Електрохімічні методи аналізу (потенціометрія, кондуктометрія, кулонометрія

Пуск при пониженном напряжении.Пусковой ток двигателя пропорционален подведенному напряжению U₁, уменьшение которого вызывает соответствующее уменьшение пускового тока. Существует несколько способов понижения подводимого к двигателюнапряжения. Рассмотрим некоторыеиз них.

Рисунок 65

Для асинхронных двигателей, работающих при соединении обмоток статора треугольником, можно применить пуск, переклю­чением обмотки статора со звезды ни треугольник (рисунок 65, а). В момент подключения двигателя к сети переключатель ставят в положение «звезда», при котором обмотка статора оказывается соединенной в звезду. При этом фазное напряжение на статоре понижается в раз. Во столько же раз уменьшается и ток в фазных обмотках двигателя (рисунок65,б). Кроме того, при соединении обмоток звездой линейный ток равен фазному, в то время как при соединении этих же обмоток треугольником ли­нейный ток больше фазного в раз. Следовательно, переклю­чив обмотки статора звездой, мы добиваемся уменьшения ли­нейного тока в 3 раза. После того, как ротор двигателя разгонится до частоты вращения, близкой к установившейся, переключатель быстро переводят в положение «треугольник» и фазные обмотки двигателя оказываются под номинальным напряжением. Возникший при этом бросок тока до значения является незначительным.

Рассмотренный способ пуска имеет существенный недоста­ток—уменьшение фазного напряжения в раз сопровождает­ся уменьшением пускового момента в три раза, так как, пусковой момент асинхронного двигателя прямо пропор­ционален квадрату напряжения U₁. Такое значительное умень­шение пускового момента не позволяет применять этот способ пуска для двигателей, включаемых в сеть при значительной нагрузке на валу.

Описанный способ понижения напряжения при пуске приме­ним лишь для двигателей, работающих при соединении обмотки статора треугольником.

Более универсальным является способ пуска понижением подводимого к двигателю напряжения посредством реакторов (реактивных катушек—дросселей). Порядок включения двигателя в этом случае следующий (рисунок 66, а). При разомкнутом рубильнике 2 включают рубильник 1. При этом ток из сети поступает в обмотку статора через реакторыР, на которых происходит падение напряжения jI_пх_р (где Хр — индуктивное сопротивление реактора, Ом). В результате на об­мотку статора подается пониженное напряжение:

(51)

После разгона ротора двигателя включают рубильник 2 и подводимое к обмотке статора напряжение оказывается номиналь­ным.

Рисунок 66

Недостаток этого способа пуска состоит в том, что уменьшение напряжения в раз сопровождается уменьшением пускового момента М_п, в раз.

При пуске двигателя через понижающий ав­тотрансформатор (рисунок 66,б) вначале замы­кают рубильник 1, со­единяющий обмотки ав­тотрансформатора звез­дой, а затем включают рубильник 2 и двигатель оказывается подключенным на понижен­ное напряжение При этом пусковой ток двигателя, измерен­ный на выходе автотрансформатора, уменьшается в К_А раз, где К_А - коэффициент трансформации автотрансформатора. Что же касается тока в питающей двигатель сети, т. е. тока на входе авто­трансформатора, то он уменьшается в К_А² раз по сравнению с пусковым током при непосредственном включении двигателя в сеть. Дело в том, что в понижающем автотрансформаторе пер­вичный ток меньше вторичного в К_А раз и поэтому уменьшение пускового тока при автотрансформаторном пуске составляет К_АК_А= К_А² раз. Например, если кратность пускового тока асин­хронного двигателя при непосредственном его включении в сеть составляет , а напряжение сети 380В, то при авто­трансформаторном пуске с понижением напряжения до 220 В кратность пускового тока в сети .

После первоначального разгона ротора двигателя рубильник 1 размыкают и автотрансформатор превращается в реактор. При этом напряжение на выводах обмотки статора несколько повы­шается, но все же остается меньше номинального. Включением рубильника 3 на двигатель подается полное напряжение сети. Таким образом, автотрансформаторный пуск проходиттремяступенями: на первой ступени к двигателю подводится напря­жение , на второй - и, наконец, на третьей ступени к двигателю подво­дится номинальное напряжение .

Как и предыдущиеспособы пуска при пониженномнапряжении,автотрансформаторный способ пуска сопровождается уменьше­нием пускового момента, так как значение последнего прямо пропорционально квадрату напряжения. С точки зрения умень­шения пускового тока автотрансформаторный способ пуска лучше реакторного, так как при реакторном пуске пусковой ток в питаю­щей сети уменьшается в раз, а при автотрансформатор­ном — в раз.Но некоторая сложность пусковой опе­рации и повышенная стоимость пусковой аппаратуры (понижаю­щий автотрансформатор и переключающая аппаратура) несколько ограничивают применение этого способа пуска асинхронныхдви­гателей.

Опишите рабочие характеристики трёхфазного асинхронного двигателя.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя (рисунок 67) представляют собой графически выраженные зависимости частоты вращения n₂, КПД, полезного момента (момента на валу) М₂, коэффициента мощности cosφ₁ и тока статора I₁ от полезной мощности Р₂ при U₁ =const и f₁=const.

Рисунок 67

Скоростная характеристика n₂=f(P₂). Частота вращения ро­тора асинхронного двигателя:

(52)

скольжение

(53)

т. е. скольжение двигателя, а следовательно, и его частота враще­ния определяются отношением электрических потерь в роторе к электромагнитной мощности Р_эм. Пренебрегая электрическими по­терями в роторе в режиме холостого хода, можно принять Р_э2= 0, а поэтому s₀≈0 и n₂₀≈n₁. По мере увеличения нагрузки на валу двигателя отношение растет, достигая значений 0,01-0,08 при номинальной нагрузке. В соответствии с этим зависимость n₂=f(P₂) представляет собой кривую, слабо наклоненную к оси абсцисс. Однако при увеличении активного сопротивления ротора угол наклона этой кривой увеличивается. В этом случае измене­ния частоты вращения n₂ при колебаниях на­грузки Р₂ возрастают. Объясняется это тем, что с увеличением возрастают электриче­ские потери в роторе.

Зависимость М₂=f(Р₂). Зависимость полезного момента на валу двигателя М₂ от полезной мощности Р₂ определяется выражением

(54)

Из этого выражения следует, что если n₂=const, то график М₂=f₂(Р₂) представляет собой прямую линию. Но в асинхрон­ном двигателе с увеличением нагрузки Р₂ частота вращения ро­тора уменьшается, а поэтому полезный мо­мент на валу М₂ с увеличением нагрузки возрастает несколько быстрее нагрузки, а следовательно, график М₂=f(Р₂) имеет кри­волинейный вид.

Зависимость cosφ₁= f(Р₂) . В связи с тем, что ток статора I₁ имеет реактивную (индук­тивную) составляющую, необходимую для создания магнитного ноля в статоре, коэффи­циент мощности асинхронных двигателей меньше единицы. Наибольшее значение коэф­фициента мощности соответствует режиму х. х. Объясняется это тем, что ток х. х. I₀ при любой нагрузке остается практически неиз­менным. Поэтому при малых нагрузках дви­гателя ток статора невелик и в значительной части является реак­тивным (I₁≈I₀). В результате сдвиг по фазе тока статора I₁ отноcительно напряжения Ủ₁ получается значительным (φ₁≈φ₂), лишь немногим меньше 90° (рисунок 68). Коэффициент мощности асинхронных двигателей в режиме х. х. обычно не превышает 0,2. При увеличении нагрузки на валу двигателя растет активная составляющая тока I₁ и коэффициент мощности возрастает, достигая наибольшего значения (0,80- 0,90) при нагрузке, близкой к номи­нальной. Дальнейшее увеличение на­грузки сопровождается

уменьшением соs φ₁, что объясняется возрастанием индуктивного сопротивления ротора за счет увеличения скольжения, а следовательно, и частоты тока в ро­торе. В целях повышения коэффициента мощности асинхронных двигателей чрезвычайно важно, чтобы двигатель работал всегда или по крайней мере значительную часть времени с

Рисунок 68 нагруз­кой, близкой к номинальной. Это можно обеспечить лишь при правильном выбо­ре мощности двигателя. Если же дви­гатель работает значительную часть времени недогруженным, то для повышения соs φ₁ целесообразно подводимое к двигателю напряжение U₁ уменьшить. Например, в двигателях, работающих при соединении обмотки статора треугольником, это можно сде­лать пересоединив обмотки статора в звезду, что вызовет умень­шение фазного напряжения в раз. При этом магнитный поток статора, а следовательно, и намагничивающий ток уменьшаются примерно в раз. Кроме того, активная составляющая тока статора несколько увеличивается. Все это способствует повышению коэффициента мощности двигателя. На рисунке 69 представ­лены графики зависимости соs φ₁ асинхронного двигателя от нагрузки при соединении обмоток статора звездой (кривая 1) и треугольником (кривая 2).

Рисунок 69

Тема: Устройство и работа синхронного генератора

Возбуждение синхронных машин

При рассмотрении принципа действия синхронного генератора установлено, что на роторе синхронного генератора расположен источ­ник МДС (индуктор), создающий в генераторе маг­нитное поле. С помощью приводного двигателя (ПД) ротор генератора приводится во вращение с синхронной частотой n₁. При этом магнитное поле ротора также вращается и, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней ЭДС.

Синхронные двигатели конструктивно почти не отличаются от синхронных генераторов. Они также состоят из статора с обмоткой и ротора. Поэтому независимо от режима работы любая синхронная машина нуждается в процессе возбуждения — наведения в ней магнитного поля.

Основным способом возбуждения синхронных машин является электромагнитное возбуждение, сущность которою состоит в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения. При прохождении по этой обмотке постоянного тока воз­никает МДС возбуждения, которая наводит в маг­нитной системе машины магнитное поле.

До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рисунок 70, а), обмотка возбуждения которого (ОВ) получала пи­тание постоянного тока от другого генератора (па­раллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронной машины и якоря возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронной машины поступает через контактные кольца и щетки. Для регулирования тока возбуждения применяют регу­лировочные реостаты, включаемые в цепи возбуж­дения возбудителя (г₁) и подвозбудителя (г₂).

В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автомати­зируют.

В синхронных генераторах большой мощности — турбогене­раторах иногда в качестве возбудителя приме­няют генераторы переменного тока индукторного типа. На выходе такого генератора включают полупроводниковый выпрямитель

Получила применение в синхронных генераторах бесконтакт­ная система электромагнитного возбуждения, при которой син­хронный генератор не имеет контактных колец на роторе.

В качестве возбудителя В в этом случае применяют генератор переменного тока (рисунок 70, б), у которого обмотка 2, в которой наводится ЭДС (обмотка якоря), расположена на роторе, а об­мотка возбуждения 1 расположена на статоре. В результате обмотка якоря возбудителя и обмотка возбуждения синхронной машины оказываются вращающимися и их электрическое соеди­нение осуществляется непосредственно, без контактных колец и щеток. Но так как возбудитель является генератором» перемен­ного тока, а обмотку возбуждения необходимо питать постоян­ным током, то на выходе обмотки якоря возбудителя включают полупроводниковый преобразователь З, закрепленный на валу синхронной машины и вращающийся вместе с обмоткой возбуж­дения синхронной машины и обмоткой якоря возбудителя. Пи­тание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя осуществляется от подвозбудителя (ПВ) — генератора постоян­ного тока.

Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения син­хронной машины позволяет повысить ее эксплуатационную на­дежность и увеличить КПД.

Рисунок 70 - Контактная (а) и бесконтактная (б) системы электромагнитного

возбуждения синхронных генераторов

В синхронных генераторах, в том числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рисунок 71, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного гене­ратора через понижающий трансформатор и посредством выпря­мительного полупроводникового преобразователя (ПП) преобра­зуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного магнетизма магнитопровода ма­шины.

Рисунок 71 - Принцип самовозбуждения синхронных генера­торов

На рисунке 71, б представлена структурная схема автоматиче­ской системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным пре­образователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подается в обмотку возбуждения. Управление тиристорным пре­образователем осуществляется посредством автоматического ре­гулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на выходе СГ (через трансформатор напряже­ния ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты БЗ, обеспечивающий защиту об­мотки возбуждения и тиристорного преобразователя ТП от пере­напряжений и токовой перегрузки.

В современных синхронных двигателях для возбуждения при­меняют тиристорные возбудительные устройства, включаемые в сеть переменного тока и осуществляющие автоматическое управ­ление током возбуждения во всевозможных режимах работы питателя, в том числе и переходных. Такой способ возбуждения является наиболее надежным и экономичным, так как КПД тиристорных возбудительных устройств выше, чем у генераторов постоянного тока. Промышленностью выпускаются тиристорные возбудительные устройства на различные напряжения возбуждения с допустимым значением постоянного тока 320 А.

Наибольшее распространение в современных сериях синхрон­ных двигателей получили возбудительные тиристорные устройства типов ТЕ8-320/48 (напряжение возбуждения 48В) и ТЕ8-320/75 (напряжение возбуждения 75 В).

Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно состав­ляет от 0,2 до 5 % полезной мощности машины (меньшее значе­ние относится к машинам большой мощности).

В синхронных машинах малой мощности находит применение
принцип возбуждения постоянными магнитами, когда на роторе
машины располагаются постоянные магниты. Такой способ воз­буждения дает возможность избавить машину от обмотки воз­буждения. В результате конструкция машины упрощается, ста­новится более экономичной и надежной. Однако из-за дефицит­ности материалов для изготовления постоянных магнитов с боль­шим запасом магнитной энергии и сложности их обработки при­менение возбуждения постоянными магнитами ограничивается
лишь машинами мощностью не более нескольких киловатт.

Типы синхронных машин и их устройство

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 сборке 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 (рисунок 72, а). Все полюсы ротора закреп­лены на ободе 4, являющемся также и ярмом магнитной системы машины, в котором замыкаются потоки полюсов. Гидрогенера торы обычно изготовляются с вертикальным расположением вала (рисунок 73).

Рисунок 72 - Конструкция роторов синхронных машин:

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

Рисунок 73 - Гидрогенератор Братской ГЭС (225 МВт, 15,8 кВ, 125 об/мин):

1— корпус статора; 2 — сердечник статора; 3 — полюс ротора; 4-обод ротора;

5 — грузонесущая крестовина

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, (n₁ = 3000 об/мин), либо четырехполюсными (n₁ = 1500 об/мин).

Рисунок 74 - Турбогенератор:

1- возбудитель; 2 - корпус; 3 - сердечник статора; 4 - секции водородного охлажде­ния; 5 - ротор

В процессе работы турбогенератора на его ротор действуют значительные центробежные силы. Поэтому по условиям меха­нической прочности в турбогенераторах применяют неявнополюсный ротор, имеющий вид удлиненного стального цилиндра с профрезерованными на поверхности продольными пазами для обмотки возбуждения (см. рисунок 72,б). Сердечник неявнополюс­ного ротора изготовляют в виде цельной стальной поковки вмес­те с хвостовиками (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 (рисунок 74) и дизель-генераторы изготовля­ют с горизонтальным расположением вала. Дизель-генераторы рассчитывают на частоту вращения 600—1500 об/мин и выпол­няют с явнополюсным ротором (рисунок 75).

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. Рассмотрим устройство синхронного двигателя серии СДН2 (рисунок 76). 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.

Рисунок 75 - Синхронный генератор (дизель-генератор):

1— контактные кольца; 2 — щеткодержатели; 3 — полюсная катушка ротора;

4 — по­люсный наконечник; 5 — сердечник статора; 6 — вентилятор; 7 — вал

Сердечник статора 4 запрессованный в стальной корпус, состоит из пакетов-сегментов, собранных из штампованных лис­тов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Для лучшего охлаждения двигателя пакеты разделены радиальными вентиля­ционными каналами шириной по 10 мм. Обмотка статора 12 двухслойная с укороченным шагом. Сердечники по­люсов 11 ротора крепятся к остову 3 шпильками 5. Обмотка ротора состоит из полюсных катушек. Контактные кольца 8 кре­пятся на конце вала. На роторе имеются лопатки 6 центробеж­ного вентилятора. Стояковые подшипники скольжения 2 и 7 уста­новлены на подшипниковых полущитах 1 и 9. Двигатель с тор­цовых сторон прикрыт стальными щитами 13. В обшивке 10 корпуса имеются вентиляционные окна, прикрытые жалюзи. На бо­ковой поверхности корпуса расположена коробка выводов 14. Возбуждение двигателей осуществляется от тиристорных преоб­разователей с автоматическим регулированием тока возбуждения при пуске и остановке двигателей.

Рисунок 76 - Устройство синхронного двигателя серии СДН2

Рисунок 77 - Полюс синхронного двигателя

На рисунке 77 показано более подробно устройство элемента синхронного двигателя, характерное для большинства конструк­ций. На вал 1 осажен шихтованный обод 2, на котором посред­ством Т - образного хвостовика крепится сердечник полюса 3 вы­полненный заодно с полюсным наконечником. Сердечники полю­сов изготовлены из штампованных листов конструкционной стали, толщиной 1,0 или 1,5 мм. Хвостовик полюса запирается в про­дольном пазе обода посредством клиньев 9. Возможно также крепление полюсов к ободу посредством «ласточкина хвоста» или шпилек. Стальные щеки 4, стягиваемые шпильками, предотвращают распушение пакета по­носа ротора. Щеки имеют заплечики, удерживающие полюсную катушку ротора 5.

В пазах полюсных наконечников расположены латунные или медные стержни 6 пусковой (успокоительной) обмотки, замкну­тые с двух сторон сегментами 7.

Между наружной поверхностью полюсного наконечника и внутренней поверхностью сердечника статора 8 имеется воздуш­ный зазор. По оси полюса этот зазор δ минимален, а на краях — максимален δ_max. Такая конфигурация полюсного наконечника не­обходима для синусоидального распределения магнитной индук­ции в воздушном зазоре. Она достигается тем, что поверхность полюсного наконечника имеет радиус R<(D₁— 2δ)/2, где D₁— диаметр расточки сердечника статора.

Принцип действия синхронного генератора

Для изучения принципа действия синхронного ге­нератора воспользуемся упрощенной моделью син­хронной машины (рисунок 78). Неподвижная часть машины, называемая статором, представляет собой полый шихтованный цилиндр 1 (сердечник статора) с двумя продольными пазами на внутренней по­верхности. В этих пазах расположены стороны витка 2, являющегося обмоткой статора. Во внут­ренней полости сердечника статора расположена вращающаяся часть машины — ротор, представ­ляющий собой постоянный магнит 4 с полюсами N и S, закрепленный на валу 3. Вал ротора посред­ством ременной передачи 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 n₁ 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 i.

В процессе вращения ротора магнитное поле постоянного магнита также вращается с частотой n₁, а поэтому каждый из проводников обмотки ста­тора попеременно оказывается то в зоне северного (N) магнитного полюса, то в зоне южного (5) 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 I в этой обмотке и в нагрузке Z также переменный.

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

Е = B_δ2ℓ_V = B_δ2ℓπD₁n₁/60, (55)

где B_δ — магнитная индукция в воздушном зазоре между сер­дечником статора и полюсами ротора, Тл; ℓ — активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, м; v = πD₁n₁/60— ско­рость движения полюсов ротора относительно статора, м/с; D₁ — внутренний диаметр сердечника статора, м. Эта формула показывает, что при неизменной частоте вращения ротора форма кривой переменной ЭДС обмотки якоря, определяется исключительно законом распределения магнитной индукции B_δ в зазоре. Если бы график магнитной индукции в за­зоре представлял собой синусоиду (B_δ = В_max sinα ), то ЭДС гене­ратора была бы синусоидальной. Однако получить синусоидаль­ное распределение индукции в зазоре практически невозможно. Так, если воздушный зазор б постоянен (рисунок 79), то магнитная индукция B_δ в воздушном зазоре распределяется по трапеце­идальному закону (кривая 1), а следовательно, и график ЭДС генератора представляет собой трапецеидальную кривую. Если края полюсов скосить так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен 6тах (как это показано красной линией на рисунке 80), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (кривая 2), а следовательно, и график ЭДС генератора приблизится к синусоиде.

Рисунок 78 - Упрощенная модель синхронного генератора

Частота ЭДС синхронного генератора ƒ₁ (Гц) прямо пропор­циональна частоте вращения ротора n₁ (об/мин), которую при­нято называть синхронной частотой вращения:

ƒ₁ = рn₁ / 60 (56)

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

Для получения промышленной частоты ЭДС (50 Гц) ротор такого генератора необходимо вращать с частотой n₁ = 3000 об/мин, тогда /,= 1*3000/60 = 50 Гц.

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 (рисунок 80).

Рисунок 79 - Графики распределения магнитной индукции в

воздушном зазоре синхронного генератора

Как уже отмечалось, привод­ной двигатель (ИД) приводит во вращение ротор синхронного ге­нератора с синхронной частотой n₁. При этом магнитное поле ротора также вращается с часто­той n₁ и индуцирует в трехфазной обмотке статора переменные ЭДС E_A E_B, Е_С, которые, будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на ¹/₃ периода (120 эл. град), образуют трехфазную симметричную систему ЭДС.

С подключением на­грузки в фазах обмотки статора появляются токи I_A , I_B, I_С, При этом трех­ фазная обмотка статора создает вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля рав­на частоте вращения ро­тора генератора (об/мин):

n₁ = ƒ₁60 / р. (57)

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

Рисунок 80 - Электромагнитная схема синхронного генератора

Тема: Реакция якоря, рабочие характеристики и параллельная работа синхронных генераторов.

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нем одновременно действуют МДС возбуждения F_B0 и статора (якоря) F₁, при этом МДС статора (якоря) воздействует на МДС возбуждения, усиливая или ослабляя поле возбуждения или же искажая его форму. Воздействие МДС обмотки статора (якоря) на МДС обмотки возбуждения называется реакцией якоря. Реакция якоря оказывает влияние на рабочие свойства синхронной машины, так как изменение магнитного поля в машине сопровождается изменением ЭДС, наведенной в обмотке статора, а следовательно, изменением и ряда других величин, связанных с этой ЭДС. Влияние реакции якоря на работу синхронной машины зависит от значения и характера нагрузки.

Синхронные генераторы, как правило, работают на смешанную нагрузку (активно-индуктивную или активно-емкостную). Но для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря на работу синхронной машины целесообразно рассмотреть случаи работы генератора при нагрузках предельного характера, а именно: активной, индуктивной и емкостной. Воспользуемся для этого векторными диаграммами МДС. При построении этих диаграмм следует иметь в виду, что вектор ЭДС Е₀, индуцируемой магнитным потоком возбуждения в обмотке статора, отстает по фазе от вектора этого потока (а следовательно, и вектора МДС F_B0) на 90⁰. Что же касается вектора тока в обмотке статора I₁, то он может занимать по отношению к вектору Е₀ различные положения, определяемые углом f₁ в зависимости от вида нагрузки.

Рисунок 81

Активная нагрузка (f₁ =0).

На рисунке 81 представлены статор и ротор двухполюсного генератора. На статоре показана часть фазной обмотки. Ротор явно полюсной, вращается против движения часовой стрелки. В рассматриваемый момент времени ротор занимает вертикальное положение, что соответствует максимуму ЭДС Е₀ в фазной обмотке. Так как ток при активной нагрузке совпадает по фазе с ЭДС, то указанное положение ротора соответствует также и максимуму тока. Изобразив линии магнитной индукции поля возбуждения (ротора) и линии магнитной индукции поля обмотки статора, видим, что МДС статора F₁ направлена перпендикулярно МДС возбуждения F_B0. Этот вывод также подтверждается векторной диаграммой, построенной для этого же случая. Порядок построения этой диаграммы следующий: в соответствии с пространственным положением ротора генератора проводим вектор МДС возбуждения F_B0; под углом 90⁰ к этому вектору в сторону отставания проводим вектор ЭДС Е₀, наведенной магнитным полем возбуждения в обмотке статора; при подключении чисто активной нагрузки ток в обмотке статора I₁ совпадает по фазе с ЭДС Е₀, а поэтому вектор МДС F₁, создаваемый этим током, сдвинут в пространство относительно вектора F_B0 на 90⁰.

Такое воздействие МДС статора (якоря) F₁ на МДС возбуждения F_B0 вызовет искажение результирующего поля машины: магнитное поле машины ослабляется под набегающим краем полюса и усиливается под сбегающим краем полюса (рисунке 82). Вследствие насыщения магнитной цепи результирующее магнитное поле машины несколько ослабляется. Объясняется это тем, что размагничивание набегающих краев полюсных наконечников и находящихся над ними участков зубцового слоя статора происходит беспрепятственно, а подмагничивание сбегающих краев полюсных наконечников и находящихся над ними участков зубцового слоя статора ограничивается магнитным насыщением этих элементов магнитной цепи. В итоге результирующий магнитный поток машины ослабляется, т.е. магнитная система несколько размагничивается. Это ведет к уменьшению ЭДС машины Е₁.

Индуктивная нагрузка (f=90⁰).

При чисто индуктивной нагрузки генератора ток статора I₁ отстает по фазе от ЭДС Е₀ на 90⁰. Поэтому он достигает максимального значения лишь после поворота ротора вперед на 90⁰ относительно его положения, соответствующего максимуму ЭДС Е₀ (см. рисунок 81,б). При этом МДС F₁ действует вдоль оси полюсов ротора встречно МДС возбуждения F_B0. В этом мы также убеждаемся, построив векторную диаграмму.

Такое действие МДС статора F₁ ослабляет поле машины. Следовательно, реакция якоря в синхронном генераторе при чисто индуктивной нагрузки оказывает продольно - размагничивающее действие.

В отличие от реакции якоря при активной нагрузки в рассматриваемом случае магнитное поле не искажается.

Емкостная нагрузка(f=-90⁰).

Так как ток I₁ при емкостной нагрузки опережает по фазе ЭДС Е₀ на 90⁰, то своего наибольшего значения он достигает раньше, чем ЭДС, т.е. когда ротор займет положение, показанное на рисунок 81,в. МДС статора F₁ так же как и в предыдущем случае, действует по оси полюсов, но теперь уже согласно с МДС возбуждения F_В0.

При этом происходит усиление магнитного поля возбуждения. Таким образом, при чисто емкостной нагрузке синхронного генератора реакция якоря оказывает продольно – намагничивающее действие. Магнитное поле при этом не искажается.

Смешанная нагрузка.

При смешанной нагрузке синхронного генератора ток статора I₁ сдвинут по фазе относительно ЭДС Е₀ на угол f₁, значения которого находятся в пределах 0<f₁<+/- 90⁰. Для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря при смешанной нагрузке воспользуемся диаграммами МДС, представленными на рисунке 82.

Рисунок 82

При активно – индуктивной нагрузке (рисунок 83,а) вектор F₁ отстает от вектора Е₀ на угол 0<f₁<90⁰. Разложим вектор F₁ на две составляющие : продольную составляющую МДС статора F_1d=F₁sinf₁ и поперечную составляющую МДС статора F_1q=F₁cosf₁. Такое же разложение МДС якоря F₁ на составляющие можно сделать в случае активно – емкостной нагрузки (рисунок 83,б). Поперечная составляющая МДС статора F_1q, представляющая собой МДС реакции якоря по поперечной оси, пропорциональна активной составляющей тока нагрузки I_q=I₁cosf₁, т.е.

F_1q=F₁cosf_1, (58)

а продольная составляющая МДС статора (якоря) F_1d, представляющая собой МДС реакции якоря по продольной оси, пропорциональна реактивной составляющей тока нагрузки I_d=I₁sinf₁, т.е.

F_1d=F₁sinf₁ (59)

Рисунок 83

При этом если реактивная составляющая тока нагрузки отстает по фазе от ЭДС Е₀ (нагрузка активно – индуктивная), то МДС F_1d размагничивает генератор, если же реактивная составляющая тока I_d опережает по фазе ЭДС Е₀(нагрузка активно – емкостная), то МДС F_1d подмагничивает генератор.

Направление вектора F_1d относительно вектора F_B0 определяется характером реакции якоря, который при токе нагрузке I₁, отстающем по фазе от ЭДС Е₀, является размагничивающим, а при токе I₁, опережающем по фазе ЭДС Е₀- подмагничивающим.

Характеристики синхронного генератора

Свойства синхронного генератора определяются характерис­тиками холостого хода, короткого замыкания, внешними и регу­лировочной.

Характеристика холостого хода синхронного генератора. Пред­ставляет собой график зависимости напряжения на выходе ге­нератора в режиме х. х. U₁ = Е_о от тока возбуждения I_в0 при n₁ =const. Схема включения синхронного генератора для снятия характеристики х. х. приведена на рисунке 84, а. Если характе­ристики х. х. различных синхронных генераторов изобразить в относительных единицах (Е* = ƒ/_в*), то эти характеристики мало отличаются друг от друга и будут очень схожи с нормальной характеристикой х. х. (рисунок 84, б), которую используют при рас­четах синхронных машин:

Е*………...…0,58 1,0 1,21 1,33 1,40 1,46 1,51

I_B*. 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Здесь Е* = E_o/U_1HOM — относительная ЭДС фазы обмотки стато­ра; I_в* = I_Bо/I_BOном - относительный ток возбуждения; I_BOном — ток возбуждения в режиме х.х., соответствующий ЭДС х. х. Е_о = U_ihom

Характеристика короткого замыкания. Характеристику трех­фазного к.з. получают следующим образом: выводы обмотки статора замыкают накоротко (рисунок 84, а) и при вращении ро­тора с частотой вращения n₁ постепенно увеличивают ток воз­буждения до значения, при котором ток к.з. превышает номи­нальный рабочий ток статорной обмотки не более чем на 25 % (I_1к = 1,25 I_ihom). Так как в этом случае ЭДС обмотки статора имеет значение, в несколько раз меньшее, чем в рабочем режиме генератора, и, следовательно, основной магнитный поток весьма мал, то магнитная цепь машины оказывается ненасыщенной. По этой причине характеристика к.з. представляет собой прямую линию (рисунок 84,б). Активное сопротивление обмотки статора невелико по сравнению с ее индуктивным сопротивлением, по­этому, принимая r₁≈0, можно считать, что при опыте к.з. на­грузка синхронного генератора (его собственные обмотки) явля­ется чисто индуктивной. Из этого следует, что при опыте к.з. реакция якоря синхронного генератора имеет продольно-размаг­ничивающий характер.

Рисунок 84 - Опыт холостого хода синхронного генератора

Векторная диаграм­ма, построенная для ге­нератора при опыте трехфазного к.з., пред­ставлена на рисунке 85, в. Из диаграммы видно, что ЭДС Ё_к, индуцируемая в обмот­ке статора, полностью уравновешивается ЭДС продольной реакции якоря É_к = É_1d + É_δ1

При этом МДС об­ мотки возбуждения имеет как бы две сос­тавляющие: одна ком­пенсирует падение на­пряжения jl₁X₁а дру­гая компенсирует раз­магничивающее влия­ние реакции якоря jl_dX_ad.

Рисунок 85 - Опыт короткого замыкания синхрон­ного генератора

Характеристики к.з. и х. х. дают возмож­ность определить зна­чения токов возбужде­ния, соответствующие указанным составляю­щим МДС возбужде­ния. С этой целью ха­рактеристики х. х. и к.з. строят в одних осях (рисунок 86), при этом на оси ординат отмечают относительные значения напряжения х. х. Е* = E_o/U_1HOMи тока к.з. Iк* = I_1к/I_1ном. На оси ординат от­кладывают отрезок ОВ,выражающий в масштабе напряжения значение ЭДС рассеяния Ё_σ1 = - _jI₁X₁.Затем точку Всносят на характеристику х. х. (точка В')и опускают перпендикуляр В'Dна ось абсцисс. Полученная таким образом точка Dразделила ток возбуждения I_воном на две части: I_BX — ток возбуждения, необ­ходимый для компенсации падения напряжения jl₁X₁ и l_Bd — ток возбуждения, компенсирующий продольно-размагничивающую реакцию якоря.

Один из важных параметров синхронной машины — отноше­ние короткого замыкания (ОКЗ), которое представляет собой отношение тока возбуждения Лоном, соответствующего номиналь­ному напряжению при х. х., к току возбуждения, соответ­ствующему номинальному току статора при опыте к.з. (рисунок 85,б):

ОКЗ=I_оном/I_{в к н. ном} (60)

Для турбогенераторов ОКЗ= = 0,4÷0,7; для гидрогенерато­ров ОКЗ= 1,0÷1,4.

Рисунок 86 - Определения составляющих тока к.з.

ОКЗ имеет большое практи­ческое значение при оценке свойств синхронной машины: машины с малым ОКЗ менее устойчивы при параллельной работе, имеют зна­чительные колебания напряже­ния при изменениях нагрузки, но такие машины имеют меньшие габариты и, следовательно, дешевле, чем машины с большим ОКЗ.

Внешняя характеристика. Представляет собой зависимость напряжения на выводах обмотки статора от тока нагрузки: U₁ = ƒ (I₁) при I_B = const; constφ₁; n₁= n_ном = const. На рисунке 87, а представлены внешние характеристики, соответст­вующие различным по характеру нагрузкам синхронного гене­ратора.

При активной нагрузке (constφ₁= 1) уменьшение тока нагрузки I₁ сопровождается ростом напряжения U₁, что объяс­няется уменьшением падения напряжения в обмотке статора и ослаблением размагничивающего действия реакции якоря по по­перечной оси. При индуктивной нагрузке (cosφ<1; инд.) увеличение U₁ при сбросе нагрузки более интенсивно, так как с уменьшением тока Л ослабляется размагничивающее действие продольной составляющей реакции якоря. Однако в случае емкостной нагрузки генератора (cosφ<1;емк.) уменьшение I₁ сопровождается уменьшением напряжения U₁, что объясняется ослаблением подмагничивающего действия про­дольной составляющей реакции якоря.

Изменение напряжения синхронного генератора, вызванное сбросом номинальной нагрузки при I_B = const; и n₁ = const, называется номинальным изменением (повышением) напряже­ния (%):

E_о - U_1ном

∆U_ном = (61)

U_1ном

При емкостной нагрузке генератора сброс нагрузки вызывает уменьшение напряжения, а поэтому, ∆U_ном отрицательно.

В процессе эксплуатации синхронного генератора напряже­ние U₁ при колебаниях нагрузки поддерживается неизменным посредством быстродействующих автоматических регуляторов. Однако во избежание повреждения изоляций обмотки ∆U_ном не должно превышать 50 %.

Рисунок 87 - Внешние (а) и регулировочные (б) характерис­тики синхронного генератора

Регулировочная характеристика. Она показывает, как следует изменять ток возбуждения генератора при изменениях нагрузки, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось неизменно равным номинальному: I_B = ƒ(I₁) при U₁ = U_2ном = const; n_ном = const и cosφ₁ = const. На рисунке 87,б представлены регулировочные характеристики синхронного генератора. При активной нагрузке (cosφ₁ = 1) увеличение тока нагрузки I₁ сопровождается уменьшением напряжения U₁, поэтому для под­держания этого напряжения неизменным по мере увеличения тока нагрузки I₁ следует повышать ток возбуждения. Индуктивный характер нагрузки (cosφ<1; инд) вызывает более резкое понижение напряжения U₁ (рисунок 87, а), поэтому ток возбуждения I_B, необходимый для поддержания U₁ = U_1ном, сле­дует повышать в большей степени. При емкостном же характере нагрузки (cosφ<1; емк.) увеличение нагрузки со­провождается ростом напряжения U₁, поэтому для поддержания U₁ = U_1ном ток возбуждения следует уменьшать.

Включение генератора на параллельную работу

На электрических станциях обычно устанавли­вают несколько синхронных генераторов, включае­мых параллельно для совместной работы (рисунок 88). Наличие нескольких генераторов вместо одного суммарной мощности дает преимущества, объясняе­мые теми же соображениями, которые были изло­жены применительно к параллельной работе транс­форматоров.

При включении синхронного генератора в сеть на параллельную работу необходимо соблюдать сле­дующие условия: ЭДС генератора Е_о в момент под­ключения его к сети должна быть равна и противо­положна по фазе напряжению сети (Е_о = - Ú_с); частота ЭДС генератора ƒ_г должна быть равна час­тоте переменного напряжения в сети ƒ_с; порядок следования фаз на выводах генератора должен быть таким же, что и на зажимах сети.

Приведение генератора в состояние, удовлетво­ряющее всем указанным условиям, называют синхро­низацией. Несоблюдение любого из условий синхро­низации приводит к появлению в обмотке статора больших уравнительных токов, чрезмерное значение которых может явиться причиной аварии.

Включить генератор в сеть с параллельно рабо­тающими генераторами можно или способом точной синхронизации, или способом самосинхронизации.

Способ точной синхронизации. Сущность этого способа состоит в том, что, прежде чем включить генератор в сеть, его приводят в состояние, удовлет­воряющее всем вышеперечисленным условиям. Мо­мент соблюдения этих условий, т. е. момент синхро­низации, определяют прибором, называемым синхро­носкопом. По конструкции синхроноскопы разде­ляют на стрелочные и ламповые. Рассмотрим про­цесс синхронизации генераторов с применением лам­пового синхроноскопа, который состоит из трех ламп 1, 2, 3, расположенных в вершинах равностороннего треугольника.

Рисунок 88 - Включение синхронных генераторов на параллельную работу

При включении ламп по схеме «на погасание» (рисунок 89, а) момент синхронизации соответствует одновременному погасанию всех ламп. Предположим, что звезда ЭДС генератора É_а É_в É_с вращается с угловой частотой превышающей угловую час­тоту вращения ω_с звезды напряжений сети Ú_А;Ú_В ;Ú_c. В этом случае напряжение на лампах определяется геометрической сум­мой É_а +Ú_А ; É_B +Ú_B ; É_C +Ú_C ; (рисунок 89,б). В момент совпадения век­торов звезды ЭДС с век­торами звезды напряже­ний эта сумма достигает наибольшего значения, при этом лампы горят с наибольшим накалом (на­пряжение на лампах равно удвоенному напряжению сети). В последующие мо­менты времени звезда ЭДС обгоняет звезду нап­ряжений и напряжение на лампах уменьшается.

В момент синхро­низации векторы ЭДС и напряжений занимают положение, при котором, É_а +Ú_А=0 ; É_B +Ú_B =0; É_C +Ú_C=0, т.е U_л = 0, и все три лампы одновременно гаснут (рисунок 89, в). При большой разности угловых частот , и лампы вспыхивают часто. Изме­няя частоту вращения первичного двигателя, добиваются равенства ω_г= ω_c, о чем будет свидетельствовать пога­сание ламп на длитель­ное время. В этот мо­мент и следует замк­нуть рубильник, после чего генератор окажет­ся подключенным к сети.

Рисунок 89 - Ламповый синхроноскоп

Способ самосинхро­низации. Ротор невоз­бужденного генератора приводят во вращение первичным двигателем до частоты вращения, отличающейся от синх­ронной не более чем на 2—5 %, затем генератор подключают к сети. Для того чтобы избежать перенапряжений в обмотке ротора в момент подключе­ния генератора к сети, ее замыкают на некоторое активное сопро­тивление. Так как в момент подключения генератора к сети его ЭДС равна нулю (генератор не возбужден), то под действием на­пряжения сети в обмотке статора наблюдается резкий бросок тока, превышающий номинальное значение тока генератора. Вслед за включением обмотки статора в сеть подключают обмотку возбуж­дения к источнику постоянного тока и синхронный генератор под действием электромагнитного момента, действующего на его ро­тор, втягивается в синхронизм, т. е. частота вращения ротора становится синхронной. При этом ток статора быстро уменьшается.

При самосинхронизации в генераторе протекают сложные электромеханические переходные процессы, вызывающие значи­тельные механические воздействия на обмотки, подшипники и муфту, соединяющую генератор с турбиной. Влияние этих воз­действий на надежность генератора учитывается при проектиро­вании синхронных генераторов. Способом самосинхронизации включают на параллельную работу синхронные генераторы мощ­ностью до 500 МВт.

Електрохімічні методи аналізу (потенціометрія, кондуктометрія, кулонометрія