Глава5 Электрические машины

Электрические машины работают на принципе электромаг­нитной индукции и функционируют в виде электрогенерато­ров, электродвигателей и синхронных компенсаторов. Бывают однофазные и трехфазные электрические машины, синхронные и асинхронные, коллекторные и бесколлекторные, постоянного и переменного тока и т.д. [16]. На рис. 8.1 приведена классифи­кация электромашин.

5.1Электрические генераторы. В зависимости от первичного дви­гателя конструкции генератора придаются соответствующие фор­мы и параметры: скорость вращения ротора, система возбуждения обмоток, напряжение выходного тока, число полюсов обмотки, способ охлаждения обмоток ротора и статора, схема соединения обмоток и т.д. Техническое наименование электрогенераторов происходит от первичного источника.

Электрические генераторы, приводимые во вращение с по­мощью тепловых двигателей (паровых турбин,' газовых турбин, дизельных и поршневых машин), называются турбогенераторами, электромашины гидротурбин — гидрогенераторами, вет­ромашин — ветрогенераторами, фотоэлементов — солнечными батареями или гелиогенераторами и т.д.

Рис. 51. Классификация электрических машин

По принципу получения электротока генераторы можно раз­делить на две большие подгруппы: генераторы приводные (т.е. вращаемые каким-либо механическим приводом) и генераторы прямого действия. К первой группе относятся уже упомянутые турбогенераторы, гидрогенераторы и т.д. Небольшие генерато­ры могут иметь привод даже ручной (до 0,1 кВт), велосипедный (до 0,5 кВт) или от тяглового животного (слона, лошади, верб­люда, быка и др.). Характерной особенностью таких ге­нераторов является наличие обмоток ротора и статора. Кроме того, обмотка ротора должна постоянно питаться (возбуждаться током) от независимого источника электричества. На крупных генераторах в качестве возбудителя используются специальные вращающиеся на одном с ними валу электромашины-возбуди­тели, либо ток подается в обмотку ротора от другого источника: аккумулятора, выпрямительной установки, батареи сухих элементов и т.д. Без возбуждения роторной обмотки в обмотке статора генерации тока не будет. Генераторы, имеющие систему возбуждения, называются синхронными, так как скорость вра­щения ротора всегда будет кратна частоте тока в электросети. При включении генераторов небольшой мощности (до 100 кВт) в общую электросеть могут применяться также электрогенера­торы без возбуждения (асинхронные). Синхронность оборотов в этом случае будет обеспечиваться за счет реактивного тока самой сети. Генераторы асинхронного типа значительно дешевле и бо­лее просты в эксплуатации, чем синхронные. Наиболее уязвимым узлом электрогенераторов с самовозбуждением является система электропитания «на ходу» обмотки вращающегося ротора, вклю­чающая в себя: коллектор-токоприемник, щеточный аппарат, автомат гашения поля (АГП) на случай аварии и др. устройства. Синхронные генераторы снабжаются специальной колонкой с приборами для синхронизации обмотки ротора с сетью (по ско­рости вращения - частоте тока, по фазе и напряжению тока). Ге­нератор включается в параллельную работу только при равности (синхронности) параметров ротора с параметрами электросети. По мере возрастания единичных мощностей генераторов крупных электростанций (до 0,5 млн кВт и более) сильно уве­личиваются габаритные размеры и вес статора и ротора. Они становятся нетранспортабельными и тяжело монтируемыми, не говоря уже об удорожании стоимости их самих и работ, связан­ных с их перевозкой, монтажом и ремонтом. В целях оптимиза­ции физических параметров крупных электрогенераторов стали применять форсированные режимы охлаждения обмоток статора и ротора. В качестве охлаждающего агента применяют чистый водород давлением до 4 атмосфер и чистый водяной конденсат. Водород получают в станционных электролизерах и по трубоп­роводам подают к генераторам. Отработанный (нагретый) газ охлаждается тут же в охладителях за счет циркуляции общей охлаждающей воды турбоагрегата. То же самое осуществляется с охлаждающим конденсатором. Данная технология охлаждения генератора требует высокого уровня эксплуатации, так как малейшая небрежность или ошибочные действия чреваты взры­вами водорода и пожарами в маслосистеме турбоагрегата (где обращается, кстати, до 40 тонн разогретого машинного масла). Подобные аварии нередки на ТЭС, а последствия их тяжелые и непредсказуемые.

В электрогенераторах средней мощности ограничиваются воздушным охлаждением статорного пространства генератора, с помощью забираемого собственным вентилятором воздуха, ко­торый циркулирует между генератором и воздухоохладителем. Приводные генераторы представляют собой устройства, в кото­рых электроэнергия получается за счет преобразования механи­ческой энергии. Механическая энергия получается, в свою оче­редь, из тепловой, водяной, ветровой или мускульной энергии. Таким образом, электроток получается в результате каскадных преобразований ряда видов энергии. В отличие от приводных, в электрогенераторах прямого действия, энергия другого вида преобразуется в электроэнергию сразу, без промежуточных ста­дий. К подобным генераторам тока относятся: фотоэлементы или солнечные батареи (световой источник), топливные элементы (химический источник), гальванические элементы (химический источник), термоэлектрические генераторы (тепловой источник) и т.д. Данная разновидность электрогенерации чрезвычайно про­ста, а потому надежна и элементарна в обслуживании. Однако, подобные электрогенераторы пока используются в виде очень не­больших источников и преимущественно в качестве автономных, т.е. не связанных с сетями общего пользования. Ограниченное использование их связано с высокой удельной стоимостью, пре­вышающей в сотни и даже тысячи раз стоимость традиционных электростанций. Дороговизна эта, однако, связана не со слож­ностью технологии источников (она, как уже сказано, элемен­тарна и не требует даже постоянного обслуживания). Дороги на сегодня сами материалы, из которых изготавливаются подобные генераторы. Между тем, материалы могли бы быть не дороже, как говорят, пареной репы, если бы их производство было налажено в промышленных масштабах, подобно изготовлению автомобиль­ных шин или персональных компьютеров.

Сейчас же эти материалы, например, кремниевые кристаллы для фотоэлементов выпускаются в мизерных объемах и в услови­ях примитивно-кустарного производства. Потому грамм такого вещества дороже золота, а изделия из него (фотоэлементы) — до­роже бриллиантов. Ясно, что электростанция в один млн кВт, изготовленная с применением таких материалов, будет стоить дороже, чем все золотовалютные запасы процветающего госу­дарства средней величины.

То же самое можно сказать про материалы для топливных элементов, химических батарей и т.д. Следует также заметить, что наряду с указанными имеются еще и такие потенциальные источники энергии, по которым еще не проводились серьезные фундаментальные исследования. Например, энергия постоянных магнитов, гравитационная энергия и т.д. Учитывая, что к середине текущего века истощение запасов нефти, газа и угля вынудит мир к более интенсивным поискам альтернатив, источники прямого действия могут приобрести значимость, если, конечно, промыш­ленное освоение их производства позволит удешевить удельную стоимость на два-три порядка против нынешнего уровня.

Таково состояние развития электрогенераторов. Положение это не является установившимся и долговечным. Наоборот. Раз­нообразие видов и форм генерации электроэнергии изменяется практи­чески так быстро, что предсказать общую перспективу развития данной сферы деятельности невозможно. Несомненно, что бли­жайшие 10-15 лет преобладающим источником электричества ос­танутся крупные стационарные электростанции с синхронными генераторами на ТЭС, ГЭС и АЭС. Тем более, что синхронные генераторы кроме активной энергии, производят еще реактив­ную, создаваемую в электросети колебаниями энергии электро­магнитного поля. Активная и реактивная мощность генератора переменного трехфазного тока определяется произведением на­пряжения, силы тока и косинуса (или синуса) угла сдвига фаз между ними (8.1-8.2), т.е.

где — активная мощность, Вт;

— реактивная мощность, ВАР

— линейное напряжение, В;

— линейная сила тока, А;

— угол сдвига фаз.

5.2 Электродвигатели, в отличие от генераторов, являются пот­ребителями электроэнергии. При этом, электрическая энергия превращается в механическую и используется для привода тех­нологических машин: металлургических станов, мельниц, насо­сов, компрессоров, кранов, транспортных средств (электровозов, трамваев, троллейбусов) и т.д. Поскольку разнообразие меха­низмов хозяйственного назначения бесчисленное множество (от электробритвы до мощных компрессоров и прокатных станов), то и типоразмеров электродвигателей в десятки раз больше, чем генераторов. Они подразделяются на следующие типы: постоян­ного тока и переменного, однофазные и трехфазные, асинхрон­ные и синхронные, открытого и влагонепроницаемого испол­нения, по скорости вращения от тихоходных (100-200 об./мин) до высокоскоростных (3 000 об./мин и более), по мощности от микродвигателей меньше одного ватта до 10 МВт и более и т.д. Ныне в распоряжении людей имеется много миллиардный парк электродвигателей всевозможнейших конструкций и назначений. Число их множится с каждым днем, подтверждая тем самым, что электроэнергия стала для современного человека органичес­кой частью всех форм и видов его жизнедеятельности (если еще добавить к этому использование электричества для освещения, приготовления пищи, холодильников, кондиционеров, средств связи и т.д. и т.п.).

В тех случаях, когда требуется иметь переменные обороты двигателя, используют специального типа двигатели перемен­ного тока (синхронные, со ступенчатым изменением соединения обмоток и т.д.), либо применяют двигатели постоянного тока, позволяющие «на ходу» изменять обороты от нуля для номи­нального значения.

Синхронные компенсаторы. В тех случаях, когда в данной мест­ности или на объекте ощущается нехватка реактивной мощности, применяют синхронные компенсаторы, представляющие из себя синхронную электромашину, работающую в режиме двигателя. Меняя характер нагрузки, с помощью синхронного компенсатора можно повышать коэффициент мощности (косинус) и регулиро­вать напряжение в местной сети.

Трансформаторы

Трансформаторы предназначены для преобразования пара­метров электричества (напряжения и силы тока), и приводят их в соответствие со значениями, необходимыми для тех или иных конкретных целей. Различают следующие виды трансформато­ров: силовые (повышающие или понижающие) и измерительные (тока и напряжения).

Силовые трансформаторы. Воснове действия трансформа­торов лежит известное физическое явление электромагнитной индукции. Состоит трансформатор из первичной обмотки и маг­нитопровода — ферромагнитного сердечника замкнутой формы. Все обмотки находятся на магнитном сердечнике и индуктивно связаны между собой. Иногда вторичной обмоткой служит часть первичной, такие аппараты называются автотрансформаторами. Обмотки трансформаторов изготовляют из меди и алюминия, а магнитопровод — из листов холоднокатаной электротехнической стали толщиной 0,35-0,5 мм (имеющей высокую магнитную про­ницаемость и малые потери на гистерезис и вихревые токи. По способу охлаждения различают сухие и масляные трансформа­торы. К сухим относятся промышленные трансформаторы мощ­ностью до 10 МВА, а также целая серия аппаратов небольшой мощности и специальные трансформаторы: радиотехнические, сварочные, для «переноски» 12 В и др. Подобные трансформа­торы насчитывают миллионы типоразмеров, в т.ч. однофазные и трехфазные, стационарные и передвижные (переносные), двухоб­моточные и многообмоточные, открытого и закрытого исполне­ния, повышательные и понизительные и т.д. Охлаждение обмоток сухих трансформаторов осуществляется за счет естественной цир­куляции окружающего воздуха, т.е. без каких-либо специальных охлаждающих устройств. Однако, в отдельных случаях (из-за пе­регрузов, высокой температуры окружающего воздуха, низкого качества использованных материалов или некачественного из­готовления и т.д.) сухие трансформаторы могут разогреться до температур выше 70 °С, что опасно как для их целостности, так и в пожарном отношении. В таких случаях следует на время от­ключить устройство, пока температура не снизится до значения окружающего воздуха.

В отличие от сухих, масляные трансформаторы погружают в баки с изоляционным маслом, где обмотки охлаждаются за счет непрерывной циркуляции масла через трубчатые масло­охладители, соединенные с баком. Остужаются они водой или воздухом путем обдува вентиляторами. Коэффициент полезного действия мощных силовых трансформаторов составляет 98-99 %. Нетрудно посчитать, что для аппарата мощностью, например, 500 тыс. кВА при КПД 99 % ежечасно выделяется более 4 тыс. кВт или 3,5 Гкал/час тепла. Отводить постоянно такое количество тепла дело весьма непростое, тем более, если на подстанции с десяток крупных трансформаторов. Эксплуатация трансформа­торных подстанций, где имеется, кроме того, немало другого маслонаполненного оборудования (масляные выключатели, из­мерительные трансформаторы и т.д.), осуществляется с учетом количества изоляционных масел на ее территории. Это обстоя­тельство важно при определении систем пожаротушения, схем доставки масла, его регенерации и других вопросов. Серьезной проблемой крупных стационарных электротрансформаторов является их ремонтное обслуживание. Дело в том, что при ка­питальном или аварийном ремонте трансформатора, требуется опорожнить маслобак и вывести наружу сердечник с обмотками. При невозможности местного ремонта аппарат должен быть от­правлен на завод. При этом следует учитывать, что вес крупных трансформаторов достигает сотен тонн, а все операции по разбор­ке его или отправке на завод представляют немалые трудности, связанные с подъемными кранами, способом крепления и транс­портировки, организации сопровождения и т.д. Все эти вопросы должны быть проработаны и решены в периоды проектирования и строительства подстанции.

Силовые трансформаторы в зависимости от их назначения могут быть повышающими или, наоборот, понижающими. Сами эти определения уже подразумевают, для чего служит тот или другой трансформатор, и, соответственно, та или другая подстанция, хотя, строго говоря, выражения «повышающая» и «понижающая» чисто условные, так как в принципе ток может трансформироваться в любом направлении.

Раз существуют такие понятия, то скажем, что повышающие подстанции, как правило, являются элементом схемы выдачи ге­нерируемых мощностей электростанций, так как на самом генера­торном напряжении мало потребления, либо вовсе могут отсутс­твовать потребители. Распределительные же подстанции могут больше относиться к понизительным, т.е. снижающим высокое напряжение (от 500 кВ) до потребительского. Сугубо потреби­тельские подстанции, трансформирующие 6/10 кВ в напряжение 380/220 В еще называют трансформаторными пунктами - ТП, или трансформаторными киосками. Сообразно уровню напряже­ния и мощности трансформаторов каждая подстанция комплек­туется вспомогательным оборудованием, к которому относятся коммутационные аппараты, система электрических (релейных) защит и автоматики, маслохозяйство, щиты и панели управления, противопожарные устройства, воздухо хозяйство (компрессоры и рессиверы) для воздушных выключателей и т.д.

Измерительные трансформаторы. Вотличие от силовых транс­форматоров измерительные трансформаторы имеют меньший разброс типоразмеров, да и сфера их применения сравнительно узка, она ограничена лишь необходимостью работы всей системы контроля, измерений и автоматики не под первичным напряжением (от 0,4 до 500 кВ) при силе тока, превышающей тысячи ампер, а на пониженных (трансформированных) парамет­рах. На электростанциях и подстанциях наиболее распространено применение во вторичных цепях напряжения - до 100 В и силы тока — до 5 А.

Специальные трансформаторы. Наряду с силовыми и измери­тельными трансформаторами практикуется применение транс­форматоров специального назначения. Среди них наиболее по­пулярны сварочные трансформаторы и трансформаторы безопас­ного осветительного напряжения 12 В переменного тока.

Сварочные трансформаторы применяются для дуговой сварки и резки металла. Первичное напряжение у таких аппаратов может быть 220 или 380 В, используется одна фаза трехфазной сети. Вторичное рабочее напряжение составляет 25-40 В. Оно считается условно безопасным, потому что при сухой обстановке пораже­ние этим током маловероятно. Однако в дождливую погоду или при работах во влажной среде (прокладка труб в земле, работы в резервуарах и т.д.) сварочные работы опасны смертельным пора­жением электротоком. Во избежание несчастных случаев следует (по правилам безопасности) заземлять и аппарат, и объект сварки, работать при этом надо в специальном (сварочном) костюме, в каске и рукавицах. Величина сварочного тока составляет у раз­личных аппаратов от ПО до 400 А и более.

Что касается безопасного напряжения 12 В, то на отдельных участках электростанции и других энергообъектах делаются спе­циальные разводки этого тока (в кабельных каналах, газовом и мазутном хозяйстве и др.), где местное освещение выполняется на 12 В, либо к этой сети подключаются переносные освети­тельные устройства. Имеется целая номенклатура переносных трансформаторов на 12 В, которыми пользуются во всех случа­ях, когда приходится иметь переносные осветительные лампы («переноски»).