Тема 3. Синхронные машины.

 

ЛЕКЦИЯ 1. ( Проверен 21.08.10. 0 6.09.1 3 )

 

     1.1. Принцип действия синхронного генератора

Для изучения принципа действия синхронного генератора воспользуемся упрощенной моделью синхронной машины (рис. 1.1).

Неподвижная часть машины, называемая статором, по конструкции полностью аналогична статору асинхронной машины с обмоткой.

Во внутренней полости сердечника статора расположена вращающаяся часть машины — ротор , представляющий собой постоянный магнит или электромагнит 4 с полюсами N и S , закрепленный на валу 3 .

 

 

Рис. 1.1. Упрощенная модель

 синхронного генератора

 

Вал ротора механически связан с приводным двигателем (на рисунке не показан).

В реальном синхронном генераторе в качестве приводного двигателя может быть использован двигатель внутреннего сгорания либо турбина.

Под действием вращающего момента приводного двигателя ротор генератора вращается с частотой п против часовой стрелки.

При этом в обмотке статора в соответствии с явлением электромагнитной индукции наводится ЭДС, направление которой показано на рисунке стрелками. Так как обмотка статора замкнута на нагрузку Z, то в цепи этой обмотки появится ток i1.

В процессе вращения ротора магнитное поле постоянного магнита также вращается с частотой п , а поэтому каждый из проводников обмотки статора попеременно оказывается то в зоне северного (N) магнитного полюса, то в зоне южного (S) магнитного полюса.

При этом каждая смена полюсов сопровождается изменением направления ЭДС в обмотке статора. Таким образом, в обмотке статора синхронного генератора наводится переменная ЭДС, а поэтому ток i1 в этой обмотке и в нагрузке Z также переменный.

 

СМ. 1.2. 10.02.07. 21.08.10.

 

Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе (В)

 

e1 = B _d * 2 * l * v = B _d * 2 * l * p * D_l * n / 60                    (1.1)

где B _d — магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл; l — активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, м; v = p * D_l * n / 60 — скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с; D_l  — внутренний диаметр сердечника статора, м.

Частота ЭДС синхронного генератора f 1 (Гц) прямо пропорциональна частоте вращения ротора п (об/мин), которую принято называть синхронной частотой вращения:

 

    f 1= pτ * n / 60                                              (1.2)

Здесь рτ — число пар полюсов; в рассматриваемом генераторе два полюса, т.е. рτ = 1.

Для получения промышленной частоты ЭДС (50 Гц) ротор такого генератора необходимо вращать с частотой п = 3000 об/мин, тогда

 

f 1 = pτ * n / 60 = 1 * 3000 / 60 = 50 Гц.                        (1.3)

 

Постоянные магниты на роторе применяются лишь в синхронных генераторах весьма малой мощности, в большинстве же синхронных генераторов для получения возбуждающего магнитного поля применяют обмотку возбуждения , располагаемую на роторе.

Эта обмотка подключается к источнику постоянного тока через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, располагаемых на валу и изолированных от вала и друг от друга, и двух неподвижных щеток.

Как уже отмечалось, приводной двигатель (ПД) приводит во вращение ротор синхронного генератора с синхронной частотой п .

При этом магнитное поле ротора также вращается с частотой п и индуцирует в трехфазной обмотке статора переменные ЭДС Е_А, е_в, е_с, которые, будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на У_г периода (120 эл. град), образуют трехфазную симметричную систему ЭДС.

С подключением нагрузки в фазах обмотки статора появляются токи i_a, i_b, I_c - При этом трехфазная обмотка статора создает вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора (об/мин):

 

    n = 60 * f 1 / рτ                                                      (1.4)

 

Таким образом, в синхронном генераторе поле статора и ротор вращаются синхронно, отсюда и название — синхронные машины .

 

 

СМ. 1.3. 05.01.06. 10.02.07.

 

1.2. Типы синхронных машин и их устройство.

Как уже отмечалось, синхронная машина состоит из неподвижной части — статора — и вращающейся части — ротора. Статоры синхронных машин в принципе не отличаются от статоров асинхронных двигателей, т. е. состоят из корпуса, сердечника и обмотки.

Конструктивное исполнение статора синхронной машины может быть различным в зависимости от назначения и габаритов машины.

Так, в многополюсных машинах большой мощности при наружном диаметре сердечника статора более 900 мм пластины сердечника делают из отдельных сегментов, которые при сборе образуют цилиндр сердечника статора.

Корпуса статоров крупногабаритных машин делают разъемными, что необходимо для удобства транспортировки и монтажа этих машин.

Роторы синхронных машин могут иметь две принципиально различающиеся конструкции: явнополюсную и неявнополюсную.

В энергетических установках по производству электроэнергии переменного тока в качестве первичных (приводных) двигателей синхронных генераторов применяют в основном три вида двигателей: паровые турбины, гидравлические турбины либо двигатели внутреннего сгорания (дизели).

Применение любого из перечисленных двигателей принципиально влияет на конструкцию синхронного генератора.

Если приводным двигателем является гидравлическая турбина , то синхронный генератор называют гидрогенератором.

Гидравлическая турбина обычно развивает небольшую частоту вращения (60—500 об/мин), поэтому для получения переменного тока промышленной частоты (50 Гц) в гидрогенераторе применяют ротор с большим числом полюсов.

Роторы гидрогенераторов имеют явнополюсную конструкцию , т. е. с явно выраженными полюсами, при которой каждый полюс выполняют в виде отдельного узла, состоящего из сердечника 1, полюсного наконечника 2 и полюсной катушки 3 (рис. 1.2, а).

Все полюсы ротора закреплены на ободе 4 , являющемся также и ярмом магнитной системы машины, в котором замыкаются потоки полюсов.

 Гидрогенераторы Обычно изготовляются с вертикальным расположением вала.

Рис. 1.2. Конструкция роторов синхронных машин:

а — ротор с явно выраженными полюсами; б — ротор с неявно выраженными полюсами

 

СМ. 1.4. 05.01.06. 10.02.07.

  Паровая турбина работает при большой частоте вращения, поэтому приводимый ею во вращение генератор, называемый турбогенератором, является быстроходной синхронной машиной. Роторы этих генераторов выполняют либо двухполюсными (n = 3000 об/мин), либо четырех полюсными ( п = 1500 об/мин).

В процессе работы турбогенератора на его ротор действуют значительные центробежные силы. Поэтому по условиям механической прочности в турбогенераторах применяют неявною люсный ротор, имеющий вид удлиненного стального цилиндра с профрезерованными на поверхности продольными пазами для обмотки, возбуждения ( рис. 1.2, б).

Сердечник неявнополюсного ротора изготовляют в виде цельной стальной поковки вместе с концами вала или же делают сборным.

Обмотка возбуждения неявнополюсного ротора занимает лишь 2/3 его поверхности (по периметру). Оставшаяся 1/3 поверхности образует полюсы.

Для защиты лобовых частей обмотки ротора от разрушения действием центробежных сил ротор с двух сторон прикрывают стальными бандажными кольцами (каппами), изготовляемыми обычно из немагнитной стали.

Турбогенераторы и дизель генераторы изготовляют с горизонтальным расположением вала.

Дизель генераторы рассчитывают на частоту вращения 600—1500 об/мин и выполняют с явнополюсным ротором.

Большую группу синхронных машин составляют синхронные двигатели , которые обычно изготовляются мощностью до нескольких тысяч киловатт и предназначены для привода мощных вентиляторов, мельниц, насосов и других устройств, не требующих регулирования частоты вращения, например двигатели СДН2. 

Двигатели этой.серии изготовляются мощностью от 315 до 4000 кВт при частотах вращения от 300 до 1000 об/мин и предназначены для включения в сеть частотой 50 Гц при напряжении 6 кВ.

 

СМ. 1.5. 19.07.09             21.08.10.

Магнитное поле СМ.

Магнитные системы явнополюсной машины приведены на рис.1.3, а неявнополюсной на рис.1.4.

 

В режиме холостого хода синхронной машины, т.е. при отсутствии тока в обмотке статора основной магнитный поток синхронной машины замыкаясь в магнитной системе машины, проходит ряд участков сцепляется с обмоткой статора и наводит в ней ЭДС.

Среди магнитный участков цепи можно выделить

1 - воздушный зазор, dа, - Fd = Фd * Rmd =Вd * St * d * Kd/m;

2 - зубцы статора, Z1,      - Fz1;

3 - зубцы ротора, Z2,       - Fz2;

4 - полюс ротора, h2,       - Fh2;

5 - обод ротора, lоб,         - Fоб;

6 - спинку статора,           - Fcп1.

Где: F d = Ф d * Rm d = Вd * St * d * Kd/(m0* St) = В d * d * K d/ m0; (1.5)

                                [ Ф d]      [ Rm d]

Fj = Ф j * Rmj = Вj * St * lj * /(mj* St) = В j * lj / m j;                               (1.6)

                       [ Ф j]       [ Rmj]

 

Сумма магнитных напряжений на всех перечисленных участках магнитной цепи определяет МДС обмотки ротора на пару полюсов в режиме холостого хода.

 

Ff = 2 * F d + 2 * Fz1 + 2 * Fz2 + 2 * Fh2 + Fcп1 + Fоб                  (1.7)

 

Ff = If * wf / (2 * рτ )                                                                        (1.8)

При расчете магнитного напряжения необходимо учитывать, что кроме основного потока в машине Ф существуют потоки рассеяния обмотки статора Фс1 и обмотки ротора Фс2.

 

 

СМ. 1.6. 20.02.2005.    05.01.06. 24.08.10.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: