Области применения синхронных машин

Устройство синхронных машин

Синхронной машиной называется двухобмоточная электрическая машина переменного тока, одна из обмоток которой присоединена к электрической сети с постоянной частотой, а вторая — возбуждается постоянным током.

У синхронных машин частота вращения магнитного поля равна (синхронна) частоте вращения ротора ().

Синхронная машина имеет неподвижную часть — статор и подвижную — ротор.

Существует прямое (основное) и обращенное исполнение синхронной машины. Прямое исполнение — обмотка возбуждения расположена на роторе, а рабочая обмотка переменного тока — на статоре. Обращенное исполнение — обмотка возбуждения расположена на статоре, а рабочая обмотка - на роторе.

Обмотка переменного тока называется якорной обмоткой, а часть машины, несущая якорную обмотку, называется якорем; часть машины, несущая обмотку возбуждения,— индуктором.

Обращенное исполнение применяется для машины небольшой мощности (2-5 кВт).

Для более крупных машин применяется основное исполнение. В этом случае с помощью скользящего контакта подводится только мощность возбуждения, составляющая 0,3—2 % мощности машины, а не полная мощность, как в обращенном исполнении.

В дальнейшем будем рассматривать прямое исполнение.

Статор машин прямого исполнения включает в себя корпус, выполненный из чугуна или алюминиевого сплава. В корпус запрессован сердечник, выполненный из пластин электротехнической стали. При наружном диаметре более 1 м сердечник собирается из сегментов. В сердечнике выштампованы пазы. В пазах статора размещается многофазная (обычно трехфазная) 2р-полюсная обмотка. Фазы обмотки соединяются обычно в звезду.

На роторе, вал которого опирается на подшипники, располагается обмотка возбуждения. Она имеет такое же число полюсов, как и обмотка статора. Обмотка возбуждения питается постоянным током через два контактных кольца и щетки от постороннего источника - системы возбуждения.

Процессы в синхронной машине при холостом ходе

При холостом ходе ток в обмотке якоря равен нулю. Обмотка возбуждения с током I_f образует магнитное поле возбуждения, МДС которого равна:

F_f= I_f W_f

Вследствие нелинейности магнитной характеристики возникают высшие гармоники МДС поля возбуждения. Поэтому принимаются меры по улучшению формы поля возбуждения, чтобы уменьшить содержание высших гармонических, поскольку высшие гармонические, не принимая участия в процессе преобразования энергии, вызывают добавочные потери. Улучшение формы поля возбуждения в явнополюсных машинах достигается выбором благоприятного соотношения между максимальным и минимальным зазором под полюсом, в неявнополюсных — выбором благоприятной относительной длины обмотанной части полюсного деления.

При воздействии поля возбуждения обмотке якоря индуктируется ЭДС E _f, которая содержит высшие гармоники. Искажение синусоидальности приводит к появлению добавочных потерь от высших гармонических. Поэтому ЭДС синхронных генераторов должны быть как можно ближе к синусоидальным.

Уменьшение содержания высших гармонических в кривой ЭДС достигается за счет укорочения шага обмотки якоря, размещения ее катушек в достаточно большом числе пазов, а также соединения фаз обмотки в звезду или треугольник.

В возбужденной машине при холостом ходе возникают механические потери на трение вращающихся частей P_мех, магнитные потери в стали магнитопровода якоря P_ст и некоторые добавочные электромагнитные потери P_д.х. Двигатель, приводящий синхронную машину во вращение, должен развивать мощность, равную сумме этих потерь

P_п.д= P_мех+P_ст+ P_д.х.

и составляющую 0,3—3 % полной мощности машины.

Синхронный компенсатор

Синхронный компенсатор представляет собой синхронный двигатель, работающий без нагрузки на валу; при этом по обмотке якоря проходит практически только реактивный ток. Синхронный компенсатор может работать в режиме улучшения cosφ или в режиме стабилизации напряжения.

Нагрузка сети носит активно-индуктивный характер – ток нагрузки I _н отстает по фазе от напряжения сети U _c. Для улучшения cosφ сети синхронный компенсатор работает в режиме перевозбуждения. Ток возбуждения регулируется так, чтобы ток якоря I ₁ синхронного компенсатора опережал на 90° напряжение сети U _c (рис. а) и был примерно равен реактивной составляющей тока нагрузки I _{н р}. В результате сеть загружается только активным током нагрузки I _{н а}.

В отличие от батарей конденсаторов компенсатор может компенсировать как индуктивную (при перевозбуждении) так и емкостную (при недовозбуждении) составляющие тока.

В режиме стабилизации напряжения устанавливается ток возбуждения синхронного компенсатора чтобы ЭДС компенсатора Е_f равнялась номинальному напряжению сети U_cн (рис. б). В сети имеется ток I _н, создающий падение напряжения ΔU= I_нR_ccosφ + I_нX_c sinφ, где R_c и Х_с — активное и индуктивное сопротивление сети; φ — угол сдвига фаз между векторами напряжения и тока сети.

Если напряжение сети понижается из-за возрастания тока нагрузки и становится меньше U_cн, то синхронный компенсатор забирает из сети реактивный опережающий ток I ₁ (рис. в). Это уменьшает падение напряжения на величину ΔU_к= I₁X_c. При повышении напряжения в сети, когда U_c > U_cн, синхронный компенсатор загружает сеть реактивным отстающим током I ₁ (рис. г), что приводит к увеличению падения напряжения на величину
ΔU_к= I₁X_c. Недостаток метода - синхронный компенсатор загружает линию реактивным током, увеличивая потери в ней.

Синхронные компенсаторы выпускаются мощностью от 10 до
100 МВА и по конструкции имеют следующие отличия от синхронного двигателя:

- не имеют выходного конца вала;

- вал не передает вращающий момент и выполняется менее массивным;

- уменьшен воздушный зазор и размеры обмотки возбуждения;

- имеет более массивную магнитную систему для получения большого значения МДС;

-имеет явнополюсную конструкцию при числе полюсов 6 или 8.

Синхронный компенсатор должен быть оснащен автоматическим регулятором возбуждения, который при изменении режима напряжения в узле так регулирует его ток возбуждения, чтобы напряжение на зажимах компенсатора оставалось постоянным.

Энергетика синхронных машин

Часть мощности, потребляемой синхронной машиной, идет на компенсацию потерь, которые включают в себя:

1. Потери на возбуждение Δ Р_в..

2. Механические потери Δ Р_мех — это потери на трение в подшипниках и потери на вентиляцию. Они зависят от частоты вращения.

3. Магнитные потери Δ Р_ст в основном имеют место в сердечнике статора, который подвергается перемагничиванию полем ротора. Они состоят из потерь на вихревые токи и перемагничивание. Потери в стали зависят от значения магнитной индукции, марки и толщины листов стали из которой набран сердечник якоря и частоты перемагничивания.

4. Электрические потери имеют место в обмотках статора

5. Добавочные потери Δ Р_доп учитывают потери на пульсацию магнитного потока, потери, вызванные поверхностным эффектом и др. Они равны 0,25 – 0,5% полезной мощности генератора

Механические и магнитные не зависят от нагрузки. Их называют постоянными. Электрические потери зависят от нагрузки машины, поэтому эти потери называются переменными.

На рисунке приведены энергетические диаграммы синхронных генераторов и двигателей при возбуждении от возбудителя (рис. а), а также от сети переменного тока (рис. а).

К генераторам подводится механическая мощность Р₁= М_врω₁, за счет которой покрываются потери холостого хода, состоящие из механических потерь Δ Р_мех, потерь в стали Δ Р_ст и добавочных потерь Δ Р_доп. Если возбудитель приводится от вала генератора, то потери в возбудителе и в цепи возбуждения Δ Р_в также покрываются за счет механической мощности. Остаток — электромагнитная мощность Р_эм= М_эмω₁ передается магнитным полем индуктора якорю и преобразуется в его обмотке в электрическую мощность. Часть этой мощности идет на потери в обмотке якоря Δ Р_э, а остальная мощность передается на зажимы генератора и является полезной мощностью
Р₂ =mU₁I₁ cosφ₁ (рис. а). Если генератор выполнен с самовозбуждением, то с его зажимов снимается мощность Δ Р_в, часть которой идет на потери в цепи возбуждения (рис. б), а остаток — полезная мощность Р₂ отдается в сеть.

Коэффициент полезного действия:

У двигателей потребляемая мощность Р₁ =mU₁I₁ cosφ₁ поступает из электрической сети. За ее счет покрываются электрические потери Δ Р_э в обмотке якоря и мощность возбуждения Δ Р_в при возбуждении от сети переменного тока. Оставшаяся часть преобразуется в электромагнитную мощность Р_эм= М_эмω₁, связанную с вращающимся магнитным полем. За счет этого поля покрываются потери в стали Δ Р_ст и добавочные потери Δ Р_доп, а остальное передается ротору в виде механической мощности Р_мех. Механическая мощность должна покрыть механические потери Δ Р_мех и мощность Δ Р_в, потребляемую возбудителем. Оставшаяся часть механической мощности — мощность на валу является полезной мощностью двигателя Р₂= М_врω₁.

Энергетические диаграммы показывают, что преобразование энергии в синхронной машине более сложно, чем это описывалось простейшими формулами и векторными диаграммами. Подключения синхронного двигателя к сети и синхронизации еще недостаточно, чтобы машина создала вращающий момент на валу - сначала должны быть покрыты потери в обмотке якоря и в стали. Если к валу генератора, синхронизированного с сетью, подведена механическая мощность, то это еще не значит, что эта машина стала отдавать в сеть электрическую мощность - генератор сначала должен покрыть потери в своей обмотке якоря.

Учет всех факторов, включая потери в стали, существенно усложняет и векторные диаграммы, и расчетные формулы. Поэтому в инженерных расчетах обычно пользуются упрощенной теорией синхронной машины, лишь по мере необходимости вводя дополнительные факторы, уточняющие и одновременно усложняющие эту теорию.

Качания синхронных машин

Допустим, что машина работает при некоторой нагрузке и развивает электромагнитный момент M₁ =M_вн1, соответствующий углу Θ₁ (рис. 6.59, а и б). Если резко увеличить внешний момент до величины M_вн2, то нагрузочный угол будет увеличиваться до величины Θ₂, соответствующей новому значению электромагнитного момента M₂ =M_вн2. Однако из-за инерции ротора нагрузочный угол, увеличиваясь, достигает значения Θ₃ > Θ₂, а затем под действием синхронизирующего момента начинает уменьшаться до величины Θ₄ < Θ₂. В результате возникают колебания нагрузочного угла вокруг установившегося значения Θ₂, которые сопровождаются колебаниями частоты вращения ротора, называемые качаниями. Если при качаниях угол Θ превысит критическое значение, то машина выпадет из синхронизма.

Собственные колебания синхронной машины называются свободными колебаниями. Частота собственных колебаний синхронных машин невелика (0,5- 2,0 Гц), что объясняется большим моментом инерции ротора. Период свободных колебаний ротора относительно синхронно вращающегося поля при параллельной работе с сетью:

где J - момент инерции вращающихся частей;

ω - угловая скорость вращения ротора;

р_с=dР_ЭМ/dq - удельная синхронизирующая мощность;

р – число пар полюсов машины.

При качаниях с изменением угла Θ изменяется мощность машины и ток якоря. На наличие колебаний указывают колебания стрелок амперметра и вольтметра, включенных в цепь якоря. Собственные колебания часто наблюдаются у машин, работающих параллельно с сетью, при холостом ходе.

Для уменьшения амплитуды качаний и ускорения их затухания на роторе располагается короткозамкнутая демпферная (успокоительная) обмотка. При качаниях в демпферной обмотке при изменении частоты вращения ротора индуцируется ЭДС, по ней проходит ток и возникает асинхронный демпфирующий момент:

где D=m_a/ω – коэффициент демпфирования; .

Действие демпферной обмотки подобно действию механического демпфера, потери на трение в котором успокаивают колебания механизма (например, сельсина). При отсутствии демпфирования процесс колебания совершается без потерь энергии, свободные колебания становятся незатухающими, а в некоторых случаях могут даже увеличивать свою амплитуду, т. е. происходит самораскачивание синхронной машины. Из-за явления самораскачивания во многих случаях оказывается невозможной параллельная работа с сетью малонагруженных генераторов малой мощности (до10-20 кВт) без демпферной обмотки.

Колебания ротора синхронной машины могут быть вынужденными, если на него действует периодически изменяющийся внешний момент. Они возникают в синхронных генераторах, приводимых во вращение от поршневых машин, и в синхронных двигателях, служащих для привода поршневых компрессоров. Если частота вынужденных колебаний близка к частоте свободных колебаний, то возникают резонансные явления, при которых колебания угла Θ достигает больших значений и машина выпадает из синхронизма. Поэтому для уменьшения неравномерности вращающего момента на валу устанавливают маховик.

Устройство синхронных машин

Синхронной машиной называется двухобмоточная электрическая машина переменного тока, одна из обмоток которой присоединена к электрической сети с постоянной частотой, а вторая — возбуждается постоянным током.

У синхронных машин частота вращения магнитного поля равна (синхронна) частоте вращения ротора ().

Синхронная машина имеет неподвижную часть — статор и подвижную — ротор.

Существует прямое (основное) и обращенное исполнение синхронной машины. Прямое исполнение — обмотка возбуждения расположена на роторе, а рабочая обмотка переменного тока — на статоре. Обращенное исполнение — обмотка возбуждения расположена на статоре, а рабочая обмотка - на роторе.

Обмотка переменного тока называется якорной обмоткой, а часть машины, несущая якорную обмотку, называется якорем; часть машины, несущая обмотку возбуждения,— индуктором.

Обращенное исполнение применяется для машины небольшой мощности (2-5 кВт).

Для более крупных машин применяется основное исполнение. В этом случае с помощью скользящего контакта подводится только мощность возбуждения, составляющая 0,3—2 % мощности машины, а не полная мощность, как в обращенном исполнении.

В дальнейшем будем рассматривать прямое исполнение.

Статор машин прямого исполнения включает в себя корпус, выполненный из чугуна или алюминиевого сплава. В корпус запрессован сердечник, выполненный из пластин электротехнической стали. При наружном диаметре более 1 м сердечник собирается из сегментов. В сердечнике выштампованы пазы. В пазах статора размещается многофазная (обычно трехфазная) 2р-полюсная обмотка. Фазы обмотки соединяются обычно в звезду.

На роторе, вал которого опирается на подшипники, располагается обмотка возбуждения. Она имеет такое же число полюсов, как и обмотка статора. Обмотка возбуждения питается постоянным током через два контактных кольца и щетки от постороннего источника - системы возбуждения.

Области применения синхронных машин

Синхронные машины нашли широкое применение. Преобладающая часть электрической энергии, используемой в народном хозяйстве и в бытовых целях, производится на электростанциях с помощью синхронных трехфазных турбогенераторов и гидрогенераторов.

Синхронные генераторы небольшой мощности с приводом от других типов двигателей (дизельных, внутреннего сгорания, поршневых паровых и др.) используются для питания автономных нагрузок.

Синхронные двигатели применяются в крупных установках (привод поршневых компрессоров, воздуходувок, гидравлических насосов). Большое распространение получили синхронные двигатели малой мощности (особенно синхронные микродвигатели с постоянными магнитами).Синхронные двигатели выпускаются серийно мощностью от 100 кВт до нескольких десятков тысяч киловатт и на частоты вращения от 100 до 3000 об/мин. При частоте вращения 3000 об/мин двигатели выполняются с неявнополюсными роторами, при частотах вращения 1500 об/мин и менее двигатели выполняются с явнополюсными роторами.Освоен серийный выпуск синхронных двигателей малой мощности различных типов в широком диапазоне частот вращения (от нескольких оборотов в минуту до 3000 об/мин) и мощностей (от долей ватта до нескольких сот ватт).Для гидроаккумулирующих электростанций применяются обратимые гидрогенераторы-двигатели. Приводя в движение насос, перекачивающий воду в верхний резервуар, обратимые машины работают в режиме двигателя. Наоборот, приводимые в движение турбиной, в которую поступает вода из верхнего резервуара, эти машины работают в режиме генератора. Мощность обратимых машин может достигать 200—300 МВт.Синхронные компенсаторы выпускаются мощностью от 15 до 160 МВ.А при частотах вращения 750—1000 об/мин. Ротор этих машин имеет явнополюсное исполнение. Охлаждение обычно водородное.

2. Конструкция ротора зависит от частоты вращения машины. При n<1500 об/мин (соответственно 2р>4 при f =50Гц) применяется явнополюсное исполнение (явно выраженные полюсы). При n=≥1500 об/мин (2р≤4) применяется неявнополюсное исполнение (неявно выраженные полюсы).

Рис. 6.3 Конструкция роторов синхронных машин; а – явнополюсная; б – неявнополюсная; обмотки: 1 – возбуждения; 2 — демпферная

Сердечник явнополюсного ротора состоит из полюсов и обода, к которому они крепятся. Полюсы собираются из штампованных листов электротехнической стали толщиной 1—2 мм, которые стягиваются коваными или литыми нажимными щеками. В отдельных случаях применяются массивные литые полюсы. Полюсы крепятся к ободу с помощью болтов (машины малой и средней мощности с массивным ободом), или полюсных хвостов Т-образной или иной формы. На каждом полюсе устанавливается катушка обмотки возбуждения. Обод ротора выполняется массивным (сварным, литым) или шихтованным из штампованных листов электротехнической стали толщиной 1,5—6 мм. Листы стягиваются шпильками. При наружном диаметре до 2— 4 м обод изготовляется из сплошных листов и насаживается непосредственно на вал. При большом диаметре обод собирается из отдельных сегментов, которые крепятся на сварном остове. Для машин, имеющих значительную осевую длину, в ободе имеются каналы для прохождения охлаждающего воздуха к периферийным зонам ротора. Для крепления обмотки возбуждения полюсные наконечники имеют выступы. Для этих же целей используются межполюсные распорки. Для обеспечения более устойчивой работы в переходных режимах на роторе устанавливается демпферная обмотка. Она расположена в наконечниках полюсов и по своей конструкции аналогична короткозамкнутой обмотке ротора в асинхронном двигателе.

Сердечник неявнополюсного ротора изготовляется как единое целое с хвостовиками (концами вала) из одной поковки из углеродистой стали (диаметром до 800 мм) или легированной стали (диаметром свыше 800 мм). Обмотка возбуждения распределяется по нескольким пазам ротора. Для защиты лобовых частей обмотки возбуждения от центробежных сил применяют бандажные кольца, изготовляемые для крупных турбогенераторов из немагнитной стали (или титана). Бандажное кольцо жестко сопрягается с сердечником или хвостовиком. Обмотка в пазах ротора удерживается немагнитными дюралевыми клиньями. Роль демпферной обмотки в неявнополюсных машинах играют массив ротора и проводящие клинья.

Все промышленные синхронные машины выполняются на стандартизованную частоту 50 Гц.

В зависимости от мощности и частоты вращения номинальное напряжение обмотки якоря (статора) синхронных машин выбирается из числа стандартных напряжений: 0,23; 0,4; 3,15; 6,3; 10,5; 13,8; 15,75 кВ (для генераторов) и 0,22; 0,38; 3; 6; 10 кВ (для двигателей).

В крупных турбогенераторах и гидрогенераторах номинальное напряжение обмотки якоря иногда принимают нестандартным — от 18 до 24 кВ. Номинальное напряжение обмотки возбуждения выбирается в пределах от 24 до 400 В.

С ростом мощности и частоты вращения КПД машины увеличивается. При мощности 100—4000 кВА он составляет 0,9—0,95; в гидрогенераторах и турбогенераторах большой мощности он достигает 0,97—0,99.