Дәріс конспектісі

Дәріс тақырыбы: Синхронды машиналар. Құрылысы және жұмыс істеу принципі. Синхронды генератордағы якорь реакциясы. Синхронды генераторлардың сипаттамалары. Синхронды генераторлардың параллель жұмыс істеуі.

Синхронды машиналар. Құрылысы және жұмыс жасау принципі

Синхронды машиналарда ротордың айналу жылдамдығы статордың айналмалы магнит өрісінің айналу жылдамдығына тең. Осы себептен мұндай машиналар синхронды деп аталады.

Синхронды машиналар үш әлпіде жұмыс істей алады: генератор, қозғалтқыш және синхронды теңгергіш ретінде. Сондықтан да синхронды машиналар генератор, қозғалтқыш және синхронды теңгергіш түрінде шығарылып, қолданады.

Электр энергиясы негізінен синхронды генераторлармен алынады. Олар жылу, гидравликалық, атом, дизелъді (іштен жану), жел энергетикалық т.б. электр станцияларында қолданылады. Жылу және атом электр станцияларында бастапқы қозғалтқыш бу турбинасы болса, гидравликалық электр станцияларында су турбинасы, дизель электр станцияларында іштен жану қозғалтқыштары, ал жел электр станцияларында желқалақтар болып табылады. Генераторларда бастапқы қозғалтқыштардың энергиясының электр энергиясына түрленетіндігінен, олардың қуаты бастапқы қозғалтқыштың қуатына тікелей байланысты. Осы себепті және қолданылатын материалдардың беріктігіне байланысты генераторлардың қуаты жылу және атом станцияларында 1200 МВт және одан да көп, гидравликалық станцияларда 800 МВт-қа дейін, дизельді электр станцияларында мыңдаған киловаттқа дейін, ал жел электр станцияларында 250кВт-қа дейін барады. Аса қуатты турбогенераторлар мен гидрогенераторлардың пайдалы әрекет коэффициенті өте жоғары-98...99%-ке дейін, ал қуат коэффициенті 0,8...0,9 шамасында болады. Турбогенераторлардың айналу жиілігі 3000 айн/мин-ке дейін, ал гидрогенераторлар негізінен жәй жүрісті болады-айналу жиілігі 150 айн/мин-ке дейін.

Бір энергетикалық жүйе әдетте бірнеше электр станцияларын біріктіреді. Мұнда ондаған тіпті жүздеген генераторлар бір желіге жалғанатындықтан олардың кернеулері мен жиіліктерінің бірдей және өзгермей қалуы бұлжытпай орындайтын шарт болып есептеледі. Өйткені егер генераторлардың кернеулері мен жиіліктері бірдей болмаса, онда генераторлардың өздерінің араларында энергияның ағыны пайда болады да энергияның шығыны көбейеді, ал кейбір генераторлар энергия көзі немесе

энергия қабылдағыш ретінде жұмыс істеуі мүмкін. Сондықтан генераторлардың кернеулері мен жиіліктері, активті және реактивті қуаттары бір ортадан-диспетчерлік ортадан бақыланып және реттеліп отырылады.

Синхронды қозғалтқыштардың айналу жиілігі тұрақты болатындықтан олар жиіліктің өзгерісіне қатты талап қойылатын жерлерде қолданылады. Мысалы, сығымдау тұрықтарында, кеніштерде, өндірістік тоңазытқыштарда т.б. өте қуатты машиналарда олардың жетегі ретінде пайдаланылады. Синхронды қозғалтқыштардың қуаты ондаған мегаваттқа дейін де, ал кернеулері 10 кВ-қа дейін. Қуаты бірнеше ғана ватт, ал кернеулері бірнеше вольт синхронды қозғалтқыштар электрлік сағаттарда, өзі жазатын аспаптарда, кинотехникада, автоматты басқару жүйелерінде қолданылады.

Синхронды машиналарға тән бір ерекшелік – қоздыру тоғын өзгерту арқылы олардың желіге беретін реактивті қуатын реттеуге болатындығы. Бұл жағдай синхронды қозғалтқыштарды асинхронды қозғалтқыштардың жұмысы үшін керекті реактивті қуаттың көзі ретінде пайдалануға болатындығын көрсетеді. Осы мақсатта қолданылатын синхронды қозғалтқыштарды синхронды теңгергіштер (компенсаторлар) деп атайды.

Роторының айналу жылдамдығы статордың магнит өрісінің айналу жылдамдығына тең болатын айнымалы ток машинасы, яғни , р-полюстер жұбының саны f₁=50 Гц (ротор мен статордың полюстер жұбының саны өзара тең).

Синхронды машиналарда екі бөліктен статордан және ротордан құралады. Синхронды машинаның статорының құрылысы асинхронды машиналардікінен айырмашылығы жоқ, (корпус – тұрақ, өзекше – сердечник және үшфазалы орамдардан құралады) бірақ, машинаның габариттік өлшемдері мен арналуына байланысты әртүрлі болуы мүмкін. Мысалы, көпполюсті қуатты машиналардың статорының өзекшесінің сыртқы диаметрі 900 мм үлкен болса, статор өзекшесінің пластиналарын жеке сегменттерден жасайды, жеке сегменттер құрастырған кезде цилиндр тәрізді форма құрайды.

Синхронды машиналар роторының құрылысына байланысты екіге: айқын полюсті – (явнополюсный) және айқын емес полюсті (неявнополюсный) болып бөлінеді (9.1- сурет).

9.1-сурет. Синхронды машиналардың құрылысы

а –айқын емес полюсті; б –айқын полюсті.

Айқын полюсті синхронды машиналар – баяу қозғалатын болса, айқын емес полюсті синхронды машиналар жылдам қозғалатын болып табылады.

Синхронды машиналар кезкелген электрлік машиналары секілді –қайтымды, яғни генератор ретінде де қозғалтқыш ретінде де жұмыс жасайды. Сонымен қатар синхронды машиналардың ерекшелігі олардың қоректенетін ток көзіне реакивті қуатты генерациялайтын режимде яғни компенсатор ретіндеде жұмыс жасай алуы.

Синхронды машиналардың ең көп қолданылатын саласы олардың генератор ретінде қолданылуы (жербетіндегі электр-энергиясы синхронды машиналар көмегімен өндіріледі.) Синхронды генератор бірінші реті энергия көзіне байланысты, яғни механикалық энергияны қандай жолмен алуына байланысты үшке бөлінеді. Турбо генератор – бу турбинасы (1500 – 30000 об/мин.) гидравликалық турбина – гидрогенератор (50 – 600 об/мин.) Дизель –генератор – дизель, іштен жану қозғалтқыш (600-1500 об/мин.) Турбо және дизель генераторлардың білігі көбінесе – горизонталь орналастырылатын болып келуі генераторлық режимде жұмыс жасау принципі келесідей болады, яғни ротор өзекшесінде орналасқан қоздырғыш орамдарға қоздыру тоғын беріп, роторды қозғалысқа келтіретін болсақ, ротор орамдары магнит ағымын туғызады, осы магнит ағымы статор орамдарына ( ) жиілігі ЭҚК енгізеді.

синхронды машиналардағы якорь реакциясы

Синхронды генератордың жұмыс процессі барысында онда екі МҚК, яғни қоздырғыш және статордың магнит қозғағыш күші әрекет етеді.

Бұл кезде статор МҚК қоздырғыш МҚК әсер етіп, оны күшейтеді немесе оның формасын өзгертіп, әлсіретеді. Статордың МҚК (якорь) қоздырғыш орамдардың МҚК әсері якорь реакциясы деп аталады.

Якорь реакциясы синхронды машинаның жұмыс жасау қасиеттеріне әсер етеді, яғни машинаның магнит өрісінің өзгерісі статор орамдарына енгізілетін ЭҚК және басқада шамалардың өзгеруіне әкеліп соғады. Якорь реакциясының синхронды машинаның жұмысына әсер етуі жүктеменің түрі мен шамасына байланысты.

Синхронды генератор аралас жүктемеге (активті-сыйымдылықты немесе активті-индуктивтілікті) жұмыс жасайды, бірақ якорь реакциясының әсерін білу үшін генератордың шеткі жағдайларда жұмыс жасауын қарастырамыз, олар: активті, сыйымдылықты және индуктивтілікті жүктемелерге жұмыс жасау кездері болып табылады. Ол үшін МҚК векторлық диаграммасын қарастырған дұрыс. Бұл кезде ескеретін жағдай статор орамдарына қоздырғыш магнит ағыны енгізілетін ЭҚК осы магнит ағынынан 90⁰-қа фаза бойынша қалып жүреді, ал статор орамдарындағы ток векторы , векторына қарағанда жүктеме түріне байланысты кезкелген φ-бұрышпен ығысып орналасуы мүмкін.

Жүктеме индуктивті (φ=90⁰), таза индуктивті жүктеме кезінде генератордың статорлық тоғы , ЭҚК 90⁰-қа қалып қояды, сондықтан ол максималь шамаға ЭҚК-нің максималь мәніне сәйкес келетін орнынан 90⁰-қа алға жылжыған кезде ие болады. Бұл кезде статордың МҚК қоздырғыш орамдардың МҚК қарама-қарсы ротор полюстерінің осі бойынша әрекет етеді. Статордың МҚК мұндай әсері машинаның өрісін әлсіретеді, яғни якорь реакциясы индуктивті жүктеме кезінде бойлық-магнитсіздендіргіш әсерде болады, бірақ магнит өрісінің формасы бұзылмайды (ерекшелігі осы)

Жүктеме сыйымдылықты φ=-90⁰ тоғы ЭҚК-ін 90⁰-қа озып жүретін болғандықтан ол өзінің максималь мәніне ЭҚК қарағанда ертерек жетеді. Бұл кезде статордың да, ротордың да магнит қозғаған күштері ротор полюстерінің осі бойымен бір бағытта әсер етеді, демек қоздырғыш магнит өрісінің күшейетінін көруге болады. Сонымен сыйымдылықты жүктеме кезінде якорь реакциясы бойлық-магниттендіру әсерінде болады, магнит өрісінің формасы өзгермейді.

Жүктеме индуктивті немесе сыйымдылықты болғандағы синхронды машинаның векторлық диаграммалары сәйкесінше 9.2, а және б - –суреттерде көрсетілген.

9.2-сурет. Жүктеме индуктивті, сыйымдылықты болғандағы синхронды машинаның векторлық диаграммалары

Жалпы алғанда аралас жүктеме кезінде статор тогы негізгі ЭҚК қарағанда 90⁰ - -90⁰ аралығында орналасатын кез-келген ψ – бұрышқа фазалық ығысып жүреді. Жүктеме активті-индуктивті болғандағы якорь реакциясының МҚК негізгі полюстердің МҚК әсерін 9.5- сурет арқылы талдауға болады.

9.3-сурет. Жүктеме активті-индуктивті болғандағы синхронды машинаның векторлық диаграммасы

Синхронды генераторлардың негізгі сипаттамалары

Синхроннды генераторлар үшін де тұрақты ток генераторлары үшін алынатын сиаттамалар алынады (9.4 -сурет).

9.4-сурет. Синхронды генераторды сынақтау схемасы

Бос жүріс сипаттамасы болғандағы (9.5-сурет). тәуелділігі болып табылады. Синхроннды генератордың магниттік жүйесі тұрақты ток генераторынан өзгеше болғанмен, оның бос жүріс сипаттамасы тұрақты ток генераторынікіне ұқсас.

Сыртқы сипаттама (9.6-сурет) болғандағы тәуелділігі болып саналады. , яғни жүктеме активті-сиымдылықты болғанда алынған сипаттаманы қарастырайық (1-қисық). Жүктеме азйған сайын якорь реакциясының магнитсізендіру әсері мен индуктивті кедергідегі кернеу түсуі төмендейді.

9.5-сурет. Синхронды генератордың бос жүріс сипаттамасы

Бос жүріс кезінде ,ендешекернеудің номиналь ток кезінде өзгеруі

Активті жүктеме (2-қисық) кезінде аз, себебі якорь реакциясының бойлық магнитсіздендіру әсері мардымсыз (незначительно). Жүктеме сиымдылықты болғанда (3-қисық) мәні теріс санға тең, себебі якорь реакциясы бойлық магниттендіргіш сипатта болады.

9.6-сурет. Синхронды генератордың сыртқы сипаттамалары

Реттеу сипаттамалары (9.7-сурет) болғанда тәуелділігі. Ретеу сипаттамалары арқылы белгілі бір жүктеме кезінде кернеудің номиналь мәнін өзгеріссіз ұстап тұру үшін қоздыру тогын қаншалықты өзгерту керек екенін білуге болады.Бұл сипаттамалар да жүктеме түріне байланысты

9.7-сурет. Синхронды генератордың реттеу сипаттамалары