Обратимость синхронного генератора
Синхронные машины применяются также в качестве электрического двигателя, особенно в установках большой мощности (свыше 50 кВт).
Для работы синхронной машины в режиме двигателя обмотку статора подключают к трёхфазной сети, а обмотку ротора к источнику постоянного тока. В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля машины с постоянным током обмотки возбуждения, возникает вращающий момент М, который увлекает его со скоростью магнитного поля.
Условия включения синхронного генератора в сеть
Для включения генератора в сеть необходимо:
Ø одинаковое чередование фаз в сети и генераторе;
Ø равенство напряжения сети и ЭДС генератора;
Ø равенство частот ЭДС генератора и напряжения сети;
Ø включать генератор в тот момент, когда ЭДС генератора в каждой фазе направлена встречно напряжению сети.
Невыполнение этих условий ведёт к тому, что в момент включения генератора в сеть возникают токи, которые могут оказаться большими и вывести генератор из строя.
Особенности применения синхронных машин
Конструкция синхронного генератора определяется типом привода, в зависимости от этого различают турбогенераторы, гидрогенераторы и дизель-генераторы.
Турбогенераторы – быстроходные неявнополюсные машины (цилиндрический ротор) выполняются, как правило, с двумя полюсами, приводятся во вращение быстроходными паровыми или газовыми турбинами .
Гидрогенераторы – в большинстве случаев тихоходные явнополюсные машины, выполняемые с большим числом полюсов и вертикальным валом, приводятся во вращение гидротурбинами. Гидрогенераторы – явнополюсные синхронные машины, приводятся во вращение сравнительно тихоходными гидравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50÷500 об./мин., поэтому для получения напряжения частотой 50 Гц их выполняют с большим числом полюсов. В генераторах мощностью 590-640 МВ·А диаметр ротора достигает 16 м, при активной длине 1,75 м. Гидрогенераторы – электрические машины индивидуального исполнения, имеющие большое многообразие конструктивных решений. Наибольшее распространение получили вертикальные гидрогенераторы подвесного типа, вертикальные гидрогенераторы зонтичного типа и горизонтальные гидрогенераторы капсульного типа .
Дизель-генераторы, представляющие собой в основном синхронные машины с горизонтальным валом, приводятся во вращение двигателями внутреннего сгорания.
В современных синхронных генераторах широко применяют так называемую бесщеточную систему возбуждения. При этом в качестве возбудителя используют синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу. Обмотка возбуждения возбудителя получает питание от подвозбудителя, снабженного регулятором напряжения. При таком способе возбуждения синхронного генератора отсутствуют скользящие контакты, что существенно повышает надежность системы возбуждения. В настоящее время в синхронных генераторах широко применяют компаундирование, т.е. автоматическое изменение тока возбуждения при изменении нагрузки генератора. В генераторах малой и средней мощности используют систему фазного компаундирования. В генераторах значительной мощности более точное регулирование обеспечивается системой с токовым компаундированием и корректором напряжения.
Синхронные компенсаторы
Для генерирования или потребления реактивной мощности с целью улучшения коэффициента мощности сети и регулирования ее напряжения применяют синхронные компенсаторы.
Синхронные компенсаторы, как правило, имеют горизонтальное исполнение вала. Наиболее часто встречающиеся скорости для достаточно мощных компенсаторов – 750, 1000 об/мин, при которых машина выполняется явнополюсной. Диаметр ротора ограничен максимально допустимой скоростью на поверхности ротора и не превосходит 2.5 м. При таких размерах сердечник ротора собирается из толстых стальных листов электротехнической стали, стягиваемых в осевом направлении шпильками, и непосредственно насаживается на вал. Полюса этих машин имеют такую же конструкцию, как и в гидрогенераторах. Для синхронных компенсаторов характерно наличие роторов облегченной конструкции, так как вал ротора не должен передавать значительный вращающий момент. Синхронные компенсаторы устанавливают в помещениях или под открытым небом. Во втором случае их выполняют с герметизированным корпусом, герметизация упрощается тем, что выводить наружу конец вала в этих машинах не требуется. Компенсатор имеет принципиально ту же конструкцию статора, что и турбогенератор. При мощности до 25 МВ·А синхронные компенсаторы имеют воздушное охлаждение, а при больших мощностях – водородное. На валу компенсатора расположены вентиляторы, которые обеспечивают циркуляцию охлажденного газа.
Синхронные электродвигатели
Синхронные машины широко используют и в качестве электродвигателей при мощности 100 кВт и выше для привода насосов, компрессоров, вентиляторов и других механизмов, работающих при постоянной частоте вращения. Синхронные двигатели выполняют с горизонтальным расположением вала. При частотах вращения от 100 до 1000 об/мин электродвигатели выполняют явнополюсными, а при 1500 и 3000 об/мин – неявнополюсными. Эти машины изготовляются с применением щитовых или стояковых подшипников. Охлаждение двигателей воздушное, с самовентиляцией. В тихоходных машинах на ободе ротора у каждого полюса устанавливаются небольшие лопатки, заменяющие собой вентилятор.
На полюсах двигателей и синхронных компенсаторов, кроме обмотки возбуждения, всегда располагается демпферная обмотка, с помощью которой осуществляется пуск синхронной машины. В зависимости от условий пуска стержни демпферной обмотки могут быть медными и латунными.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с теоретическими сведениями и выражениями, необходимыми для расчетов.
Индуцированная ЭДС:
Еа= СЕ·Ф·n , В
Частота вырабатываемого переменного тока:
f = n р/60 , Гц
Выходное напряжение:
U1 = Еа – Zа·I1 , В
Протекающий по обмотке якоря ток нагрузки вызывает появления магнитного поля якоря, что приводит к изменению общего магнитного поля машины (реакция якоря) и соответственно влияет на выходное напряжение. Для поддержания неизменного выходного напряжения при переменной нагрузке изменяют магнитный поток генератора путём регулирования тока возбуждения машины.
В лабораторном стенде используется однофазный синхронный индукторный генератор, приводящийся во вращение асинхронным двигателем. Обмотка возбуждения машины питается от отдельного источника постоянного тока. КПД генератора при его работе на активную нагрузку определяется как отношение активной мощности на выходе к активной мощности, потребляемой от сети приводным двигателем с учетом КПД двигателя:
η = Р/3·Рф·ηд ,
где: Р= U1· I1 , Вт; ηд = 0.8.
2. Ознакомиться с лабораторным стендом, записать паспортные данные синхронного генератора.
3. Собрать электрическую схему для исследования синхронного генератора и представить ее для проверки преподавателю (рис.10.7).
Рис. 10.7 - Схема подключения синхронного генератора
4. Запустив двигатель, привести генератор во вращение с номинальной частотой.
5. При отключенной нагрузке снять характеристику холостого хода путем изменения тока возбуждения от нуля до максимально возможного значения ЭДС, выполнив 5-6 измерений. Результаты измерения занести в таблицу 10.1.
6. Регулируя ток возбуждения установить выходное напряжение генератора равное половине от максимального, полученного в опыте холостого хода.
Таблица 10.1 - Характеристика холостого хода генератора
| I2 , А | ||||||
| U1ХХ , В |
7. Нагружая генератор, включением Rн, снять внешнюю характеристику генератора при активной нагрузке. Данные записать в табл.10.2.
8. Нагружая генератор, включая секции конденсаторной батареи, снять внешнюю характеристику генератора при ёмкостной нагрузке. Данные записать в табл.10.2.
9. Снять регулировочную характеристику, для этого увеличивая выходной ток генератора включением ламп, поддерживать напряжение на зажимах генератора постоянным изменением тока возбуждения. Данные записать в табл.10.3.
Таблица 10.2 - Внешняя характеристика генератора
| I1 , A | |||||||||
| активная | U1 , B | ||||||||
| нагрузка | РФ, Вт | ||||||||
| P, Вт | |||||||||
| η, % | |||||||||
| ёмкостная | I1 , A | ||||||||
| нагрузка | U1 , B |
Таблица 10.3 - Регулировочная характеристика генератора
| I1, А | |||||||||
| I2, А |
10. По результатам опытов построить основные характеристики генератора: холостого хода U1=f(I2) , внешнюю U1= f(I1), регулировочную I2=f(I1) и зависимость КПД генератора от выходной мощности η=f(P). Сделать выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. Поясните принцип действия синхронного генератора.
2. В чем выражается принцип обратимости синхронного генератора?
3. Укажите особенности использования синхронных генераторов на гидроэлектростанциях.
4. Какова конструкция синхронных машин с явнополюсным и неявнополюсным ротором?
5. Какие способы возбуждения применяют в синхронных генераторах?
6. Можно ли регулировать напряжение синхронного генератора изменением частоты вращения ротора?
7. Почему внешние и регулировочные характеристики синхронного генератора при активной, активно-индуктивной и активно-емкостной нагрузках не совпадают?
8. Как включить синхронный генератор, чтобы он работал двигателем?
9. Как изменить частоту напряжения синхронного генератора?
10. Как влияет на КПД генератора реактивные нагрузки?
11. Укажите область применения синхронных компенсаторов.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11