Синхронные машины, синхронный генератор (лекция 3)

1.

Самарский государственный университет путей сообщения
«Э Л Е К Т Р О Т Е Х Н И К А»
Автор: Буштрук Т.Н.
г. Самара 2020

2.

Электрические СИНХРОННАЯ МАШИНА (ГЕНЕРАТОР, ДВИГАТЕЛЬ) (устройство)

3.

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР
Сведения из теории. Работа машины в различных режимах и свойства самой машины определяются ее
характеристиками. С помощью характеристик удобно анализировать работу генераторов. При
изолированной работе генератора характеристики устанавливают зависимость между напряжением U
якорной обмотки, ее током I1, током возбуждения IВ и частотой вращения f.
Характеристикой холостого хода синхронного генератора (рисунок 4) называется графическая
зависимость ЭДС Е1, возникающей в обмотке статора от тока возбуждения ротора IВ при постоянной
частоте f = const и токе статора равном нулю I1 = 0. Характеристика холостого хода определяется
экспериментальным путем.
Изменение напряжения при различных нагрузках генератора можно видеть по внешней характеристике.
U f (I1)
Внешняя характеристика синхронного генератора дает зависимость
при IB = const, cosj = const, и f = const. Внешние характеристики синхронного генератора приведены на
рисунке 4.
а)
б)
Рисунок 4. Характеристики СГ: а) – холостого хода, б) – внешние

4.

Регулировочной характеристикой называется зависимость IВ =f(I1) при
постоянных значениях напряжениях на зажимах генератора U = UН, скорости
вращения f = fН и коэффициенте мощности cosj = const. Регулировочные
характеристики СГ представлены на рисунке 5.
Рисунок 5. Регулировочные характеристики синхронного генератора

5.

Генераторы переменного тока, работающие на электрических станциях, в большинстве случаев
являются синхронными машинами.
Синхронная машина состоит из неподвижной части (статора) и вращающейся части (ротора),
разделенных воздушным зазором (рис. 6).
Рис. 6. Устройство синхронной машины: а – явнополюсная; б – неявнополюсная
Ту часть синхронной машины, в обмотке которой наводится ЭДС, принято называть якорем.
Электромагниты (полюсы) вместе с замыкающим их ярмом образуют полюсную систему; ее
иногда называют индуктором. В синхронных машинах обычной конструкции статор служит
якорем, ротор – полюсной системой. Основные преимущества конструкции с вращающимися
полюсами заключаются в том, что здесь возможно осуществить более надежную изоляцию
обмотки неподвижного якоря, более просто, без скользящих контактов соединить ее с сетью
переменного тока. Указанные преимущества особенно существенны для синхронных машин на
большие мощности и высокие напряжения. Устройство скользящих контактов для подвода
постоянного тока к обмотке электромагнитов, называемой обмоткой возбуждения, не
представляет затруднений, так как мощность, подводимая к этой обмотке, составляет
небольшую долю (0,3–2 %) номинальной мощности машины.

6.

Рассмотрим устройство синхронной машины (рис. 6). На внутренней
цилиндрической поверхности сердечника статора 1, набранного из листов
электротехнической стали, имеются пазы, в которых размещается обмотка
якоря 2. Обмотка якоря выполняется трехфазной с таким же числом
полюсов, как и ротор 3. Ротор синхронной машины имеет обмотку
возбуждения 4, питаемую через два контактных кольца и щетки
постоянным током от постороннего источника (независимое возбуждение),
либо током, выпрямленным при помощи выпрямителя, от обмотки якоря
(параллельное возбуждение). Обмотка возбуждения создает магнитный
поток возбуждения ΦВ.
В зависимости от конструкции ротора различают явнополюсные и
неявнополюсные синхронные машины. Синхронные явнополюсные
машины (рис. 1, а) имеют выступающие полюсы, на сердечники которых
надеты катушки обмотки возбуждения. В полюсных наконечниках в
специальных пазах размещены стержни 5. С торцевых концов стержни
замкнуты короткозамыкающими кольцами и образуют тем самым
короткозамкнутую обмотку по типу «беличья клетка», исполняющую роль
успокоительной (демпферной) обмотки. В синхронных двигателях эта
обмотка выполняет еще и роль пусковой обмотки. Неявнополюсные
машины (рис. 1, б) имеют цилиндрический ротор, в которой фрезеруются
пазы для укладки обмотки возбуждения. Третья часть полюсного деления
остается свободной от пазов и образует так называемый большой зубец,
через который проходит главная часть потока возбуждения.

7.

При включении нагрузки по обмотке статора пойдет ток I1, который
изменяется с частотой, равной частоте ЭДС статора. На статоре имеются
три обмотки, сдвинутые в пространстве; при нагрузке их токами,
сдвинутыми во времени, возникает вращающийся магнитный поток
статора Ф1, скорость вращения которого определяется частотой тока
статора:
n= (60f)/p .
Частота тока статора f зависит от скорости вращения магнитного потока
ротора. Следовательно, магнитный поток статора Ф1 будет вращаться с
той же скоростью, с какой вращается магнитный поток ротора Ф0. Поток
статора Ф1 будет влиять на поток полюсов Ф0, изменяя последний.
Действие магнитного потока статора на магнитный поток полюсов
называется реакцией якоря (статора) синхронной машины, поэтому поток
статора Ф1 называют также потоком реакции якоря. Оба потока будут
вращаться в одну и ту же сторону, так как следования фаз статора
определяется направлением вращения ротора. Следовательно, можно
произвести геометрическое сложение магнитных потоков (или их
намагничивающих сил) и найти результирующий магнитный поток
машины.

8.

Электрические машины СИНХРОННАЯ МАШИНА (ДВИГАТЕЛЬ)
Сведения из теории. Синхронным двигателем называется машина, преобразующая электрическую
энергию переменного тока в механическую энергию при неизменной скорости вращения ротора, равной
скорости вращения магнитного поля статора и не зависящей от нагрузки.
Синхронный двигатель нельзя пускать в ход непосредственным включением в сеть, так как ротор не
может сразу развить скорость, необходимую для синхронного вращения с полем статора. При
неподвижном роторе (т. е. в момент пуска) вращающий момент синхронного двигателя равен нулю.
Существуют два основных способа пуска синхронного двигателя:
а) пуск с помощью вспомогательного двигателя, или синхронный пуск;
б) асинхронный пуск.
Пуск синхронного двигателя с помощью вспомогательного двигателя аналогичен включению
синхронного генератора на параллельную работу с мощной сетью.
Вспомогательный двигатель приводит во вращение ротор синхронного двигателя со скоростью, равной
скорости вращения поля статора. Затем в обмотку ротора подают постоянный ток и, соблюдая все
условия синхронизации, включают обмотку статора в сеть. После этого вспомогательный двигатель
отсоединяют. Наиболее распространен асинхронный пуск синхронного двигателя (рисунок 6).
Рисунок 6. Схема асинхронного пуска синхронного двигателя

9.

Электрические машины СИНХРОННАЯ МАШИНА (ДВИГАТЕЛЬ)
Синхронный компенсатор (СК) представляет собой синхронный
двигатель облегчённой конструкции, предназначенный для работы
на холостом ходу. При работе в режиме перевозбуждения СК является
генератором реактивной мощности. Наибольшая мощность СК в режиме
перевозбуждения называется его номинальной мощностью.
Основные потребители электрической энергии, кроме активной
мощности, потребляют от генераторов системы реактивную мощность. К
числу потребителей, требующих большие намагничивающие реактивные
токи для создания и поддержания магнитного потока, относятся
асинхронные двигатели, трансформаторы, индукционные печи и другие.

10.

В связи с этим распределительные сети обычно работают с отстающим током. Реактивная
мощность, вырабатываемая генератором, получается с наименьшими затратами. Однако
передача реактивной мощности от генераторов связана с дополнительными потерями в
трансформаторах и линиях передач. Поэтому для получения реактивной мощности
становится экономически выгодным применение синхронных компенсаторов, располагаемых
на узловых подстанциях системы или непосредственно у потребителей. Для создания
пускового момента в пазы на полюсных наконечниках закладывают короткозамкнутую
пусковую обмотку. Она состоит из стержней, замкнутых между собой. Подобную обмотку
применяют и у генераторов для сглаживания качания ротора. В генераторах эта обмотка
носит название успокоительной или демпферной.
Рабочими характеристиками синхронного двигателя называются зависимости момента
вращения М, потребляемой мощности Р1, тока статора I1, коэффициента мощности cosj и
коэффициента полезного действия η двигателя от мощности на валу Р2 при постоянном
напряжении U на статоре, токе возбуждения Iв и частоте f. Рабочие характеристики
приведены на рисунке 7.
Рисунок 7. Рабочие характеристики синхронного двигателя

11.

Кривая зависимости момента вращения М показывает, что увеличением мощности
на валу момент линейно возрастает. Ток статора I1 и потребляемая мощность Р1
резко возрастают при увеличении мощности на валу Р2 свыше номинальной, что
приводит к снижению коэффициента мощности cosj и коэффициента полезного
действия η.

12.

ВКЛЮЧЕНИЕ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ НА ПАРАЛЛЕЛЬНУЮ РАБОТУ
На электрических станциях обычно устанавливается несколько генераторов,
работающих совместно. Это необходимо, во-первых, потому, что график нагрузки
станции колеблется в течение суток и по временам года; во-вторых, мощность
современных станций настолько велика, что изготовление генераторов такой
мощности невозможно.
Параллельное включение двух источников электрической энергии необходимо
производить так, чтобы напряжение одного источника в любой момент времени
полностью уравновешивалось напряжением другого источника.
Включение генераторов в общую сеть может быть выполнено двумя способами:
1 – спрсобом точной (ручной) синхронизации, и
2) - способом самосинхронизации.
При включении синхронного генератора параллельно с работающим генератором
или сетью переменного тока необходимо соблюсти условия:
1 - ЭДС генератора Eсг должна быть равной по величине напряжению сети Uc и
направлена навстречу ему . Практически это сводится к выполнению следующих
условий синхронизации: 12 1) равенство ЭДС подключаемого генератора и сети E0 =
Uc; 2) равенство частот генератора и сети fг = fс; 3) одинаковый порядок следования
фаз на зажимах рубильника со стороны генератора и сети; 4) векторы ЭДС
генератора E0 и напряжения сети Uс в момент включения должны быть в
противофазе, т. е. сдвинуты на 180° относительно друг друга. Выполнение первого
условия обеспечивается изменением тока возбуждения, а контроль – вольтметром.
Равенство частот и сдвиг ЭДС и напряжения по фазе на 180° достигается
регулированием скорости вращения ротора. Выполнение 2-го, 3-го и 4-го условий
можно контролировать с помощью синхроскопа. Простейшим синхроскопом является
система трех электрических ламп, включаемых на «погасание» или на «круговой
огонь».

13.

ВКЛЮЧЕНИЕ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ НА ПАРАЛЛЕЛЬНУЮ РАБОТУ
На электрических станциях обычно устанавливается несколько
генераторов, работающих совместно. Это необходимо, во-первых, потому, что
график нагрузки станции колеблется в течение суток и по временам года; во-вторых,
мощность современных станций настолько велика, что изготовление генераторов
такой мощности невозможно. Параллельное включение двух источников
электрической энергии необходимо производить так, чтобы напряжение одного
источника в любой момент времени полностью уравновешивалось напряжением
другого источника.
Включение генераторов в общую сеть может быть выполнено способом
точной синхронизации и способом самосинхронизации. При включении синхронного
генератора параллельно с работающим генератором или сетью переменного тока
необходимо, чтобы ЭДС генератора Eсг была равной по величине напряжению сети
Uc и направлена навстречу ему .
Практически это сводится к выполнению следующих условий синхронизации: 12
1) равенство ЭДС подключаемого генератора и сети Eсг = Uc;
2) равенство частот генератора и сети fг = fс;
3) одинаковый порядок следования фаз на зажимах рубильника со стороны
генератора и сети;
4) векторы ЭДС генератора Eсг и напряжения сети Uс в момент включения должны
быть в противофазе, т. е. сдвинуты на 180° относительно друг друга.
Выполнение первого условия обеспечивается изменением тока возбуждения, а
контроль – вольтметром. Равенство частот и сдвиг ЭДС и напряжения по фазе на
180° достигается регулированием скорости вращения ротора.

14.

УСЛОВИЯ СИНХРОНИЗАЦИИ:
1) равенство ЭДС подключаемого генератора и сети Eсг = Uc;
2) равенство частот генератора и сети fсг = fс;
3) одинаковый порядок следования фаз на зажимах рубильника со стороны
генератора и сети;
4) векторы ЭДС генератора Eсг и напряжения сети Uс в момент включения должны
быть в противофазе, т. е. сдвинуты на 180° относительно друг друга.
Выполнение
первого
условия
обеспечивается
изменением
тока
возбуждения, а контроль – вольтметром.
Равенство частот и сдвиг ЭДС и напряжения по фазе на 180° достигается
регулированием скорости вращения ротора. Выполнение 2-го, 3-го и 4-го условий
можно контролировать с помощью синхроноскопа.
Простейшим синхроноскопом является система трех электрических ламп,
включаемых на «погасание» или на «круговой огонь».
Рис 8. Синхроноскоп

15.

ВКЛЮЧЕНИЕ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ НА ПАРАЛЛЕЛЬНУЮ РАБОТУ
Выполнение первого условия обеспечивается изменением тока
возбуждения, а контроль – вольтметром.
Равенство частот и сдвиг ЭДС и напряжения по фазе на 180° достигается
регулированием скорости вращения ротора.
Выполнение 2-го, 3-го и 4-го условий можно контролировать с помощью
синхроскопа. Простейшим синхроскопом является система трех электрических ламп,
включаемых на «погасание» или на «круговой огонь».
Рассматривая работу синхронного генератора параллельно с сетью, предполагаем,
что сеть обладает бесконечно большой мощностью, т. е. напряжение сети Uc и ее
частота fc не меняются при включении синхронного генератора.

16.

Рис 9. Угловая характеристика СГ