Синхронные машины продольно-поперечного возбуждения. Асинхронизированные синхронные машины

Эффективное регулирование активной и реактивной мощностей, генерируемых СГ, может быть достигнуто применением СМ с двумя взаимно перпендикулярными обмотками ротора. Питание этих обмоток осуществляется переменным током, тогда синхронные машины называются асин-хронизированными (АСТГ). Наличие двух обмоток позволяет перемещать магнитное поле ротора относительно тела ротора, достигая высоких показателей в отношении устойчивости и управляемости СГ не только в статических, но и динамических режимах.

В нашей стране были разработаны и введены в эксплуатацию первые в мире асинхронизированные СГ мощностью 200 МВт. Работают два АСТГ мощностью 200 МВт каждый, головной образец АСТГ, мощностью 110 МВт; разработана серия АСТГ на мощности 110, 220, 320 МВт, есть асинхронизированные двигатели 315—2000 кВт. Спроектированы и создаются в настоящее время АСТГ на базе серийного турбогенератора ТГВ-300М с водородно-водяным охлаждением.

Синхронные компенсаторы продольно-поперечного возбуждения (КСП-320-2) напряжением 20 кВ представляют собой мощные регулируемые источники реактивной мощности реверсивного действия. Эти компенсаторы предназначены для использования в сетях сверхвысокого напряжения с целью обеспечения требуемых уровней напряжения в узлах их присоединения, уменьшения потерь электроэнергии, повышения пропускной способности и устойчивости линий электропередачи.

Асинхронизированные синхронные генераторы применяются для установок с турбинами непостоянной частоты вращения. Два АСТГ мощностью 50 МВт с 1961 г. действуют на электростанции Кольского полуострова. Асинхронизированный генератор-двигатель мощностью 400 кВт установлен в 1972 г. на электростанции, использующей энергию морских приливов. Машина работает в генераторном и двигательном режимах с частотами вращения, отличающимися от синхронной на +30 %. Схема регулирования и реверсивная система возбуждения обмоток ротора обеспечивают возбуждение машины переменными токами частоты скольжения, благодаря чему в обмотке статора при переменной частоте ротора индуктируются ЭДС постоянной синхронной частоты.

Аналогичный принцип положен в основу ветроэлектрических генераторов, когда частота, амплитуда и фаза токов, протекающих в обмотках возбуждения, определяются программой, формируемой системой регулирования. При этом постоянство частоты ЭДС обмотки статора обеспечивается в широком диапазоне частот вращения ветроколеса.

В системе ОАО «Мосэнерго» в настоящее время вводится в действие АСТГ с индексом ТЗФА-110-2УЗ мощностью ПО МВт, напряжением 10,5 кВ, способный генерировать реактивную мощность 36 200 кВ • А при КПД 98,1 %, в номинальном режиме с коэффициентом мощности 0,95. В режиме с выдачей реактивной мощности и коэффициентом мощности 0,91 АСТГ генерирует реактивную мощность 45 500 кВ • А. В режиме потребления реактивной мощности и коэффициенте мощности 0,84 АСТГ потребляет реактивную мощность 63 000 кВ • А. Обмотки ротора АСТГ имеют две фазы, выполненные со сдвигом 90°, число контактных колец ротора 4.

Асинхронные двигатели

Успешная работа электрических станций может быть обеспечена только при надежном функционировании многочисленных механизмов собственных нужд (МСН). Основные видом привода для МСН служат электродвигатели, главным образом асинхронные. Асинхронные двигатели (АД), часто называемые в зарубежной литературе индукционными, отличаются от синхронных двигателей тем, что частота вращения их роторов непостоянна, т.е. зависит от нагрузки. С возрастанием нагрузки частота вращения АД уменьшается. Предельный допустимый момент механической нагрузки достигает двух- трехкратного номинального значения, частота вращения при этом снижается по сравнению с синхронными двигателями на 10—15 %.

Особенно многочисленными являются двигатели собственных нужд тепловых электростанций (ТЭС), приводящие в движение механизмы подготовки и транспортировки топлива, мельницы, грохоты, дробилки, конвейеры. Обширно хозяйство тягодутьевых механизмов (дымососов, вентиляторов), различных компрессоров, насосов, используемых в системах водоснабжения, смазки и других устройств технологического обеспечения. Следует отметить также приводные устройства клапанов задвижек, заслонок, подъемно-транспортной техники.

Аналогичное оборудование применяется и на гидроэлектростанциях (ГЭС), хотя и в существенно меньших масштабах, так как на ГЭС, очевидно, нет необходимости в комплексе, отвечающем за подготовку топлива.

Большая часть МСН относится к устройствам высокой ответственности, остановка которых может привести к повреждениям и авариям основного оборудования, производящего энергию, т.е. турбо- и гидрогенераторов. В первую очередь к этой группе относятся питательные и бустерныенасосы, тягодутьевые механизмы. Например, прекращение подачи воды в котел ТЭС требует принятия практически немедленных мер к снижению его нагрузки, а в дальнейшем — к останову.

При остановке дутьевых вентиляторов или дымососов ТЭС требуется снижение производительности котлов. К ответственному оборудованию, непосредственно влияющему на работу блоков ТЭС, относятся также конденсатные, циркуляционные и сетевые насосы, мельницы, вентиляторы, насосы смазки и системы охлаждения генераторов, трансформаторов, приводы задвижек и другие устройства.

К условно «неответственным» механизмам относятся такие, прекращение которых не приводит к существенному изменению нагрузки основного оборудования, однако основное оборудование ТЭС и ГЭС, а также вспомогательные устройства жестко связаны в едином технологическом цикле. Нарушения работы большинства МСН оказывают воздействие на работу основного оборудования. Взаимосвязь между работой основного оборудования и МСН обеспечивается действием устройств регулирования, реализуемым при сложном характере управления приводными двигателями.

Основным видом привода для МСН служат электродвигатели, главным образом асинхронные с короткозамкнутой обмоткой ротора. Относительно небольшую зону занимают синхронные двигатели, а для некоторых механизмов, в том числе и резервных, применяют и двигатели постоянного тока.

Система питания асинхронных двигателей (АД) включает в себя источники электроснабжения, распределительные устройства (РУ) и сети 6,3—10,5 кВ, понижающие трансформаторы, РУ и сети 0,4 кВ, выпрямительные установки, сети постоянного тока.

Применяемые АД для привода ответственных МСН энергоблоков ТЭС мощностью от 200 до 8000 кВт частотой вращения (300—3000) 1/мин напряжением 6 кВ устанавливаются непосредственно на площадке ТЭС, а напряжением 10 кВ — на удаленных объектах (например, на береговых насосных станциях). По мере развития регулируемого по частоте вращения привода находят применение и двигатели с фазным ротором, в которых обмотка ротора не короткозамкнутая типа «беличьей клетки», а сходна с трехфазной обмоткой статора. Такие двигатели применяются для привода мельниц-вентиляторов и тягодутьевых механизмов.

До недавнего времени комплектация МСН осуществлялась АД общепромышленного назначения. Частые пуски, необходимость регулирования частоты вращения, определяемой режимом нагрузки ТЭС, повышенные моменты инерции многих механизмов потребовали создания новых вариантов двигателей и качественно иных типов приводов, предназначенных для эксплуатации в условиях электростанций. Работа значительного числа энергоблоков при меняющихся и неполных нагрузках, т.е. существенное возрастание доли времени работы станций в регулировании нагрузки приводят к необходимости внедрения регулируемого электропривода МСН. Применение двухскоростных АД, нередко используемых на станциях, не дает полного решения проблемы.

Частые пуски АД и переключения схем обмоток статоров с целью изменения числа их полюсов снижают уровень надежности как самих приводных двигателей, так и коммутирующей аппаратуры, рассчитанной на ограниченное число прямых пусков.

Регулируемый электропривод представляет собой комплексную систему, состоящую из АД, преобразователя частоты (ПЧ) напряжения и управляющих цепей автоматического управления режимами.

Такой привод получил название частотно-регулируемого, где для различных ПЧ используются тиристорные и транзисторные полупроводниковые ключи. Во всем диапазоне нагрузок КПД преобразователя частоты с асинхронными двигателями весьма высок (96-—99 %).

Применение этого типа привода позволяет существенно снизить энергопотребление МСН, улучшить условия их эксплуатации, увеличить надежность, снизить расходы на ремонт, облегчить условия весьма тяжелых пусков мощных механизмов. Расчеты и исследования показывают, что эффективность применения регулируемых приводов переменного тока дает экономию энергии в 8—14 %, а также уменьшает удельный расход топлива на ТЭС.

Опыт практического использования частотно-регулируемого привода представляется весьма перспективным при небольших сроках окупаемости и масштабы его применения будут возрастать, особенно с интенсивным внедрением новых элементов силовой полупроводниковой техники, унифицированных систем управления, защиты и диагностики с использованием микропроцессорной техники, а также новых высоконадежных синхронных вентильно-реактивных двигателей.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит принцип обратимости электрических машин?

2. Опишите конструкцию синхронной машины (СМ).

3. Каково чередование полюсов СМ?

4. От чего зависит частота генерируемого напряжения СМ? Назовите частоты вращения СМ в Европе и США.

5. Объясните принцип действия СМ.

6. Что такое угонная частота вращения синхронных генерагоров?

7. Объясните особенности способов охлаждения турбо- и гидрогенераторов.

8. Охарактеризуйте задачи и структуру систем возбуждения СМ.

9. Изобразите характеристики СГ, работающих на автономную нагрузку.

10. Как правильно включить СГ на параллельную работу с сетью?

11. Что означает статическая устойчивость СГ?