l35 (Лекции)

14.2.Синхронные генераторыСинхронные генераторы (СГ) предназначены для преобразования механическойэнергии паровой, газовой или гидравлической турбины в электрическую. В основе работысинхронных генераторов лежит явление электромагнитной индукции. Часть машины,которая создает магнитное поле, называют индуктором, а ту часть, где располагаетсяобмотка, в которой индуктируется ЭДС, называют якорем. Обычно якорем называютнеподвижную часть электрической машины (статор).

Статор синхронного генераторасостоит из сердечника (магнитопровода), набранного их листов электротехническойстали, в пазах которого укладывается обмотка. Обмотки статора подсоединены к внешнейтрехфазной системе. Подвижная часть машины - ротор. На роторе расположены обмоткавозбуждения, подсоединенная к цепи возбуждения, и демпферные обмотки, замкнутыенакоротко. Синхронные машины по конструкции делятся на два типа: явнополюсные ссосредоточенной обмоткой ротора (рис. 14.5) и неявнополюсные с обмоткой,распределенной по пазам (рис. 14.6). Ротор приводится во вращение источникоммеханической энергии: вращаемые паро- и газотурбинами называют турбогенераторами,а вращаемые гидравлическими турбинами - гидрогенераторами.

У синхронной машинычастота вращения подвижной части ротора постоянна и определяется при заданнойf60  fчастоте f переменного тока числом пар полюсов ротора p: n [об/с] или n pp[об/мин]. Большинство турбогенераторов имеет число пар полюсов, равное единице, и дляf =50 Гц частота вращения n =3000 об/мин. Для генератора с большим числом полюсовчастота вращения 1500, 1000, 750, 600 об/мин.Рис.

14.5. Внешний вид явнополюсного ротора: 1 - остов ротора; 2 - обод ротора; 3 вал; 4 - контактные кольца; 5 - катушка обмотки возбуждения; 6 - сегмент демпфернойобмотки; 7 - стержень демпферной обмотки; 8 - пакет сердечника полюса; 9 вентиляционный канал.Рис.

14.6. Внешний вид неявнополюсного ротора: 1- контактные кольца; 2- бандажноекольцо; 3 - массивный магнитопровод ротора; 4 - немагнитный клин паза ротора; 5 вентилятор; 6 - хвостовик ротора.К ободу ротора прикрепляются полюсы, на которые надеваются катушки обмоткивозбуждения.Концы обмотки возбуждения присоединяются к двум кольцам,укрепленным на валу ротора. На кольца накладываются щетки, к которым присоединяетсяисточник постоянного напряжения (возбудитель).

Мощность возбудителя 0,25-2% отноминальной мощности синхронного генератора. Система возбуждения в значительнойстепени определяет надежность работы синхронного генератора. В зависимости отисточника энергии, используемого для питания обмотки возбуждения, системывозбуждения разделяются на три группы:1) электромашинное возбуждение с использованием генератора постоянноготока;2) электромашинное возбуждение с использованием генератора переменного токас преобразованием в постоянный;3) самовозбуждение путем преобразования части электрической энергиипеременного тока генератора в энергию постоянного тока возбуждения.Взаимодействие магнитных полей статора и ротора создает электромагнитныймомент, направленный в генераторном режиме электрической машины навстречумеханическому моменту паровой, газовой или гидравлической турбины. Угловоеускорение синхронной машины пропорционально сумме моментов, действующих нароторы турбины и генератора:d 2J 2  MТ  MЭ ,dtгде J - момент инерции роторов турбины и генератора;  - угол поворота ротора; МТ вращающийся момент турбины; МЭ - тормозной электромагнитный момент генератора.

Вслучае равенства этих двух моментов ротор генератора будет вращаться с постояннойугловой скоростью, обеспечивая индуктирование ЭДС обмотки статора стабильнойчастоты. Это нормальный синхронный режим работы генератора, когда частота вращения(угловая скорость) ротора определяется частотой напряжения сети. При аварийномотключении генератора от нагрузки токи статора и электромагнитный момент становятсяравными нулю, а из-за сохраняющегося вращающегося механического момента роторначинает разгоняться сверх номинальной скорости. Предельно возможную частотувращения при аварийном отключении называют угонной частотой вращения или угоннойугловой скоростью. Механическая прочность ротора генератора должна быть рассчитана сучетом угонной скорости.

При коротких замыканиях, качаниях, асинхронных режимах ,после отключения генератора необходимо быстро уменьшить магнитное поле обмоткивозбуждения генератора, эта операция (гашение поля) осуществляется специальнымаппаратом гашения поля (АГП). При этом время гашения поля должно быть возможноменьшим, а возникающие при гашении индуктированное перенапряжение в обмоткеротора не должно превышать допустимых значений.Вращение ротора с размещенной на нем обмоткой возбуждения, создающейпеременное магнитное поле, приводит к возникновению (индуктированию) ЭДС впроводниках обмотки статора. При присоединении генератора к нагрузке, т.е. кпотребителю электрической энергии или к электрической сети, ЭДС обмотки статорасоздают электрический ток.

Обмотка статора - трехфазная, поэтому возникающие токи трехфазные. Эти токи создают вращающееся магнитное поле. Магнитное поле обмоткистатора вращается с той же частотой вращения, что и ротор. В синхронном генераторемагнитное поле ротора и магнитное поле статора оказываются взаимно неподвижными,вращающимися синхронно. Трехфазные обмотки маркируются буквами А, В, С (началаобмоток) и X, Y, Z (концы обмоток). Все шесть концов обмоток генератора обычновыводятся на его щиток. Соединяя три конца обмоток в одну общую точку и выводя триначала обмоток во внешнюю сеть, получают соединение фазных обмоток "звезда".Соединяя конец первой обмотки с началом второй, конец второй с началом третьей, конецтретьей с началом первой и сделав от точек соединения отводы во внешнюю сеть,получают соединение "треугольник" (рис.

14.7).Рис. 14.7. Соединение фазных обмоток генератораВсе электрические машины обладают свойством обратимости. Любой генераторможет работать как двигатель, т.е. преобразовывать электрическую энергию вмеханическую. У трехфазного синхронного двигателя (СД) обмотки статора подключенык системе трехфазных переменных токов, а обмотка ротора к источнику постоянногонапряжения. Токи статора создают вращающееся магнитное поле, угловая скоростьвращения определяется частотой переменного тока и числом полюсов статора. Так какротор обладает значительной массой и большой инерцией, то после включения статораротор не будет вращаться. Для пуска синхронного двигателя применяют специальноеустройство.

Отличие СД от СГ состоит в том, что электромагнитный момент МЭ,который был тормозящим у генератора, теперь является движущим, определяющимнаправление вращения ротора. Функцию тормозящего момента выполняет механическаянагрузка (подъем груза, вентиляция, привод насосов и т.д.).Синхронный двигатель может быть также использован как синхронный компенсатор.При малых токах возбуждения ротора ток в обмотке статора имеет реактивный характер(индуктивный с отстающим cos  ), увеличивая ток возбуждения ротора, можно добитьсятого, что ток в обмотке статора будет иметь cos   1 .

При дальнейшем увеличении токавозбуждения ротора СД, продолжая нести механическую нагрузку, будет работать сопережающим cos  , т.е. токи статора будут емкостными. В этом случае двигатель будетподобен емкостной нагрузке (конденсатору) и может быть использован в качествекомпенсирующего устройства. Кроме синхронных компенсаторов для компенсацииреактивной мощности используют конденсаторные батареи, реакторы и ряд другихустройств, называемых источниками реактивной мощности (ИРМ).Математическая модель электрической машины состоит из дифференциальныхуравнений движения ротора, дифференциальных уравнений для токов в замкнутыхконтурах ротора, уравнений связи между напряжениями и токами, уравнениями длястатора и дополняется математическими моделями систем возбуждения. В точныхрасчетах это очень сложная система нелинейных дифференциальных уравнений, однако внекоторых инженерных расчетах (например, в расчетах токов короткого замыкания)машиназамещается постоянными ЭДС и индуктивностью, при расчетахкратковременных перенапряжений - ЭДС, индуктивностью и емкостью или толькоемкостью обмоток.

При этом основным допущением является фазная симметрияэлементов электрических машин. В некоторых случаях допускается линейностьпараметров, что позволяет значительно облегчить расчет. При этом модели и параметры,используемые в схемах замещения и рассчитанные для установившегося режима (длячастот, близких к номинальным) не подходят для описания переходных процессов,вызванных переключениями или аварийными режимами.Синхронный генератор имеет трехфазную симметричную обмотку статора и обмоткувозбуждения, расположенную на роторе. Обмотки обладают собственными и взаимнымииндуктивностями (между катушками и между фазами), а также емкостями(межкатушечными, междуфазными и к сердечнику статора или ротора), сопротивлениямипроводов обмоток и имеют утечки изоляции (к сердечнику статора и междуфазные).Индуктивности и сопротивления зависят от частоты, сердечник изготовлен изферромагнитного материала (наличие гистерезисных явлений).

Для расчета статическихиндуктивностей используют приближенные формулы (см. табл. 14.2). Собственные ивзаимные индуктивности явнополюсной электрической машины являются достаточносложными периодическими функциями угла положения ротора, для исследования беретсяразложение в тригонометрический ряд. Так при учете одного члена ряда для статическихиндуктивностей используют приближенные формулы (см. табл. 14.2). Взаимнаяиндуктивность отрицательна, что вытекает из сопоставления направлений потоков в обеихобмотках и осей этих обмоток.Таблица 14.2. Приближенные формулы для определения статическихиндуктивностей системНазваниеКонструкция игеометрические параметрыИндуктивность системыПоле однородно:Dl 2w ;4LM0   03ОбмоткитрехфазнойнеявнополюснойэлектрическоймашиныL0  0Поле синусоидально:LL8L ; M 2 02Собственные индуктивностиотдельных фаз:ОбмоткитрехфазнойявнополюснойэлектрическоймашиныLA  L0  L2 cos2LB  L0  L2 cos(2  2 / 3)LC  L0  L2 cos(2  2 / 3)Взаимные индуктивности цепейстатораM AB   L0 / 2  L2 cos(2  2 / 3) - угол положения ротораM BC   L0 / 2  L2 cos2M CA   L0 / 2  L2 cos(2  2 / 3)M BA  M AB ; M CB  M BC ;M AC  M CAВывод математической модели генератора в установившемся режиме проводят сиспользованием комплексного или операторного метода.

В первом случаесинусоидальные токи, напряжения и ЭДС заменяют векторными (комплексными)величинами. Во втором случае применяется преобразование Лапласа или ЛапласаКарсона. При использовании комплексного или операторного метода дифференциальныеуравнения для токов и напряжений заменяются линейными уравнениями длякомплексных токов и напряжений или операторных изображений токов и напряжений, чтосущественно упрощает расчет. Вводится понятие комплексных и операторныхсопротивлений: синхронные индуктивности (реактивности)X  L при заданнойугловой скорости   ном ; операторные сопротивления X ( p) .Работа синхронной машины в различных режимах определяется ее характеристиками:1) характеристика холостого хода1 синхронного генератора (зависимостьиндуктированной в статоре ЭДС от тока возбуждения при разомкнутойвнешней цепи при вращении с синхронной скоростью, соответствующейноминальной частоте генератора E0  f ( I в ) )2) характеристики короткого замыкания (зависимость токов обмотки статора оттоков обмотки возбуждения при коротком замыкании обмоток статора)3) характеристики генератора при активной, индуктивной и емкостной нагрузки(нагрузочные или внешние характеристики)4) регулировочные характеристики (зависимость тока возбуждения от токанагрузки для различных нагрузок при неизменном напряжении генератора иугловой скорости вращения)При построении наиболее простой схемы замещения СГ в установившемся режимепринимают, что параметры не зависят от частоты, пренебрегают емкостью и утечкой визоляции.