Курс лекций по дисциплине мдк 01. 01Электрические машины и аппараты Часть 1 Поурочное планирование Тема Общая теория электрических машин Занятие 1 Общие сведения об электрических машинах и трансформаторах
 Скачать 6.3 Mb.
|
|
Тема 8. Синхронные машины Занятие 44. Основные элементы конструкции синхронных машин 44.1. Принцип действия синхронной машины На рис. 44.1 изображена схема четырех полюсной синхронной машины. На сердечнике статора 1 помещена обмотка якоря 3. Если ротор с полюсами 2 привести во вращение первичным двигателем, а к обмотке возбуждения 4 подвести постоянный ток через контактные кольца 5, то возникает магнитное поле, вращающееся с частотой вращения ротора.  Рис.44.1. Электромагнитная схема четырехполюсной синхронной машины. На рисунке: сердечник статора ротор с полюсами обмотка якоря обмотка возбуждения контактные кольца Линии магнитного поля будут пересекать проводники обмотки якоря, индуктируя в ней переменную э. д. с. Полный цикл" изменения э. д. с. происходит за время, в течение которого ротор повернется на угол, соответствующий паре соседних полюсов. В четырех полюсной машине один оборот ротора соответствует двум периодам, в машине, имеющей р пар полюсов, один оборот ротора соответствует р периодам, а частота э. д. с.  (Гц),где п — частота вращения ротора. (об/мин) Если обмотку статора включить в трехфазную сеть, то в ней возникнут токи, создающие магнитное поле, вращающееся с неизменной синхронной частотой п при постоянной частоте тока f . Обмотка возбуждения в свою очередь создает поле полюсов, которое, вращаясь вместе с ротором с синхронной частотой п, будет неподвижно относительно поля статора. Машина переменного тока, частота вращения ротора которой находится в строгой зависимости от частоты тока сети и равна частоте вращения магнитного поля, участвующего в процессе преобразования энергии, называется синхронной. Наиболее распространенная форма конструкции синхронной машины — расположение обмотки якоря на статоре, а обмотки возбуждения—на роторе. В этом случае для включения обмотки якоря в сеть переменного тока требуется три или четыре неподвижных контакта, что особенно важно при больших мощностях и высоких напряжениях. Включение обмотки возбуждения в сеть постоянного тока через два контактных кольца и щетки не вызывает затруднений, так как напряжение не превышает 300—400 В, а мощность, потребляемая ею, составляет всего 0,2—2,5% номинальной мощности машины. Наиболее широкое применение получили синхронные машины в качестве генераторов переменного тока, которые установлены на всех стационарных и передвижных электрических станциях. 44.2. Основные элементы конструкции синхронных машин  Рис.44.2 Синхронный генератор малой мощности. На рисунке: 1 - выводы обмотки статора 2 - подшипник 3 – контактные кольца 4 – щеткодержатели 5 – подшипниковые щиты 6 – сердечник статора 7 – полюсные наконечники. 8 – станина 9 – пазы сердечника статора 10 – полюса 11 – обмотка возбуждения 12 – вал Генераторы малой мощности (мощностью до 1000 кВ-А), сочлененные с двигателем внутреннего сгорания, находят широкое применение в передвижных или малых стационарных электростанциях. Обычно эти генераторы выполняют явнополюсными (рис. 44.2.). Генераторы выполняются горизонтальными на двух щитовых подшипниках. Возбудитель может быть прикреплен к фланцу на торце щита и иметь общий вал с генератором или установлен на общей фундаментной плите и соединен с машиной эластичной муфтой. Станина 8 и щиты генераторов 5 — литые чугунные, некоторые генераторы имеют станину сварную неразъемную из листовой стали. Сердечник статора 6 набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, которые запрессовывают в расточку станины и закрепляют в ней стопорной шпилькой или нажимными кольцами. Пазы сердечника статора 9 полузакрытые или открытые, в которых помещают обмотку статора (катушечную, двухслойную с укороченным шагом). Ротор генератора состоит из цельнокованого вала 12,остова и полюсов 10.Катушки обмотки возбуждения удерживаются на полюсах полюсными наконечниками 7. Контактные кольца 3угенераторов мощностью до 75 кВ-А из меди насажены на изолированную миканитом стальную втулку и расположены внутри подшипникового щита со стороны возбудителя. Для генераторов мощностью свыше 75 кВ-А контактные кольца (стальные) крепятся болтами через пластмассовые втулки к фланцу, насаженному на торец вала. На контактных кольцах расположены щетки, закрепленные в щеткодержателях 4. Обмотка статора соединяется с внешней сетью выводами1 Генераторы рассчитаны на продолжительный режим работы при температуре окружающей среды —40…1-40° С и относительной влажности до 95%. Синхронные двигатели предназначены для привода механизмов, не требующих регулирования частоты вращения (вентиляторов, насосов, мельниц и т. д.). Они в подавляющем числе случаев имеют горизонтальное расположение вала и явнополюсный ротор. Занятие 45 . Характеристики и параметры трехфазного синхронного генератора При исследовании синхронных машин пользуются их характеристиками, т. е. кривыми, определяющими зависимости между величинами, характеризующими рабочие свойства машины. Характеристики синхронного генератора, снимаемые при постоянной частоте вращения ( n = n ном=const), соответствующей номинальной f, дают возможность определить опытным путем параметры и судить о важнейших свойствах машины. Характеристики могут быть сняты опытным путем или построены графически/ 45.1. Характеристики холостого хода Характеристика холостого хода (х. х. х.) является основной характеристикой, так как дает возможность выявить важные свойства машины (ее используют для построения других характеристик).  Рис.45.1. Характеристика холостого хода синхронного генератора На рис.45.1. изображена характеристика х.х. при изменении тока возбуждения Iв от нуля до максимально возможного значения и от максимально возможного значения до нуля. Характеристика представляет собой две ветви ( восходящую и нисходящую). Расхождение ветвей обусловлено гистерезисом. При расчетах принимают среднее значение обозначенное пунктиром. На характеристике имеется точка С, которая обозначает нелинейный участок характеристики. В этой области с увеличением тока возбуждения, магнитный поток растет незначительно, а затеем рост его вообще прекращается. Эта область характеристики холостого хода синхронного генератора называется областью насыщения. 45.2. Внешняя характеристика. Представляет собой зависимость U=f(I)при ( n = n ном=const), IB=const и cos φ = const.  Рис.45.2. Внешняя характеристика синхронного генератора в относительных единицах Внешняя характеристика имеет большое практическое значение - по ней можно судить о том, как изменяется напряжение на зажимах генератора при изменении его нагрузки и отсутствии регулирования напряжения (в естественных условиях работы машины). По этой характеристике процентное изменение напряжения при данном cos φ:  Где: U0 – напряжение холостого хода Занятие 46 . Потери и к. п. д. синхронного генератора 46.1. Классификация потерь в синхронных машинах Синхронная машина имеет ряд потерь. Общие механические потери, которые складываются из: потерь на трение в подшипниках, потерь на трение щеток о коллектор или контактные кольца, потерь на трение вращающихся частей о воздух вентиляционных потерь. 2. Основные магнитные потери в стали на гистерезис и вихревые токи в ярме и зубцах статора, а также в поверхностном слое полюсных наконечников определяются аналогично потерям в стали в машинах постоянного тока 3. Основные электрические потери (кВт) в обмотке якоря, пропорциональные квадрату тока фазы якоря  где т— число фаз; r— сопротивление фазы обмотки 4. Основные электрические потери (кВт) в обмотке возбуждения и в регулирующей аппаратуре включают в себя потери в возбудителе , если они находятся на одном валу с синхронной машиной. При отсутствии возбудителя    при наличии возбудителя  Для возбудителя малой мощности ηв=0,7…0,8. 5. Добавочные потери Рдобобусловлены вихревыми токами, индуктированными потоками рассеяния, потерями, связанными с зубчатостью статора и ротора в неявпополюсных машинах. Добавочные потери в синхронных машинах до 100 кВ-А учитываются в размере 0,5% от номинальной мощности . Коэффициент полезного действия синхронной машины для генераторов  Коэффициент полезного действия синхронной машины для двигателей:  Занятие 47. Параллельная работа синхронных генераторов 47.1. Общие положения. На современных электрических станциях устанавливают несколько синхронных генераторов, предназначенных для параллельной работы. При переменном графике нагрузки целесообразно включать на параллельную работу или отключать отдельные машины с таким расчетом, чтобы каждая из них работала с номинальной или близкой к ней нагрузкой, при которой к. п. д. и другие показатели генераторов и первичных двигателей имеют наибольшую величину. Параллельная работа генераторов и объединение электростанции для параллельной работы увеличивают надежность и бесперебойность электроснабжения потребителей и позволяет иметь меньшую резервную мощность. Для правильного подключения синхронною генератора к сети необходимо выполнить ряд условий, чтобы не была нарушена нормальная работа сети н потребителей. 47.2. Включение на параллельную работу Включение на параллельную работу может быть осуществлено двумя способами: способом точной синхронизации способом самосинхронизации 47.2.1.Способ точной синхронизации. Такое название получил способ, при котором к сети подключают предварительно возбужденную машину при условии, что эдс генератора равна напряжению сети. При невыполненных условиях включения генератора в сети с другими генераторами в контуре, состоящем из параллельно работающих генераторов и подключаемого генератора, появится ток, вызванный суммарной величиной эдс включаемого генератора и напряжения сети . В этом случае ток включения может достигнуть опасной величины и вызвать аварию. Во избежание возникновения большого тока при подключении машины необходимо выполнить следующие условия: эдс включаемого генератора и напряжение в сети должныбыть равны по величине и противоположны по знаку, частота включаемого генератора и частота сети должны быть равны по величине порядок следования фаз генератора и сети должен бить одинаковым. Это достигается изменением тока возбуждения генератора и регулированием частоты его вращения. Определяют момент включения рубильника (момент синхронизации) при помощи лампового синхроноскопа.  Рис.47.1. Схема включения однофазного генератора в сеть при помощи ламп по способу потухания На рис. 47.1 показана схема включения однофазного генератора, которую называют включением на потухание.  Рис. 47.2. Биение напряжений: а — изменение напряжения сети и генератора; б — кривая результирующего напряжения - На рис. 47.2, а показано изменение напряжения сети (кривая uc=f(t))и .изменение э. д. с. генератора (кривая uГ=f(t)) Сложив ординаты обеих кривых, получим кривую uc+ uГ =f(t) (рис. 47.2,6) изменения напряжения на лампах. Напряжение сети и э. д.с генератора з результате неравенства частот то уравновешивают друг друга, то складываются, т. е. происходит биение напряжений. Здесь промежуток времени от α до β соответствует потуханию ламп, а промежуток времени от β до α — горению ламп. Регулируя частоту вращения подключаемого генератора, добиваются, чтобы этот промежуток времени был достаточно велик и включают в середине темного промежутка. Для более точного определения момента замыкания рубильника параллельно одной из ламп подключают нулевой вольтметр, прохождение стрелки которого через нуль будет показывать момент, когда нужно замкнуть рубильник. Для включения на параллельную работу трехфазного генератора кроме указанных выше условий необходимо еще иметь соответствие порядков чередования фаз подключаемого генератора и сети. На рис. 47.3 изображена схема включения трехфазного генератора на потухание ламп. Лампы будут одновременно гаснуть и загораться, если порядки чередования фаз сети и генератора совпадают. Подключение к сети осуществляется так же, как и однофазного генератора.  Рис.47.3. Схема включения трехфазного генератора в сеть при помощи ламп по способу потухания. Таким образом для подключения синхронного генератора к сети методом точной синхронизации необходимо: привести генератор во вращение с частотой, близкой к синхронной; возбудить генератор и установить напряжение, близкое к напряжению сети; проверить порядок следования фаз и собрать схему лампового синхроноскопа на потухание света; регулируя частоту вращения и возбуждение подключаемого генератора, получить достаточно медленные загорания и потухания ламп. После выполнения этих условий в нужный момент включают рубильник; если при этом появляются значительные колебания, машину надо немедленно отключить и тщательно проверить правильность условий включения. Несоблюдение условий, требуемых точной синхронизации включения, может привести к тяжелым последствиям. Поэтому для осуществления точной синхронизации с помощью ручных устройств необходим высококвалифицированный персонал. Длительность включения в обычных условиях 2-3 мин, а в аварийных условиях при резких и длительных колебаниях частоты и напряжения сети это время доходит до 20 мин. Недостатки способа точной синхронизации особенно выявились при решении вопросов, связанных с работой автоматизированных электростанций и установок, где необходимо обеспечить надежное и быстрое включение синхронных машин на параллельную работу. 47.2.2. Способ самосинхронизации. Сущность его заключается в том, что генератор, приведенный во вращение с частотой, близкой к синхронной, подключают к сети невозбужденным, и только после этого дают полное возбуждение и генератор сам втягивается в синхронизм под действием синхронизирующего момента. Основные преимущества этого метода следующие: он прост и не требует дополнительной аппаратуры; время включения значительно меньше, чем при точной синхронизации; наибольший бросок тока меньше наибольшего броска тока при включении в неблагоприятный момент по методу точной синхронизации. При включении генератора по методу самосинхронизации результирующая э. д. с. равна напряжению сети и в этом случае бросок тока не может превзойти величины ударною тока, на который рассчитана машина. Таким образом, для подключения синхронного генератора к сети методом самосинхронизации необходимо: привести генератор во вращение с частотой, близкой к синхронной: скольжение для больших машин S<(2…3)%, для малых S<(5…6)%, проверить правильность чередования фаз; определить положение реостатов и автоматических устройств, установленных в цепи возбуждения для регулирования напряжения, в которое они должны быть установлены сразу после подключения генератора к сети. После подключения обмотки якоря к сети подключить цепь возбуждения и произвести ее настройку. Подключение по методу самосинхронизации может осуществляться как ручным способом, так и при помощи автоматических устройств. |