Синхронні генератори. Найпростіша модель синхронного генератора відрізняється від розглянутої раніше моделі генератора постійного струму тим, що замість колектора є два кільця, на які накладені нерухомі щітки, що з'єднують рамку з зовнішнім колом (рис.5.30)
Рис.5.30 - Конструкція синхронного генератору.
В основі роботи синхронних генераторів лежить закон електромагнітної індукції. Якщо заставити рамку обертатися, то за умови, що магнітна індукція по окружності якоря розподіляється синусоїдально, від такої рамки в зовнішнє коло піде однофазний синусоїдальний струм.
Однофазні генератори не знайшли широкого застосування, тоді як трифазні генератори застосовуються на електростанціях і виробляють трифазний струм частотою 50 Гц.
Швидкість обертання ротора:
. (5.64)
Тоді при f=50 Гц і р=1,2,3,…, швидкість обертання ротора синхронних генераторів дорівнюватиме n=3000,1500,1000,…об/хв.
Відрізняють два типи синхронних генераторів:
- з нерухомими електромагнітами і обертовою обмоткою (ротором);
- з обертовими електромагнітами (ротором) і нерухомим якорем (статором).
Основні конструктивні частини синхронних машин (генераторів).
1. Статор - станина з вмонтованим осердям і обмотками. До ізоляції обмоток проводу пред'являють особливі вимоги, тому що робоча напруга досягає 22 кВ.
2. Ротор. Буває явнополюсний і неявнополюсний.
Котушки роторів живляться постійним струмом від спеціальних генераторів постійного струму - збудників, якір яких розміщується на одному валу з ротором. Потужність збудника звичайно становить 1-3% потужності генератора.
Конструкція явнополюсного ротора приведена на рис.5.31.
Рис.5.31 - Конструкція явнополюсного ротора.
Явнополюсний ротор складається зі сталевого ободу (О), осердя полюсів (F), котушок збудження (U), кілець (K), якоря збудника (B).
Зовнішній вид синхронного явнополюсного генератора зі збудником (встановлені на ГЕС) наведений на рис.5.32.
Рис.5.32 - Синхронний явнополюсний генератор зі збудником.
Конструкція неявнополюсного ротора приведена на рис.5.33.
Рис.5.33 - Конструкція неявнополюсного ротора.
Неявнополюсний ротор складається з осердя полюсів (F), кілець (K), котушок збудження (U). 1-ізоляція, 2-провідники обмотки збудження, 3-клин.
Вид синхронного неявнополюсного генератора зі збудником (встановлені на ТЕС) наданий на рис.5.34.
Рис.5.34 - Синхронний неявнополюсний генератор зі збудником.
Охолодження генераторів буває вакуумне, рідинне і водневе. Останнє застосовується для машин великої потужності (більше 25 МВт). Водень легше повітря в 14,3 рази, його теплоємність у 14 разів більше, теплопровідність у 7 разів більше і коефіцієнт тепловіддачі з поверхні в 1,35 рази більше. Перший генератор із водневим охолодженням був побудований у 1943 році.
Властивості синхронних генераторів описуються його характеристиками, що знімаються за постійної швидкості обертання.
1. Характеристика холостого ходу. Залежність ЕРС від струму збудження U=f(IЗБ), Iн=0 (IЗБ - струм збудження, А; Iн - струм навантаження, А.). Зразкова характеристика приведена на рис.5.35.
|
|
Рис.5.35 - Характеристика холостого ходу синхронного генератора.
За характеристикою холостого ходу можна зробити висновок про ступінь насичення сталі магнітопроводу машини.
2. Зовнішні характеристики.
Зразкова характеристика приведена на рис.5.36.
Рис.5.36 Зовнішні характеристики синхронного генератора.
Зовнішні характеристики можуть зніматися за незмінного струму збудження (за холостого ходу Е0=Uном) або за номінального струму збудження, коли номінальному навантаженню відповідає номінальна напруга.
3. Регулювальна характеристика. IЗБ=f(I) при U=const, n= const, cosφ =const. Показує, як в умовах експлуатації можна підтримувати на затискачах генератора постійну (незмінну) напругу. При активно-індуктивному навантаженні струм збудження варто збільшувати, а при ємнісному зменшувати.
Синхронні двигуни. Синхронна машина має властивість зворотності, тобто може працювати як у режимі генератора, так і в режимі двигуна, а це значить, що конструкції трифазного синхронного генератора і трифазного синхронного двигуна однакові.
|
Рис.5.37- До пояснення принципу дії синхронного двигуна, а) без навантаження, б) під навантаженням. |
З моделі синхронного двигуна видно (рис.5.37), що якщо його статор споживає трифазний струм, то ним створюється обертове магнітне поле.
Якщо при збудженому нерухомому роторі ми замкнемо рубильник статора на мережу трифазного струму, то на кожний з полюсів ротора (вони мають велику інерційність) буде діяти обертове поле статора, сила якого спрямована то в одну, то в іншу сторону (у залежності від напівперіоду). У зв'язку з цим результуючий за період обертаючий момент буде дорівнювати нулю. Отже, ротор синхронного двигуна не може почати обертатися самостійно, що є істотнім недоліком.
Якщо привести ротор синхронного двигуна в обертання і розігнати до швидкості, рівної номінальній, а потім увімкнути рубильник статора на мережу трифазного струму (за відповідного розташування полюсів), то різнойменні полюси ротора і статора будуть притягатися один до іншого, у результаті чого ротор почне обертатися із синхронною швидкістю.
При збільшенні навантаження на валу ротор дещо загальмується, проте швидкість обертання його залишиться незмінною - синхронною.
Синхронні двигуни з успіхом заміняють асинхронні електродвигуни великих потужностей. Вони застосовуються для приводу потужних насосів і повітродувок, де необхідна постійна швидкість обертання.
Синхронні двигуни, що працюють без навантаження і мають полегшену механічну характеристику, використовуються як синхронні компенсатори і служать для підвищення cos j та поліпшення ККД електростанцій.
При роботі синхронних двигунів швидкість обертання вала постійна, а зміна струму збудження приводить лише до зміни струму, споживаного статором двигуна з мережі (на відміну від двигунів постійного струму, де швидкість обертання змінюється). Пояснімо.
Активна потужність трифазного синхронного двигуна:
.
При 
і 
зміна струму Iл може відбутися тільки за зміни . Таким чином, за зміни струму збудження синхронного двигуна змінюється його коефіцієнт потужності.
Основною характеристикою синхронного двигуна є U-подібна крива, що зв'язує три параметри: струм збудження - I зб, струм статора – I і коефіцієнт потужності двигуна - cos φ.
Рис.5.38 - U-подібна характеристика синхронного двигуна.
З рисунку 5.38 видно, що за деякого струму збудження (номінальне збудження) струм у статорі двигуна найменший, що відповідає коефіцієнту потужності двигуна, рівному одиниці. При зменшенні струму збудження проти номінального (недозбудження) струм у статорі збільшується, тобто коефіцієнт потужності зменшується (індуктивне навантаження). При збільшенні струму збудження проти номінального (перезбудження) струм статора збільшується, а коефіцієнт потужності стає негативним (ємнісне навантаження). Ця властивість синхронних двигунів використовується для підвищення коефіцієнта потужності підприємств і мереж електростанцій.
Робочі характеристики синхронних двигунів (рис.5.39) являють собою залежність швидкості обертання - n, обертаючого моменту - М2, споживаного з мережі струму - I, коефіцієнта потужності - cos φ, ККД - η від потужності на валу двигуна - Р2.
Достоїнства синхронних двигунів:
- постійна швидкість обертання;
- робота в якості ємності.
Недоліки синхронних двигунів:
- необхідність використання постійного струму;
- складний пуск;
- відсутність пускового моменту;
- відсутність можливості пуску під навантаженням;
- відсутність регулювання швидкості обертання;
- великий пусковий струм;
- синхронний пуск вимагає “розгінного” двигуна;
- при перевантаженні синхронність порушується і двигун зупиняється;
- труднощі при реверсуванні.
Рис.5.39 - Робочі характеристики синхронного двигуна.
Рис.5.40 - Асинхронний пуск синхронного двигуна.
У цьому випадку синхронний двигун виготовляється з короткозамкненою обмоткою на зразок "білячого колеса", причому проводи цієї обмотки укладаються в спеціальні пази, розташовані в полюсних наконечниках ротора. Після включення обмотки статора на мережу у двигуні виникає обертове магнітне поле, що викликає в короткозамкненій обмотці струми; ці струми створюють обертаючий пусковий момент, як в асинхронному трифазному двигуні, і ротор починає обертатися. Коли ротор синхронного двигуна почне обертатися зі швидкістю, близькою до синхронної, у його обмотку збудження включають постійний струм, тобто збуджують двигун, і він, як говорять, “сам впадає в синхронізм” - починає обертатися із синхронною швидкістю.
При пуску обмотка збудження повинна замикатися на особливий опір, щоб уникнути наведення в ній великих ЕРС, небезпечних для ізоляції обмотки.
Зупинка синхронного двигуна починається з встановлення струму збудження, що відповідає мінімальному струму статора (cosφ=1), потім виключають статор, а вже після цього розмикають коло збудження. Інший порядок зупинки не припустимий.
Пожежна небезпека електричних машин змінного струму. Асинхронні електричні двигуни при їх широкому використанні мають невелику пожежну небезпеку. У них відсутні частини, що іскрять. За своєчасного технічного обслуговування (змащування та регулювання підшипникових вузлів, підтягування кріплень) та відсутності механічного перевантаження двигуни справно працюють протягом десятиріч.
Пожежа небезпека синхронних електричних машин обумовлена наявністю контактних з'єднань (щітка - контактне кільце). Для цього типу електричних машин не припускається значна зміна навантаження. За номінального навантаження, на відміну від електричних машин постійного струму, інтенсивність іскріння щіткового вузла значно менше.
Для усіх видів електричних машин змінного струму пожежна небезпека значно збільшується при погіршенні умов охолодження.
| « 5.3.1 Асинхронні машини. | 5.4 Електричні апарати. » |