления ошибки с увеличением числа шагов, отсутствие свободных колебаний при отработке шага, минимальное число обмоток управления. Гистерезисным двигателем называют синхронный двигатель, вращающий момент которого создается за счет явления гистерезиса при перемагничивании феррамагнитного материала ротора. Статор гистерезисного двигателя выполняется аналогично статору асинхронного двигателя: на нем имеется обмотка, создающая вращающееся магнитное поле (трехфазная, двухфазная с постоянно включенной емкостью, сосредоточенная с экранированным полюсом и т. п.). Ротор двигателя сделан из магнитно-твердого материала и обмотки не имеет. Вращающий момент гистерезисного двигателя возникает за счет сильно выраженного гистерезиса материала ротора.Сущность гистерезиса состоит в том, что при изменении (вращении) внешнего по отношению к ротору магнитного поля элементарные магниты вследствие сил молекулярного трения устанавливаются (поворачиваются) по направлению поля с некоторым отставанием.При включении обмотки статора в сеть переменного тока в машине образуется вращающееся магнитное поле; при этом наведенные полюсы ротора вращаются с той же частотой, что и полюсы статора. При отсутствии гистерезиса полюсы ротора располагаются точно под полюсами статора:

Вопрос 61. Синхронные двигатели. Основные сведения и принцип работы. Пуск синхронных двигателей. Рабочие и U-образные характеристики синхронных двигателей. Синхронный компенсатор. Назначение и устройство. Синхронная машина состоит из двух основных частей: неподвижной - статора и вращающейся - ротора, и имеет две основные обмотки. Одна обмотка подключается к источнику постоянного тока. Протекающий по этой обмотке ток создает основное магнитное поле машины. Эта обмотка располагается на полюсах и называется обмоткой возбуждения. Иногда у машин небольшой мощ­ности обмотка возбуждения отсутствует, а магнитное поле создается постоянными магнитами. Другая обмотка является обмоткой якоря. В ней индуктируется основная ЭДС машины. Она укладывается в пазы якоря и состоит из одной, двух или трех обмоток фаз. Если через обмотку возбуждения протекает постоянный ток, то он создает постоянное во времени магнитное поле с чередующейся полярностью. При вращении полюсов и, следовательно, магнитного поля относительно проводников обмотки якоря в них индуктируются переменные ЭДС, которые, суммируясь, определяют результирующие ЭДС фаз. Если на якоре уложены три одинаковые обмотки, магнитные оси которых сдвинуты в пространстве на электрический угол, равный 120°, то в этих обмотках индуктируются ЭДС, образующие трехфазную систему. Частота индук­тируемых в обмотках ЭДС зависит от числа пар полюсов р и частоты вращения ротора п:f1 = pn/60.

Пуск синхронного двигателя непосредственным включением в сеть невозможен , так как ротор из-за своей значительной инерции не может быть сразу увлечен вращающимся полем статора, частота вращения которого устанавливается мгновенно. В результате устойчивая магнитная связь между статором и ротором не возникает. Для пуска синхронного двигателя приходится применять специальные способы, сущность которых состоит в предварительном приведении ротора во вращение до синхронной или близкой к ней частоте, при которой между статором и ротором устанавливается устойчивая магнитная связь.

Одним из главных недостатков синхрон ных двигателей является сложность их пуска в ход. Пуск синхронных двигателей может быть осуществлен при помощи вспомогательного пускового двигателя или путем асинхронного пуска. Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя . Если ротор синхронного двигателя с возбужденными полюсами развернуть другим, вспомогательным двигателем до скорости вращения поля статора, то магнитные полюсы статора, взаимодействуя с полюсами ротора, заставят ротор вращаться далее самостоятельно без посторонней помощи, в такт с полем статора, т. е. синхронно. Для осуществления пуска необходимо, чтобы число пар полюсов асинхронного двигателя было меньше числа пар полюсов синхронного двигателя, ибо при этих условиях вспомогательный асинхронный двигатель может развернуть ротор синхронного двигателя до синхронной скорости. Сложность пуска и необходимость вспомогательного двигателя являются существенными недостатками этого способа пуска синхронных двигателей. Поэтому в настоящее время он применяется редко. Асинхронный пуск синхронного двигателя. Для осуществления этого способа пуска в полюсных наконечниках полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкнутая обмотка. Так как во время пуска в обмотке возбуждения двигателя наводится большая э. д. с, то по соображениям безопасности она замыкается рубильником на сопротивление. При включении напряжения трехфазной сети в обмотку статора синхронного двигателя возникает вращающееся магнитное поле, которое, пересекая короткозамкнутую (пусковую) обмотку, заложенную в полюсных наконечниках ротора, индуктирует в ней токи. Эти токи, взаимодействуя с вращающимся полем статора, приведут ротор во вращение. При достижении ротором наибольшего числа оборотов (95-97% синхронной скорости) рубильник переключают так, чтобы обмотку ротора включить в сеть постоянного напряжения. Недостатком асинхронного пуска является большой пусковой ток. Зависимость тока якоря от тока возбуждения называется U-о бразной характеристикой синхронной машины. Анализируя эти характеристики, видим, что минимальное значение тока якоря имеет место при некотором определенном значении тока возбуждения, соответствующем работе с cosφ = 1. При любом изменении (увеличении или уменьшении) тока возбуждения ток якоря I a возрастает вследствие увеличения реактивной составляющей. Рабочие характеристики синхрон­ного двигателя

Синхронные компенсаторы применяют для регулирования режимов работы энергетических систем, для поддержания оптимального уровня напряжения, снижения потерь электроэнергии в сетях, увеличения пропускной способности и обеспечения устойчивости энергосистем.

Синхронные компенсаторы представляют собой синхронные машины, работающие в режиме двигателя без активной нагрузки и генерирующие в сеть реактивный опережающий (емкостный) или отстающий (индуктивный) ток.

СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕРИИ ВТЕ, ВТП

Тиристорные возбудители серии ВТЕ, ВТП предназначены для питания обмоток возбуждения синхронных двигателей мощностью до 12500 кВт., автоматически регулируемым постоянным током, при их прямом и реакторном пуске, синхронной работе и в аварийных режимах.

Возбудители удовлетворяют требованиям ГОСТ 24688-81, ГОСТ 18142.1-82 и могут быть использованы взамен выпрямителей серий ТВ-320, ТВ-400, ТВ-600, ТВУ, ВТЭ-320, ТЕ8-320, В-ТПЕ8, В-ТПП8, КТЭС.

Возбудители выпускаются на номинальные токи 200, 320, 400, 630, 800 и 1000 А, номинальные напряжения от 24 до 300 В. Возбудители на токи 200, 320 и 400 А, имеют естественное воздушное охлаждение, а на токи 630, 800 и 1000 А - принудительное воздушное от встроенных вентиляторов.

ПРЕИМУЩЕСТВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

легко перепрограммируемые при наладке структуры систем автоматического регулирования;

стабилизация тока возбуждения в ручном режиме;

регулирование напряжения статора;

регулирование cos ? в узле нагрузки;

регулирование реактивного тока статора;

двухпроводные интерфейсы для внешних средств автоматизации и диагностики;

режим автоматического опробования перед включением;

проверка цепей защиты от перенапряжений;

проверка исправности силовых цепей.

разветвленная система защит;

встроенная система диагностики и записи «аварийного следа»;

любая объектная ориентация по требованию Заказчика.

УСТРОЙСТВО

Питание ВТЕ, ВТП (далее «возбудитель») может осуществляться от одного ввода напряжением ~380 В, 50 Гц. Предусмотрена также возможность питания средств управления от отдельного ввода. Для управления цепями включения и выключения масляными выключателями предусмотрен ввод напряжения = 220 (110) В. Схема и состав релейно-коммутационной части возбудителя определяется требованиями конкретного объекта применения.

Выпрямитель возбудителя выполнен по трехфазной мостовой схеме с одним тиристором в плече. Параллельно нагрузке (обмотке возбуждения синхронного двигателя) через бесконтактный ключ на тиристорах, подключено пусковое сопротивление, предназначенное для асинхронного пуска и снижения до допустимой величины перенапряжений, возникающих в обмотке ротора при асинхронных режимах работы двигателя. Причем включение тиристоров ключа осуществляется как от микропроцессорной системы управления в режиме пуска, так и непосредственно от возникающих на обмотке возбуждения перенапряжений.

Микропроцессорная система управления осуществляет управление всем комплексом аппаратуры возбудителя начиная от приема внешних и внутренних дискретных и аналоговых сигналов и заканчивая выдачей управляющих потенциальных и импульсных сигналов, а также индикацию с помощью встроенного пультового терминала (ПТ) всех режимов работы возбудителя.

Перед включением на рабочий режим возбудителя производится режим опробования, при котором проверяется:

исправность цепей защиты ротора от перенапряжений путем подачи импульсов напряжения реальной величины и фиксация срабатывания тиристоров ключа в обоих направлениях;

исправность преобразователя и внешних силовых цепей.

Возбудители имеют рабочие режимы автоматического и ручного управления током возбуждения. Переключение с режима на режим осуществляется без отключения возбудителя переключателем, установленным на двери преобразователя. Там же установлены измерительные приборы (ток статора, ток возбуждения, напряжение возбуждения, cos ?) и пультовый терминал, с помощью которого можно осуществлять выбор структуры системы автоматического регулирования, изменение параметров регуляторов и уставок системы управления и защит. Эти же процедуры можно осуществлять и с помощью ПЭВМ, для чего разработан комплекс сервисного программного обеспечения, значительно облегчающий и ускоряющий процесс наладки.

В режиме ручного управления возбудитель обеспечивает:

автоматическую подачу возбуждения в функции скольжения ротора в диапазоне 1-5% с выбором оптимальной полуволны тока ротора при прямом или реакторном пуске синхронного двигателя;

регулировку напряжения возбуждения в интервале от 0,1 до 2,0 номинального;

ограничение напряжения возбуждения по минимуму от 0 до 0,5 номинального, тока возбуждения по максимуму до 1,75 номинального;

форсировку возбуждения по напряжению кратностью не менее 2,0 номинального при номинальном напряжении питающей сети и «форсировочном» токе кратностью 1,75 номинального;

ограничение тока ротора при перегрузке по время – токовой характеристике;

защиту от внутренних коротких замыканий в преобразователе, от внешних коротких замыканий на стороне постоянного тока;

гашение поля при нормальных и аварийных отключениях двигателя переводом преобразователя в инверторный режим;

защиту синхронного двигателя от потери возбуждения и от затянувшегося пуска со временем срабатывания до 30с. В режиме автоматического управления возбудитель, кроме вышеперечисленного обеспечивает автоматическое регулирование тока возбуждения по напряжению статора, cos ? в узле нагрузки или реактивному току статора.

СТРУКТУРА УСЛОВНОГО ОБОЗНАЧЕНИЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОНСТРУКЦИИ

Конструктивно возбудитель выполнен в виде шкафа с двухсторонним обслуживанием. Органы управления, измерительные приборы и лампы сигнализации расположены на двери шкафа. Охлаждение тиристоров естественное или принудительное (ВТЕ, ВТП) воздушное. Подвод кабелей внешних подключений осуществляется через отверстия в днище шкафа, уплотненные гермовводами. Для крепления кабелей предусмотрены скобы. Силовой преобразовательный трансформатор устанавливается отдельно.

Габариты шкафа ВТЕ (ВТП) (ШхВхГ) мм. – 800 (1000) х 2000 (2150) х 600.

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Таблица 1. Основные технические данные систем возбуждения синхронных двигателей

Наименование параметра	Значение
1. Входное питающее напряжение трехфазное, В	380 +10/-15 %
2. Частота входного напряжения, Гц	50 ± 2 %
3. Кратность форсировки по напряжению, о. е.	2,0 Uн
4. Кратность форсировки по току не менее, о.е	1,75 Iн
5. Оперативное напряжение постоянного тока, В	220 (110) +10 /-15 %
6. Коэффициент полезного действия, не менее	0,95
7. Степень защиты	IP21…IP54 (по заказу)
8. Срок службы не менее, лет	15
9. Среднее время восстановления не более, мин.	40
10. Помехоустойчивость	удовлетворяет всем требованиям стандартов
11. Способ гашения поля	инверторный

УСЛОВИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Таблица 2. Условия окружающей среды

Характеристики системы возбуждения определяются сочетанием свойств источника питания обмотки возбуждения и устройств автоматического регулирования. Системы возбуждения должны обеспечивать:

1) надежное питание обмотки ротора синхронной машины во всех режимах, в том числе и при авариях;

2) устойчивое регулирование тока возбуждения при изменении нагрузки в пределах номинальной;

3) достаточное быстродействие;

4) форсировку возбуждения.

Системы возбуждения классифицируются в зависимости от источника питания-обмотки возбуждения на зависимые (самовозбуждение) и независимые. Зависимая - питается от главной или дополнительной обмотки якоря возбуждаемого генератора. Независимая питается от других источников (от шин собственных нужд станции, от возбудителя или вспомогательного генератора).

Среди независимых систем возбуждения различают:

а) прямые системы возбуждения, в которых ротор возбудителя или вспомогательного генератора находится на одном валу с ротором
синхронной машины или сопрягается с ним редуктором скорости;

б) косвенные системы возбуждения, в которых ротор возбудителя или вспомогательного генератора приводится во вращение синхронным или асинхронным двигателем, специально установленным для этой цели.

До 60-х годов прошлого века применялись прямые электромашинные системы возбуждения, в которых обмотка возбуждения синхронной машины питается от коллекторного генератора постоянного тока - возбудителя (рис. 24.26, а).

В соответствии с ГОСТ 533-76, ГОСТ 5616-81 и ГОСТ 609-75 турбо- и гидрогенераторы и синхронные компенсаторы могут иметь только обладающие наибольшей надежностью прямую систему возбуждения или систему самовозбуждения. Но электромашинные системы возбуждения по условиям коммутации не могут применяться в турбогенераторах мощностью 200 МВт и выше, у которых мощность возбуждения превышает 800-1000 кВт.

В. настоящее время все большее распространение получают вентильные системы возбуждения . Они применяются для синхронных двигателей и генераторов небольшой мощности, а также для крупных турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов, в том числе и для установок предельных мощностей.

Различают три основные разновидности вентильных систем возбуждения.

1. Независимая вентильная система возбуждения (рис. 24.26, б), в которой питание обмотки возбуждения осуществляется от вспомогательного синхронного генератора, ротор которого укреплен на валу главного генератора. В схемах выпрямителей в этом случае используются полупроводниковые вентили (кремниевые диоды или тиристоры), собранные по трехфазной мостовой схеме. При регулировании возбуждения генератора используются одновременно возможности управления выпрямителями и возможности изменения напряжения вспомогательного генератора.

2. Бесщеточная система возбуждения, которая отличается от независимой вентильной системы (рис. 24.26, б )тем, что имеет обращенный вспомогательный синхронный генератор, у которого обмотка переменного тока 3 размещается на роторе. Выпрямитель 5, получающий питание от этой обмотки, расположен на валу главного генератора. Преимуществом данной системы является отсутствие скользящих контактов, которые в мощных турбогенераторах должны быть рассчитаны на тысячи ампер

3 . Система самовозбуждения (рис. 24.26, в), в которой питание обмотки возбуждения производится от главной или дополнительной обмотки якоря. Выпрямление переменного тока осуществляется с помощью тиристоров. Отбор энергии осуществляется с помощью трансформаторов 9 и 7, включенных соответственно параллельно и последовательно с обмоткой статора. Трансформатор 7 позволяет обеспечить форсирование возбуждения при близких коротких замыканиях, когда напряжение на обмотке якоря существенно снижается. Система самовозбуждения имеет по сравнению с другими системами более высокую надежность и меньшую стоимость из-за отсутствия в ней возбудителя или вспомогательного генератора.

Важными параметрами систем возбуждения являются номинальная скорость нарастания напряжения возбуждения, номинальное напряжение возбуждении, кратность форсировки возбуждения.

Номинальное напряжение возбуждения - напряжение на выводах обмотки возбуждения при питании ее номинальным током возбуждения и сопротивлении обмотки, приведенном к расчетной рабочей температуре.

Кратность форсировки возбуждения - отношение наибольшего установившегося значения напряжения возбуждения к номинальному напряжению возбуждения.

В схеме возбуждения предусматривается специальное устройство, с помощью которого можно в аварийной ситуации достаточно быстро уменьшить ток возбуждения до нуля (погасить магнитное поле ). Например, при внутренних коротких замыканиях в обмотке статора гашение поля осуществляется с помощью автомата гашения поля, который замыкает обмотку возбуждения на специальный гасительный резистор.

Для удержания синхронной машины в синхронизме при снижении напряжения сети при удаленных коротких замыканиях прибегают к форсированию ее тока возбуждения. Форсирование производится автоматически релейной защитой машины. Эффективность форсировки характеризуется кратностью форсировки возбуждения.

1.1 Конструкции синхронных машин (Тема 19)

Синхронной называют двухобмоточную электрическую машину переменного тока, одна из обмоток которой присоединена к электрической сети с постоянной частотой f 1 , а вторая возбуждается постоянным током (f 2 = 0). Частота вращения ротора синхронной машины постоянна и при заданных постоянных частоте сети f 1 и числе пар полюсов p равна

К синхронным также относят машины с одной включаемой в сеть с постоянной частотой f 1 обмоткой и частотой вращения, определяемой по формуле (1.1), а также двухобмоточные машины, обмотки которых питаются переменными токами с постоянными частотами f 1 и f 2 . В последнем случае частота вращения ротора

и также постоянна при неизменных частотах f 1 и f 2 . Два последних вида машин называют специальными синхронными машинами.

Статор (неподвижная часть) синхронной машины состоит из корпуса, магнитопровода (сердечника) с обмоткой, торцевых щитов и других конструктивных элементов.

Магнитопровод статора 1 (рис. 1.1) собирают в форме кольца из пластин листовой или рулонной электротехнической стали толщиной 0,5 (реже 0,35) мм. Пластины стали штампуют в виде цельных колец для магнитопроводов с наружным диаметром до 1 м или сегментов при наружном диаметре более 1 м. На внутренней дуге пластин штампуют выемки (впадины), образующие при сборке магнитопровода пазы 2 для обмотки. На наружной дуге пластин штампуют служащие для сборки магнитопровода выемки в виде трапеции (“ласточкин хвост”), реже параллелограмма или круга, иногда у кольцевых пластин в виде прямоугольника. После очистки от заусенцев пластины изолируют лаком для уменьшения вихревых токов и создаваемых токами потерь мощности.

Магнитопровод статора из сегментов собирают на клиньях (рёбрах ), установленных на равном расстоянии по внутренней окружности корпуса. Клинья 11 (рис. 1.2 крепят к корпусу с помощью угольников 10 , привариваемых одной стороной к клиньям 11 , а другой – к горизонтальным полкам 3 корпуса. 5

На обращенных к центру машины поверхностях клиньев выполнены выступы в виде “ласточкина хвоста” или другой формы, соответствующей форме выемок на наружной дуге сегментов. При сборке магнитопровода сегменты 12 надевают проштампованными на наружной дуге выемками на выступы клиньев (рис. 1.2. б ), фиксируя сегменты от смещения в радиальном и тангенциальном направлениях. Сегменты соседних слоев шихтовки смещены по кругу обычно на половину сегмента (рис. 1.2, б ). Сегменты следующего (верхнего) слоя шихтовки перекрывают стыки нижнего слоя, что увеличивает жесткость и уменьшает магнитное сопротивление магнитопровода.

В генераторах большой мощности (более 50–100 МВт) для уменьшения добавочных потерь мощности и местных нагревов торцевой зоны, обусловленных торцевыми магнитными полями, нажимные пальцы и фланцы кольцевой формы делают из немагнитных сталей; 1–3 крайних пакета стали статора делают меньшей толщины ступенчатыми (рис. 1.2), в зубцах крайних пакетов выполняют радиальные шлицы (прорези).

Магнитопроводы машин малой мощности из цельных кольцевых пластин стали с наружным диаметром до 0,5 м собирают на внутренней оправке, прессуют и после этого скрепляют по наружному диаметру скобами, приваренными к торцам сердечника, или планками, приваренными на торцах сердечника к нажимным шайбам или фланцам кольцевой формы. Собранный сердечник (вместе с обмоткой) запрессовывают в стальную или чугунную станину. Магнитопроводы из кольцевых пластин с наружным диаметром от 0,5 до 1 м собирают непосредственно в расточенный корпус или на ребра корпуса и запрессовывают между двумя нажимными шайбами или кольцами, которые фиксируют в корпусе запорными шпонками или сваркой.

В пазы 2 (рис. 1.1) магнитопровода статора укладывают катушки трехфазной или однофазной (m – фазной) распределенной обмотки статора. Катушки наматывают медным изолированным проводом. Обмотку статора выполняют с тем же числом пар полюсов р , как и обмотку ротора. Магнитопровод статора вместе с обмоткой называют якорем. Якорь устанавливают в средней части корпуса. Обмотку якоря включают в сеть переменного тока.

Ротор состоит из вала и магнитопровода (сердечника) с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения подключена к постоянному напряжению U f (рис. 1.1) через закрепленные на валу контактные кольца 6 и щётки 7 щёточного аппарата , неподвижно установленного на статоре. Под действием напряжения U f в обмотке возбуждения возникает постоянный ток возбуждения I f . Ток I f образует магнитный поток возбуждения Ф f , большая часть линий магнитной индукции B f которого пересекает зазор и замыкаются по магнитопроводам статора и ротора (рис. 1.1).

Ротор с обмоткой возбуждения называют индуктором. Иногда в машинах обращенного исполнения индуктором служит статор, обмотка переменного тока в таких машинах размещена на роторе.

По конструкции ротора различают два вида синхронных машин: явнополюсные (рис. 1.1, а ) и неявнополюсные (рис. 1.1, б ).

Машины с числом пар полюсов p ³ 2 обычно делают с явно выраженными полюсами и называют явнополюсными. Катушки обмотки возбуждения 4 (рис. 1.1, а ) электрически соединяют между собой последовательно так, чтобы получить чередование полярности полюсов по окружности машины: за обозначенным буквой N северным полюсом ротора следует обозначенный буквой S южный полюс, за южным полюсом S снова северный N и так далее.

Сердечник полюса 3 (рис. 1.1, а ) обычно набирают из стальных пластин. Для машин мощностью 100 кВт и менее пластины полюсов штампуют из электротехнической стали толщиной 0,5–1 мм, при больших мощностях – из низкоуглеродистой конструкционной стали марки Ст.3 толщиной 1–1,4 мм (реже 2 мм).

Очертание полюсного наконечника (более широкая часть полюса) выполняют так, что зазор между сердечником статора и полюсным наконечником на оси полюса δ в 1,5–2,5 раза меньше зазора δ m вблизи краев полюсного наконечника (рис. 2.10). Вследствие этого распределение индукции B δ f магнитного потока Ф f обмотки возбуждения в зазоре приближается к синусоидальному.

В полюсных наконечниках пластин ротора штампуют выемки, образующие при сборке сердечника полюса круглые полузакрытые пазы. В пазы с торца сердечника полюса забивают цилиндрические стержни 14 (рис. 1.3) из металла с малым электрическим сопротивлением. С торцов полюса стержни соединяют короткозамыкающими сегментами 15 из изогнутой на ребро медной шины прямоугольного сечения. Пайку соединений стержней с сегментами выполняют твердыми припоями. Короткозамыкающие сегменты соседних полюсов соединяют проводящими перемычками, в результате на роторе получается короткозамкнутая обмотка , подобная обмотке короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя.

В генераторах эту обмотку называют демпферной или успокоительной и стержни делают из меди. Она служит для уменьшения колебаний ротора при переходных процессах. В двигателях стержни изготавливают из латуни, обмотку называют пусковой . Она служит для асинхронного пуска. Иногда полюсы синхронных двигателей делают массивными. Торцы наконечников соседних полюсов соединяют проводящими перемычками. В этом случае массивные полюсы играют роль пусковой обмотки.

Листы стали полюса 1 стягивают стальными нажимными щеками 9 и стяжными шпильками 10 (рис. 1.3). Корпусную изоляцию 7 накладывают непосредственно на сердечник полюса в виде нескольких слоев стеклоткани, пропитанной термореактивным лаком. В машинах большой мощности корпусную изоляцию изготавливают в виде твердых коробов из прессованной стеклоткани на термореактивных связующих.

На изолированный сердечник полюса устанавливают катушку 2 обмотки возбуждения (рис. 1.3). Иногда для фиксации катушки на полюсе или создания охлаждающих каналов катушку раскрепляют изоляционными прокладками 8 . От контакта с остовом или втулкой ротора и полюсным наконечником катушки обмотки возбуждения изолируют гетинаксовыми или стеклотекстолитовыми шайбами 5 .

В машинах относительно малой мощности (до 100 кВт) применяют многослойные катушки из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения. Для машин средней и большой мощности (свыше 100 кВт) катушки наматывают голой медной шиной прямоугольного или специального профиля на ребро в один ряд по высоте полюса (рис. 1.3), что улучшает отвод тепла с боковых неизолированных поверхностей катушек. Соседние витки 3 изолированы прокладками 4 из стеклоткани, пропитанной эпоксидным или другим термореактивным лаком. Для придания монолитности катушки опрессовывают и запекают под давлением.

Полюсы крепят к ободу или втулке ротора. Чаще всего обод набирают вперекрой из стальных пластин (сегментов) толщиной 2–100 мм, стягиваемых шпильками. К наборному (шихтованному) ободу 16 полюсы крепят одним или двумя выступами (хвостами ) 11 Т-образной или другой формы (рис. 1.3). Для большей механической прочности нижнюю кромку хвоста проваривают по специально выштампованным в пластинах стали лункам 12 . Т-образный хвост полюса вставляют с торца в Т-образные па- зы обода и расклинивают двумя парами встречно забиваемых с торцов обода клиньев 13 . Клинья изготавливают из шпоночной стали с уклоном соприкасающихся граней 1:100 или 1:200. Также крепят полюсы быстроходных машин с литой массивной втулкой на валу ротора.

У тихоходных машин средней и большой мощности обод часто выполняют в виде литого или сваренного из толстолистовой стали магнитного колеса. В этом случае полюсы крепят болтами, проходящими с внутренней стороны сквозь отверстия в ободе. Болты вкручивают в резьбовые отверстия, сделанные в стали полюса со стороны его основания. В машинах мощностью менее 100 кВт полюсы прикрепляют ввертываемыми со стороны зазора через отверстия в теле полюса винтами к напрессованной на вал литой массивной втулке или непосредственно к валу.

Выводы обмотки возбуждения соединяют с контактными кольцами 1 (рис. 1.4). Контактные кольца делают из стали или бронзы и насаживают на опрессованную стеклотканью или миканитом втулку 3 . Втулку крепят на валу ротора 4 . Оконцеватель 7 кабеля обмотки возбуждения крепят гайками к токоведущей шпильке 6 . Другой конец шпильки запаивают в раззенкованном отверстии контактного кольца 1 . Длинная шпилька 6 отделена от второго

кольца изолирующей втулкой 5 .

Постоянный ток к обмотке возбуждения идет через скользящий контакт между вращающимися вместе с валом кольцами 1 и неподвижными щётками 9 . В мощных машинах число щеток, устанавливаемых на одно контактное кольцо достигает восьмидесяти.

Щетки прессуют из графитовых или угольных порошков с добавлением меди. Для отвода тока в щетку 2 (рис. 1.5) заделан конец гибкого токоведущего кабеля 5 из тонкой медной проволоки. Второй конец кабеля снабжен наконечником 6 для присоединения к токоведущей шине 7 .

Необходимый электрический контакт щеток с кольцами достигается за счет щеткодержателей (рис. 1.5), обеспечивающих равномерное нажатие на щетку с нужным давлением, свободное радиальное перемещение щетки 2 в обойме 1 щеткодержателя и доступ для замены щетки.

Щеткодержатели крепят к изогнутой на ребро в виде полукольца или кольца токоведущей шине 7 болтами 8 , допускающими небольшое смещение щеткодержателя при регулировке.

Пружина 3 создает радиальное усилие, прижимающее щетку 2 к кольцу, силу нажатия пружины регулируют, меняя положение кронштейна 4 .

Машины с числом пар полюсов p = 1 и реже p = 2 выполняют неявнополюсными. Магнитопровод ротора обычно изготавливают из сплошной стальной поковки в виде цилиндра (рис. 1.1, б), на внешне поверхности которого фрезеруют открытые пазы для обмотки возбуждения. В двухполюсных машинах (p = 1) пазы равномерно распределены в двух зонах, каждая из которых занимает примерно одну треть окружности ротора. В пазы укладывают концентрические катушки распределенной обмотки возбуждения, что приближает распределение магнитодвижущей силы (МДС) и индукции магнитного поля обмотки возбуждения в зазоре машины к синусоидальному (рис. 2.12).

Катушки обмотки возбуждения наматывают медным проводом (шиной) 1 прямоугольного сечения на ребро (рис. 1.6). Соседние витки катушек разделяют приклеенными термореактивным лаком к проводникам изолирующими прокладками 2 из миканита или стеклоткани.

При укладке в пазы проводники катушки изолируют от магнитопровода изоляционными гильзами 3, выпекаемыми под прессом из стеклоткани, пропитанной термореактивным лаком. После укладки стороны катушки в паз края гильзы нагревают и загибают внахлест.

Поверх гильзы укладывают прокладки из стеклотекстолита 4, стальную полосу 5 толщиной 1 мм, после чего закрывают (заклинивают) паз металлическими немагнитными клиньями 6.

Для предупреждения отгиба лобовых частей обмотки возбуждения центробежными силами, возникающими при вращении ротора, на лобовые части обмотки ротора надевают бандажные кольца 15 (рис. 1.7). Кольца представляют собой полые цилиндры, обычно выполненные из немагнитной стали. Бандажные кольца изолируют от проводников лобовых частей обмотки возбуждении стеклотекстолитовыми подбандажными сегментами, уложенными с перекрытием поверх лобовых частей.

1.2. Назначение синхронных машин

Синхронные машины в основном используют в качестве генераторов , преобразующих механическую энергию в электрическую.

Генераторы, приводимые во вращение паровыми или газовыми турбинами, называют турбогенераторами и устанавливают на тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электрических станциях. В России выпускают турбогенераторы активной мощностью от единиц до 1200 МВт. При частоте генерируемого напряжения 50 Гц изготавливают турбогенераторы для ТЭС двухполюсные с частотой вращения ротора n = 50 обс (3000 обмин), для АЭС – в основном четырехполюсные с n = 25 обс (1500 об/мин).

Вследствие большой частоты вращения материал магнитопровода ротора подвержен значительным механическим напряжениям. Поэтому ротор выполняют в виде цельнокованого цилиндра из высокопрочной магнитной стали с фрезерованными на поверхности радиальными пазами. По условиям механической прочности диаметры роторов современных турбо-генераторов для ТЭС не превышают 1,25 м, и повышение мощности генераторов исторически осуществлялось, в первую очередь, увеличением их длины. Этим обусловлена компоновка турбогенераторов как машин горизонтального исполнения с параллельной поверхности земли осью вала.

Особенности конструкции турбогенераторов рассмотрим на примере генератора небольшой мощности с косвенным воздушным охлаждением.

Обшивка 5 и поперечные стенки 6 (рис. 1.7) корпуса вырезаны из толстолистовой конструкционной стали и соединены сваркой. К поперечным стенкам 6 корпуса прикреплены сваркой рёбра (клинья ) 4 . На рёбрах набраны пакеты 3 магнитопровода статора из изолированных сегментов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Сердечник спрессован при помощи нажимных плит 8 и гаек 9 , затягиваемых на хвостовиках рёбер 4 . В пазы статора уложены стержни 7 трехфазной петлевой обмотки якоря, выводы 23 которой обычно размещают в нижней части корпуса.

С торцов корпус закрывают наружными торцевыми щитами 1 для защиты лобовых частей обмоток и отделения внутреннего объёма машины от окружающей среды. Внутренние щиты 12 разделяет зоны повышенного и пониженного давления газа внутри машины. Для создания направленного движения охлаждающего газа к внутреннему щиту крепят направляющий аппарат (щит) вентилятора 17 и диффузор 13 .

В корпусе статоров турбогенераторов с воздушным охлаждением установлены трубопроводы 22 системы пожаротушения для подачи углекислого газа или пара внутрь машины при возникновении пожара.

В пазы неявнополюсного ротора уложены катушки распределенной обмотка возбуждения, лобовые части 25 которой закрыты бандажными кольцами 15 . Напряжение к обмотке возбуждения подводят от возбудителя 21 при помощи щёточного аппарата 18 и контактных колец 19 .

Кольца размещают на валу со стороны возбудителя и соединяют с обмоткой возбуждения токоподводом 24 . При мощности 25 МВт и более для уменьшения длины вала контактные кольца устанавливают за подшипником, шины токоподвода проходят по центральному отверстию вала 27 .

Вал ротора вращается в двух подшипниках скольжения стоякового типа 20 с принудительной смазкой от маслонасоса. На центрирующих кольцах

Рис 1.7 (альбомный формат). Печать отдельно

бандажа или чаще на валу ротора установлены вентиляторы 16 , обеспечивающие движение охлаждающего газа в машине.

Для защиты обмоток от загрязнения пылью, парами масла и другими веществами, содержащимися в окружающем воздухе, для турбогенераторов с воздушным охлаждением используют замкнутую систему вентиляции . При этом в машине циркулирует один и тот же объём очищенного воздуха, который охлаждается в установленных под генератором воздухоохладителях. Направление движения воздуха на рис. 13 указано стрелками.

Холодный воздух поступает снизу в пространство между внутренним и наружным торцевыми щитами и нагнетается вентилятором 16 через диффузор 13 в корпус статора. Корпус разделен перегородками на отсеки (камеры ) холодного А и горячего В воздуха. Из отсека А холодный воздух проходит по вентиляционным каналам между пакетами стали статора в зазор, охлаждая статор машины. Двигаясь вдоль зазора, подогретый воздух охлаждает поверхность ротора 26 и поступает в вентиляционные каналы, по которым проходит в отсеки горячего газа В и далее в воздухоохладители. Часть холодного воздуха проходит в зазор через лобовые части обмоток статора 14 и ротора 25 , охлаждая их.

Применяемая нагнетательная система вентиляции обеспечивает избыточное давление воздуха внутри корпуса вследствие чего наружный воздух не может попасть через неплотности корпуса внутрь машины.

Возможность повышения мощности путём увеличения длины активной части машины была практически исчерпана в 1930–1940 годах, когда в 1937 году в СССР был построен турбогенератор с косвенным возушным охлаждением мощностью 100 МВт. Этот генератор до сих пор остается крупнейшим в мире из машин данного класса. В этой машине было достигнуто характерное для самых мощных современных турбогенераторов соотношение размеров ротора: активная длина ротора примерно в 5,5 раза больше его диаметра, равного 1 м.

Наибольшая возможная активная длина ротора ограничена допустимым прогибом вала, возникающими при этом вибрациями и не превышает у мощных современных машин 7,5–8,5 м. Зазор между статором и ротором достигает 0,1–0,15 м. Длина ротора в 3–6 раз превышает диаметр.

Поэтому дальнейший прогресс турбогенераторостроения был связан с совершенствованием охлаждения активных частей (магнитопровода и обмоток), и в первую очередь, с применением водородного охлаждения, патент на которое был получен в начале 20–х годов ХХ века в США.

Большая, чем у воздуха, теплоёмкость водорода позволяет улучшить отвод тепла от магнитопроводов и обмоток, и увеличить на 10–20 % плотность тока в обмотках и соответственно мощность машины не изменяя её габариты. Вследствие меньшей плотности водорода снижаются механические потери мощности и на 0,5–1,2 % повышается КПД машины. При коронировании в среде водорода не образуется озон, оказывающий разрушающее действие на изоляцию, и срок службы изоляции обмоток увеличивается. Снижается опасность пожара, так как водород не поддерживает горение.

Поэтому в настоящее время воздушное охлаждение применяют в турбогенераторах мощностью до 25 МВт включительно. При больших мощностях используют водородное охлаждение, на которое были переведены в процессе модернизации и все генераторы мощностью более 25 МВт с воздушным охлаждением.

Чтобы предотвратить проникновение наружного воздуха внутрь корпуса и исключить возможность взрыва при образовании смеси водорода с воздухом корпуса турбогенераторов, заполненных водородом, выполняют газонепроницаемыми. С той же целью давление водорода внутри корпуса должно быть выше атмосферного (не менее 0,105 МПа). Толщина обшивки, торцевых стенок корпуса и торцевых щитов больше чем при воздушном охлаждении, чтобы давление взрыва, если он произойдёт, не повредило машину. Оболочка и торцевые щиты должны выдерживать в течение 15 мин избыточное давление 0,8 МПа.

Для предотвращения выхода водорода из корпуса вдоль вала предусмотрены уплотнения вала между торцевым щитом и подшипником. В связи со сложностью герметизации соединений в машинах с водородным охлаждением секции газоохладителей размещают внутри корпуса горизонтально концентрически вокруг сердечника статора или вертикально в концевых частях корпуса. В остальном турбогенераторы с косвенным водородным и воздушным охлаждением конструктивно подобны.

В 1951–1952 годах в США и СССР были построены турбогенераторы с косвенным водородным охлаждением максимальной мощностью 150 МВт при избыточном давления водорода 0,2 МПа. Дальнейшее повышения давления водорода при косвенном охлаждении не дает заметного снижения температуры обмоток, что сделало невозможным увеличение плотности тока в обмотках и мощности при косвенном охлаждении.

Дальнейшее увеличение мощности было достигнуто с применением непосредственного охлаждения , при котором охлаждающее вещество не-посредственно соприкасается с проводниками обмоток. Для этого часть проводников выполняют полыми или делают специальные каналы в обмотках. В качестве охлаждающей среды используют водород, дистиллированную воду или масло, циркулирующие внутри обмоток. Применение непосредственного охлаждения позволило к 1970–1980 годам почти в 10 раз (до 1200 МВт) увеличить мощность турбогенераторов и довести их КПД до 98,85 % при почти неизменных размерах активных частей.

Поэтому в настоящее время косвенное водородное охлаждение применяют в генераторах мощностью до 100 МВт. Более мощные генераторы с косвенным водородным охлаждением были модернизированы и переведены на непосредственное охлаждение.

Обозначение турбогенератора содержит три позиции: 1 – 2 – 3 .

Позиция 1 характеризует тип машины (Т – турбогенератор), серию и способ охлаждения:

Т – косвенное воздушное охлаждение обмоток;

ТВ – косвенное водородное охлаждение обмоток;

ТВФ – непосредственное охлаждение обмотки возбуждения и косвенное охлаждение обмотки якоря водородом;

ТГВ – непосредственное охлаждение обмоток возбуждения и якоря вдородом (ТГВ-200-2, ТГВ-300-2) или водой (ТГВ-500-2, ТГВ-800-2);

ТВВ – непосредственное охлаждение обмотки возбуждения водородом, обмотки якоря – водой;

Т3В – непосредственное водяное охлаждение обмоток возбуждения, якоря и сердечника статора.

ТВМ – непосредственное охлаждение обмотки ротора водяное, обмотки и сердечника статора – масляное погруженного исполнения.

После буквенного обозначения может стоять номер серии, например: ТВ и ТВ2 – старая и новая серии генераторов с косвенным водородным охлаждением, выпускавшиеся в 50-х годах ХХ века.

Позиция 2 обозначает номинальную активную мощность турбогенератора в МВт, позиция 3 – число полюсов 2р, после которого указывают климатическое исполнение и категорию размещения.

Пример расшифровки обозначения турбогенератора:

ТВВ-800-2У3 – турбогенератор с непосредственным охлаждением обмоток: ротора – водородом, статора – водой; мощностью 800 МВт, двухполюсный, для эксплуатации в условиях умеренного климата (У) в закрытом помещении без искусственно регулируемых климатических условий (3).

Корпус большинства машин с непосредственным охлаждением обмоток заполнен водородом при избыточном давлении от 0,2 до 0,4 МПа.

Турбогенераторы являются одним из наиболее совершенных видов машин, и составляют 81–82 % мощности всех установленных в России генераторов. На оснащенных турбогенераторами электростанциях производится от 80 до 90 % всей вырабатываемой в России электроэнергии.

Генераторы, приводимые во вращение гидравлическими турбинами, называют гидрогенераторами и устанавливают на гидравлических электрических станциях (ГЭС). В России строят гидрогенераторы активной мощностью до 640 МВт на частоту напряжения 50 Гц. Относительно малая скорость вращения гидравлических турбин определяет низкую частоту вращения роторов от 1 до 8–9 об/с (от 50 до 500–600 об/мин).

Роторы обычно явнополюсные с большим числом полюсов 2р от 12 до 116. Поэтому диаметр активной части ротора современного гидрогенератора достигает 16–17 м и в 5–10 раз превышает его длину. Наружный диаметр корпуса достигает 20 м, высота – 13 м, масса машины часто превышает 1500 т. Из-за этого практически невозможно обеспечить необходимые жесткость статора и ротора, а также грузоподъёмность подшипников при горизонтальном исполнении. Поэтому большинство гидрогенераторов выполняют с вертикальным расположением вала (рис. 1.8, а , б ).

Вертикальные гидрогенераторы условно делят на подвесные с подпятником, установленным выше ротора (рис. 1.8, а ), и зонтичные – с подпятником ниже ротора (рис. 1.8, б ).

Подпятник представляет собой упорный подшипник скольжения, помещенный в ванну с минеральным маслом, служащим для смазки и охлаждения трущихся поверхностей. Масляную ванну с подпятником устанавливают в грузонесущей крестовине. Масло охлаждается встроенными в ванну водяными маслоохладителями.

Вращающаяся часть подпятника (пята) состоит из закрепленной на валу втулки 5 , с установленным на нижней части втулки диском (зеркалом ) 6 (рис. 1.8, а , б ).

Диск в виде кольца прямоугольного сечения делают из высокопрочной, твердой стали; торцевую поверхность скольжения диска обрабатывают с высокими точностью и классом чистоты.

Неподвижная часть (собственно подпятник) состоит из самоустанавливающихся сегментов 7 трапецеидальной формы, изготавливаемых разрезанием по радиусам стального кольца прямоугольного сечения. На поверхность трения сегментов наносят слой антифрикционного сплава – баббита, после чего выполняют чистовую обработку поверхности трения. Сегменты установлены в масляной ванне.

Вертикальные усилия ротора через вращающуюся пяту 6 и неподвижные сегменты 7 передаются опорной крестовине и далее через корпус (рис. 1.8, а ) или непосредственно (рис. 1.8, б ) фундаменту.

Радиальные усилия, действующие на ротор, воспринимают один или два направляющих подшипника скольжения 4 (рис. 1.8) радиального типа. В нормальных режимах эти усилия незначительны, но сильно возрастают при авариях. Неподвижная часть направляющих подшипников со- стоит из охватывающих втулку вала самоустанавливающихся сегментов с баббитовой заливкой рабочей поверхности. Сегменты установлены в кольцевом корпусе и погружены в масло, смазывающее поверхности трения. Корпус подшипника и масляный бак закреплены на крестовине, через которую радиальные усилия передаются корпусу статора или фундаменту(рис. 1.8). При возможности направляющий подшипник и подпятник объединяют в один конструктивный узел с общей масляной ванной. Число направляющих подшипников определяется жесткостью вала.

В верхней крестовине 3 (рис. 1.8, б ) генераторов зонтичного типа размещают только направляющий подшипник 4. Поэтому верхнюю крестовину делают облегченной и небольшой высоты. Высота верхней части машины, выступающей над полом машинного зала, меньше чем при подвесного исполнения, что позволяет уменьшить высоту машинного зала.

Различают две основные конструкции зонтичных гидрогенераторов по месту установки подпятника: на нижней опорной крестовине (рис. 1.8, б ) и на крышке турбины (рис. 1.9). В последнем случае отпадает необходимость в тяжелой нижней грузонесущей крестовине и уменьшается длина вала. Вследствие этого высота и масса зонтичного генератора меньше, чем у машины подвесного типа. Уменьшение общей высоты агрегата снижает стоимость строительства здания ГЭС. Монтаж зонтичного генератора проще, так как центровка статора и вала выполняется независимо.

В вертикальном гидрогенераторе (рис. 1.9) статор 11 с магнитопроодом и обмоткой опирается на стальные фундаментные плиты 13 , залитые в фундамент. Внутри статора находится ротор с валом.

Вал выполняют в виде единой детали или составным из центральной втулки 20 и двух надставок 19 , 21 (рис. 1.9). Такую (безвальную ) конструкцию применяют в зонтичных гидрогенераторах.

К центральной втулке прикреплены радиальные спицы 7 , сваренные из толстолистовой стали. На спицах зафиксирован обод 8 , собранный из стянутых шпильками стальных сегментов . Полюсы 10 крепят к ободу ротора с помощью Т-образных хвостов, вставляемых в пазы обода соответствующей формы.

Снизу к ободу 8 стяжными шпильками крепят тормозные сегменты 15 из стали. На фундаменте или нижней крестовине размещают равномерно по окружности машины пневматические тормоза-домкраты 16 , служащие для быстрого механического торможения ротора. Воздух в цилиндры тормозов 16 подают после достижения ротором небольшой частоты вращения, при которой исчезает масляный клин между пятой и сегментами подпятника и трение становится полусухим, что вызывает быстрый износ подпятника. Тормоза 16 используют также для подъёма ротора, подавая в цилиндры минеральное масло под давлением до 10 МПа.

Масляная ванна 17 с подпятником установлена на подставке 18 , опирающейся на крышку турбины. Верхний направляющий подшипник 4 генератора размещен в верхней крестовине.

Для питания обмотки возбуждения полюсов ротора в гидрогенераторах относительно небольшой мощности (до 50–70 МВт) применяют генераторы постоянного тока с самовозбуждением, называемые возбудителями .

Якорь возбудителя обычно размещают на валу гидрогенератора над верхней крестовиной или в ней при отсутствии верхнего направляющего подшипника у машин зонтичного исполнения.

Для возбуждения гидрогенераторов мощностью 70–100 МВт и более используют вспомогательные синхронные генераторы с последующим выпрямлением переменного напряжения обмотки якоря. Вспомогательный генератор 6 (рис. 1.9) выполняют с тем же числом полюсов, что и гидрогенератор, и размещают между ротором и верхней крестовиной.

Выпрямленное напряжение вспомогательного генератора или постоянное напряжение с якоря возбудителя подводится к обмотке возбуждения гидрогенератора через установленные на валу контактные кольца 3 .

Для связи с системой регулирования частоты вращения турбины предназначен расположенный на валу ротора регуляторный генератор 1 .

Вследствие того, что невозможно выполнить корпус газоплотным, внутренний объём гидрогенератора заполнен воздухом. Большинство гидрогенераторов выполнены с косвенным воздушным охлаждением магнитопроводов и обмоток. Наиболее часто применяют замкнутую или частично разомкнутую систему вентиляции, при которой часть (около 20 %) нагретого в машине воздуха используется для обогрева машинного зала.

Для перемещения воздуха используют принцип самовентиляции , при котором напорный эффект создается вращающимися частями ротора. Холодный воздух поступает в пространство между спицами 7 остова ротора (рис. 1.9), проходит по радиальным каналам обода 8 в пространство между полю-

Рис.1.9 (альбомный формат) Печатать отдельно

сами 10 и охлаждает катушки обмотки возбуждения. Далее воздух поступает в радиальные каналы статора 11 , охлаждая при этом сердечник и пазовую часть обмотки статора. Центробежными вентиляторами, установленными в торцевых частях обода, холодный воздух нагнетается, в область лобовых частей обмоток и охлаждает их. Нагретый воздух проходит через воздухоохладители 12 и охлажденный поступает к ротору по каналам в фундаменте и между лапами верхней крестовины 5 .

Такую систему вентиляции называют радиальной и применяют в тихоходных гидрогенераторах с линейной скоростью вращения ротора менее 30–60 м/с. При линейной скорости вращения ротора более 60 м/с предпочтительнее радиально-аксиальная схема вентиляции. В этом случае с помощью установленных на торцах ротора осевых (пропеллерных) вентиляторов воздух нагнетается сверху и снизу в пространство между полюсами 10 и в область лобовых частей обмоток. Далее воздух, как и при радиальной схеме вентиляции, идет по радиальным каналам статора и через воздухоохладители (рис. 1.9).

Для уменьшения габаритов машины или увеличения мощности при почти неизменных габаритах в гидрогенераторах большой мощности (более 150–200 МВт) применяют непосредственное охлаждение обмоток.

Наиболее распространена система охлаждения смешанного типа , при которой обмотка статора охлаждаются непосредственно водой, а обмотка

возбуждения имеет форсированное воздушное охлаждение. Охлаждающий воздух проходит по внутренним продольным или поперечным каналам в витках катушек полюсов. Остальные части охлаждаются также как и при косвенном воздушном охлаждении. Такое охлаждение применено для крупнейших в России гидрогенераторов Красноярской и Саяно-Шушенской ГЭС номинальной мощностью 500 и 640 МВт соответственно.

Известны конструкции гидрогенераторов с непосредственным охлаждением водой обмоток статора и ротора, а также с полным водяным охлаждением обмоток и сердечника статора.

Для низконапорных русловых и приливных ГЭС находят применение тихоходные горизонтальные капсульные гидроагрегаты относительно небольшой мощности 16–45 МВт. Гидроагрегат (рис. 1.8, в ) состоит из турбины и установленного в герметичной оболочке (капсуле) гидрогенератора с горизонтальным валом. Капсула помещена в воду в проточной части плотины ГЭС. С целью уменьшения габаритов большинство таких генераторов выполнены с непосредственным водяным охлаждением обмоток статора и ротора.

Обозначение гидрогенератора содержит четыре позиции: 1 2 / 3 – 4 .

Позиция 1 характеризует тип или серию и способ охлаждения: СВ, ВГС – синхронный вертикальный с косвенным воздушным охлаждением; СГ – синхронный горизонтальный с косвенным воздушным охлаждением; СВФ – синхронный вертикальный с непосредственным охлаждением обмотки статора водой и форсированным охлаждением обмотки ротора воздухом; СГКВ – синхронный горизонтальный капсульный с непосредственным охлаждением обмоток статора и ротора водой; СВО – синхронный вертикальный обратимый с воздушным охлаждением (двигатель-генераторы для гидроаккумулирующих электростанций).

За буквенным обозначением следует дробное число, позиция 2 в числителе которого соответствует наружному диаметру, а позиция 3 в знаменателе дроби равна длине сердечника статора в сантиметрах.

Позиция 4 определяет число полюсов 2р, после которого указывают климатическое исполнение и категорию размещения.

Пример расшифровки обозначения гидрогенератора:

СВФ 1690/185-64 УХЛ4 – синхронный вертикальный с охлаждением обмоток: статора – непосредственным водяным; ротора – форсированным воздушным; наружный диаметр сердечника статора 1690 см, длина сердечника статора 185 см; число полюсов 64; для эксплуатации в условиях умеренного и холодного климата (УХЛ) с искусственно регулируемыми климатическими условиями (4).

Для автономных источников питания применяют синхронные генераторы мощностью от нескольких кВ·А до нескольких МВ·А, приводимые во вращение от других типов двигателей: паровых, внутреннего сгорания, ветроэнергетических установок.

Синхронные машины используют и в качестве двигателей. Большинство их имеет горизонтальное расположение вала. При частотах вращения ротора до 25 об/с (p ³ 2) двигатели выполняют явнополюсными, 50 и иногда 25 об/с – неявнополюсными. Мощности выпускаемых в России двигателей – от нескольких кВт до десятков МВт.

В обозначении большинства генераторов и двигателей общего назначения присутствуют буквы СГ, ГС или СД, ДС соответственно.

Для регулирования реактивной мощности в электрических системах используют синхронные компенсаторы – синхронные двигатели, работающие без нагрузки на валу. В России изготавливают синхронные компенсаторы на мощности 10–160 МВ×А с частотами вращения 12,5–16,7 об/с. Обычно это явнополюсные машины с косвенным воздушным охлаждением при мощности до 25 МВ×А для установки в помещении, при больших мощностях с косвенным водородным охлаждением для наружной установки. Обозначение синхронного компенсатора состоит из буквенного названия типа КС или КСВ соответственно для машин с воздушным и водородным охлаждением. Далее указывают номинальные полную мощность в МВ×А и линейное напряжение в кВ.

Например: КСВ 50-11 – компенсатор синхронный, охлаждение водородное, номинальные мощность 50 МВ×А и линейное напряжение 11 кВ.

Шведской фирмой АСЕА изготовлен синхронный компенсатор мощностью 345 МВ×А с частотой вращения 900 об/мин на частоту напряжения 60 Гц. В машине применено полное непосредственное водяное охлаждение обмоток (статора, возбуждения и демпферной) и сердечника статора, корпус заполнен воздухом.

1 .3. Системы возбуждения синхронных машин

1.3.1. Требования к системам возбуждения

Система возбуждения предназначена для питания обмотки ротора постоянным током и в значительной степени определяет надежность работы синхронной машины. В связи с этим система возбуждения должна удовлетворять следующим основным требованиям, определяемым ее функциональным назначением и условиями эксплуатации машины.

Система возбуждения должна обеспечивать надежное питание постоянным током обмотки возбуждения в любых режимах, в том числе и при авариях в энергосистемах.

При номинальном напряжении должно обеспечиваться устойчивое регулирование тока возбуждения в пределах изменения нагрузки машины от нуля до номинальной. Система возбуждения должна обеспечивать в длительном режиме ток и напряжение возбуждения, превышающие номинальные не менее чем на 10 %.

Для поддержания устойчивой работы машины при аварии в энергосистеме система возбуждения должна обеспечивать форсировку возбуждения – быстрый подъем напряжения возбуждения от номинального U f Н до максимально возможного установившегося U f m . Отношение k f m = U f m /U f Н называют кратностью предельного установившегося напряжения возбудителя или кратностью форсировки . Для генераторов и компенсаторов k f m должна быть не менее 1,8–2,0; для прочих машин не менее 1,4.

Системы возбуждения должны выдерживать двукратный номинальный ток возбуждения не менее 50 с для машин с косвенным охлаждением и не менее 20 с для машин с непосредственным водяным охлаждением и форсированным воздушным охлаждением обмотки ротора.

Быстродействие системы возбуждения характеризуют номинальной скоростью нарастания напряжения возбуждения , определяемой отношением (1 – е – 1)(U f m – U f Н)/(t ·U f Н), где t – постоянная времени нарастания напряжения или время нарастания напряжения от U f Н до 0,632(U f m – U f Н), (закон нарастания напряжения считают экспоненциальным). Скорость нарастания напряжения измеряется в о.е./с и должна быть не менее: 2 о.е./с для турбогенераторов и компенсаторов; 1,5 для гидрогенераторов и 0,8 для прочих машин. Здесь о.е. – относительная единица напряжения возбуждения. Одной о.е. соответствует номинальное напряжение возбуждения U f Н.

Система возбуждения должна обеспечивать быстрое гашение магнитного поля в машине без значительного повышения напряжения в обмотках машины при отключениях машины от сети и авариях в машине.

Во всех режимах мгновенное напряжение на выводах обмотки возбуждения не должно превосходить 70% амплитуды испытательного напряжения этой обмотки относительно корпуса, которое принимают не более десятикратного номинального напряжения возбуждения (10U f Н), но не более 3,5 кВ.

Системы возбуждения рассчитывают для работы с автоматическими регуляторами возбуждения (АРВ), обеспечивающими регулирование напряжения, устойчивость работы, ограничение перегрузок, режимы пуска и включения в сеть.

1.3.2. Устройство систем возбуждения (Тема 20)

Наиболее часто для возбуждения синхронных машин применяют системы независимого возбуждения и системы самовозбуждения . В первом случае для питания обмоток возбуждения основной синхронной машины обычно используют электромашинные возбудители – генераторы постоянного тока или синхронные генераторы и возбуждение машины не зависит от напряжения на якоре. Если ротор возбудителя находится на одном валу с ротором синхронной машины, то систему возбуждения называют прямой . При самовозбуждении (рис. 1.12, а ) для возбуждения синхронной машины используют энергию переменного тока обмотки якоря. Самовозбуждние происходит за счет остаточного потока в роторе машины.

До 50-х годов ХХ века возбуждение синхронных машин осуществлялось практически только электромашинными системами возбуждения с коллекторным генератором постоянного тока параллельного или независимого возбуждения в качестве возбудителя (рис. 1.10).

КПД машины. Изменение тока I f осуществляют только за счет напряжения возбудителя U f , которое регулируется током возбуждения I ВВ возбудителя. В свою очередь ток возбуждения возбудителя I ВВ зависит от напряжения подвозбудителя U ПВ, которое регулируется его током возбуждения I ВПВ.

Для быстрого уменьшения тока возбуждения до нуля (гашения поля) применяют устройство, называемое автоматом гашения поля (АГП).

В простейшем случае АГП состоит из гасительного сопротивления R Г,
величина которого в 4–6 раз больше сопротивления обмотки возбуждения r f и контакторов К 1 , К 2 . АГП предохраняет от повреждения изоляцию обмотки возбуждения и контакт К 2 . При отключении обмотки возбуждения сначала замыкается дугогасительный контакт К 1 и включает обмотку возбуждения на гасительное сопротивление R Г, затем размыкают рабочий контакт К 2 . Энергия, запасенная в магнитном поле возбуждения, гасится на сопротивлении R Г и значительной электрической дуги опасной для контакта К 2 не возникает. Одновременно из-за наличия сопротивления R Г уменьшается скорость затухания тока возбуждения I f и ЭДС самоиндук-ции e f f ≡ d I f /d t в обмотке возбуждения, которая может вызвать пробой изоляции обмотки.

Для форсировки возбуждения подается сигнал на замыкание контакта K Ф, шунтирующего форсировочный R Ф и регулировочный R Р резисторы в цепи обмотки возбуждения возбудителя. При этом напряжение возбудителя U f быстро возрастает до предельного значения U f m .

Достоинствами электромашинных систем возбуждения с возбудителями постоянного тока являются простота, малая стоимость и высокая надежность. К недостаткам относятся небольшая кратность форсировки k f m ≤ 2, большие постоянные времени 0,3–0,6 с и соответственно небольшие скорости нарастания напряжения возбуждения 1,5–2,5 о.е./с. Поэтому в настоящее время такие системы применяют для возбуждения турбо- и гидрогенераторов относительно небольшой мощности до 30–50 МВт.

Начиная с 60-х годов ХХ века преимущественное распространение получили вентильные системы возбуждения на полупроводниковых кремние-

вых приборах: диодах или тиристорах.

Для возбуждения турбо- и гидрогенераторов мощностью 50 МВт и более часто применяют систему независимого тиристорного возбуждения (рис. 1.11), в которой возбудителем служит вспомогательный синхронный генератор (ВГ ) частотой 50 Гц, расположенный на одном валу с основным генератором. Переменное напряжение обмотки якоря 5 вспомогательного генератора преобразуют в постоянное напряжение U f тиристорным преобразователем 3 и подводят через контактные кольца 4 к обмотке возбуждения основного генератора. Возбуждение ВГ выполнено по системе тиристорного самовозбуждения от тиристорного выпрямителя 9 , запитанного через трансформатор 8 от выводов обмотки якоря ВГ .

Силовая часть тиристорных преобразователей собрана по трехфазной мостовой схеме. Схемы преобразования могут быть одногрупповыми с од-ним выпрямителем 3 (рис. 1.11) и двухгрупповыми – с двумя выпрямителями. Схему с одной группой вентилей применяют для обычной кратности форсировки k f m = 2, схему с двумя группами вентилей – при повышенной кратности форсировке k f m = 3–4.

В двухгрупповой схеме один выпрямитель (форсировочный) включен на полное напряжение обмотки якоря ВГ, второй (рабочий) – на отпайку обмотки якоря, с которой снимается часть напряжения этой обмотки. На стороне постоянного тока I f оба выпрямителя включены параллельно и работают с разными углами управления. В нормальном режиме ток возбуждения идет в основном по рабочей группой вентилей, при форсировке – по форсировочной.

Инерционность тиристорных преобразователей невелика и обеспечивается высокое быстродействие со скоростью нарастания напряжения возбуждения до 10–30 о.е./с.

Гашение поля в нормальных условиях осуществляют переводом тиристорных преобразователей в инверторный режим, в случае аварии с помощью АГП (на упрощенной схеме рис. 1.11 не показан).

Находят применение системы возбуждения, в которых вместо вспомогательного генератора частотой 50 Гц в качестве возбудителя используют высокочастотные синхронные индукторные генераторы на частоту 500 Гц с последующим выпрямлением напряжения. Для таких систем характерно относительно небольшое быстродействие (до 2,0–2,5 о.е./с).

Общим недостатком систем независимого тиристорного возбуждения можно считать наличие возбудителя переменного тока, что увеличивает стоимость системы и усложняет ее эксплуатацию.

Преимущество системы тиристорного самовозбуждения (рис. 1.12, а ) заключается в отсутствии электромашинного возбудителя и большей простоте схемы, что повышает надежность системы, уменьшает ее стоимость, сокращает размеры агрегата и машинного зала.

Преобразовательный трансформатор 4 включается непосредственно на линейные выводы генератора без коммутирующей аппаратуры. Тиристорные преобразователи 5 выполняют по мостовой схеме одногрупповыми при кратности форсировки k f m ≤ 2,5, при больших кратностях – двухгруппвыми.

Предусмотрена возможность подачи постоянного тока в обмотку ро-тора генератора Г от устройства начального возбуждения (на схеме не пока-

зано), которое автоматически отключается после начала процесса самовозбуждения.

По динамическим характеристикам системы тиристорного самовоз-буждения эквивалентны системам независимого тиристорного возбуждения. Недостаток системы самовозбуждения заключается в меньшей стабильности напряжения особенно у машин большой мощности.

Основной недостаток рассмотренных выше схем возбуждения – нали-чие скользящего контакта, снижающего надежность работы и КПД маши- ны. Поэтому в настоящее время у наиболее мощных турбогенераторов с токами возбуждения I f = (5–10)·10 3 А применяют бесщёточную систему возбуждения (рис. 1.12, б ). В качестве возбудителя используют обращенный вспомогательный синхронный генератор ВГ с обмоткой якоря на роторе. Переменное напряжение обмотки якоря 7 преобразуется в постоянное полупроводниковым выпрямительным блоком 6 , закрепленным на валу ротора, и подводится к обмотке возбуждения 2 генератора. Обмотка возбуждения 8 ВГ размещена на статоре ВГ и запитана от подвозбудителя 9 , представляющего собой высокочастотный синхронный генератор.

Первоначально вращающиеся выпрямительные блоки 6 выполняли на диодах. Инерционность диодных систем достаточно велика, так как определяется постоянной времени ВГ , которая обычно больше 0,5 с. Для повышения быстродействия в цепь возбуждения ВГ включен тиристорный преобразователь 10 с высокой кратностью форсировки. При форсировке возбуждения выпрямитель 10 открывается сигналом АРВ и напряжение U f В на обмотке возбуждения 8 ВГ быстро возрастает. При этом ток возбуждения I f В ВГ и напряжение на обмотке 2 ротора основного генератора также увеличиваются с большой скоростью (до 30 о.е./с). В настоящее время используются и вращающиеся выпрямительные блоки на тиристорах.

К недостаткам бесщеточных систем возбуждения относятся увеличение длины агрегата, сложность гашения поля возбуждения и передачи управляющих импульсов к вращающимся тиристорам.

В настоящее время для синхронных двигателей с частотой вращения 3000 об/мин или двигателей особо ответственных установок применяют бещеточные системы возбуждения, с меньшими частотами вращения – статические тиристорные системы самовозбуждения.

Для компенсаторов типа КС используют статические тиристорные системы, типа КСВ – бесщеточные диодные системы возбуждения.

Синхронными машинами называют устройства частота вращения ротора, в которых она всегда равна или же кратна аналогичному показателю магнитного поля внутри воздушного зазора, которое создается за счет тока проходящего по якорной обмотке. В основе работы данного типа машин лежит принцип электромагнитной индукции.

Возбуждение синхронных машин

Возбуждение синхронных машин может производиться за счет электромагнитного воздействия или же постоянного магнита. В случае с электромагнитным возбуждением применяется специальный генератор постоянного тока, который и питает обмотку, в связи со своей основной функцией данное устройство получило название возбудитель. Стоит отметить, что система возбуждения также делится на два вида по способу воздействия – прямой и косвенный. Прямой метод возбуждения подразумевает, что вал синхронной машины напрямую соединен механическим способом с ротором возбудителя. Косвенный же метод предполагает, что для того чтобы заставить ротор вращаться используется другой двигатель, например асинхронная электромашина.

Наибольшее распространение сегодня получил именно прямой метод возбуждения. Однако в тех случаях, когда предполагается работа системы возбуждения с мощными синхронными электромашинами применяют генераторы независимого возбуждения, на обмотку которых ток подается с другого источника постоянного тока, называемого подвозбудителем. Несмотря на всю громоздкость, данная система позволяет добиться большей стабильности в работе, а также более тонкой настройки характеристик.

Устройство синхронной машины

У синхронной электрической машины существует две основных составляющих части: индуктор (ротор) и якорь (статор). Самой оптимальной и потому распространенной на сегодняшний день является схема, когда якорь располагают на статоре, в то время как индуктор располагается на роторе. Обязательным условием для функционирования механизма является наличие между этими двумя частями воздушной прослойки. Якорь в данном случае представляет собой неподвижную часть устройства (статор). Он может состоять как из одной, так и из нескольких обмоток, в зависимости от необходимой мощности магнитного поля, которое он должен создавать. Сердечник статора, как правило, набирается из отдельных тонких листов электротехнической стали.

Индуктор в синхронных электрических машинах представляет собой электромагнит, при этом концы его обмотки выводятся непосредственно на контактные кольца на валу. Во время работы индуктор возбуждается постоянным током, благодаря которому ротор и создает электромагнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем якоря. Таким образом, благодаря постоянному току, возбуждающему индуктор, достигается постоянная частота вращения магнитного поля внутри синхронной машины.

Принцип действия синхронных машин

В основе принципа работы синхронной машины лежит взаимодействие двух типов магнитных полей. Одно из этих полей образуется якорем, другое же возникает вокруг возбуждаемого постоянным током электромагнита – индуктора. Непосредственно после выхода на рабочую мощность магнитное поле создаваемое статором и вращающееся внутри воздушной прослойки, сцепляется с магнитными полями на полюсах индуктора. Таким образом, для того чтобы синхронная машина достигла рабочей частоты вращения, требуется определенное время на ее разгон. После того как машина разгоняется до необходимой частоты, на индуктор подается питание от источника постоянного тока.