Устройство и принцип действия синхронной машины.

Устройство синхронных машин. Синхронные машины вне зависимости от режима работы состоят из двух основных частей: неподвижного статора, выполняющего функции якоря и ротора, вращающегося внутри статора и служащего индуктором (рис. 4.1).

Статор трехфазной синхронной машины аналогичен статору трехфазного асинхронного двигателя. Он состоит из корпуса /, цилиндрического сердечника 2, набранного из отдельных пластин электротехнической стали, и трехфазной обмотки 3, уложенной в пазы сердечника.

Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит постоянного тока, который создает магнитное поле, вращающееся вместе с ротором. Ротор имеет обмотку возбуждения 4, которая через специальные контактные кольца 5 питается постоянным током от выпрямителя или от небольшого генератора постоянного тока, называемого возбудителем.

В отечественной энергетике также используются синхронные машины с «бесщеточным» возбуждением. Обмотка ротора таких машин питается от выпрямителя, вращающегося вместе с ротором. Выпрямитель в свою очередь получает питание от возбудителя, имеющего вращающуюся вместе с ротором трехфазную обмотку, возбуждаемую неподвижными постоянными магнитами.

Роторы синхронных машин бывают двух типов: с явно выраженными и неявно выраженными полюсами.

Роторы с явно выраженными полюсами (рис. 4.1) применяются в сравнительно тихоходных машинах (80 – 1000 об/мин), например гидрогенераторах; они имеют значительноечисло полюсов. Конструктивно роторы этого типа (рис. 4.2) состоят из вала 6, ступицы 7, полюсов 8, укрепляемых в шлицах ступицы, полюсных катушек 4 возбуждения, размещенных на полюсах. Поверхность полюсного наконечника полюсов имеет такой профиль, что магнитная индукция в воздушном зазоре машины распределяется примерно по синусоидальному закону. Для быстроходных машин (турбогенераторы, синхронные двигатели, турбокомпрессоры и т. п.) явнополюсная конструкция ротора неприменима из-за сравнительно большого диаметра ротора и возникающих в связи с этим недопустимо больших центробежных сил.

Большей механической прочностью обладает ротор с неявно выраженными полюсами. Он состоит (рис. 4.3) из сердечника 1 и обмотки возбуждения 2. Сердечник изготовляется из стальной поковки цилиндрической формы. На его внешней поверхности фрезеруются пазы, в которые закладывается обмотка возбуждения.

Обмотка возбуждения распределяется в пазах сердечника так, чтобы создаваемое ею магнитное поле было распределено в пространстве по закону, близкому к синусоидальному.

Принцип работы и ЭДС синхронного генератора.Работа синхронного генератора основана на явлении электромагнитной индукции. При холостом ходе обмотка якоря (статора) разомкнута, и магнитное поле машины образуется только обмоткой возбуждения ротора (рис. 4.4). При вращении ротора синхронного генератора от проводного двигателя ПД с постоянной частотой n_о магнитное поле ротора, пересекая проводники фазных обмоток статора AX, BY, CZ (рис.4.4,а) наводит в них ЭДС , где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между статором и ротором; l – активная длина проводника; – линейная скорость пересечения проводников магнитным полем.
Выше отмечалось, что индукция Вв воздушном зазоре распределена по синусоидальному закону , где - угол, отсчитываемый от нейтральной линии, поэтому ЭДС в одном проводнике .

Обозначив , получим , т.е. ЭДС в проводниках обмоток статора изменяется по синусоидальному закону. ЭДС отдельных проводников каждой обмотки статора сдвинуты по фазе относительно друг друга, поэтому они суммируются геометрически (аналогично ЭДС статора асинхронного двигателя – см. п. 3.8.1). Действующее значение ЭДС одной фазы определяется выражением:

где – обмоточный коэффициент; – частота синусоидальных ЭДС; - число витков одной фазы обмотки статора; - число пар полюсов; – максимальный магнитный поток полюса ротора; – синхронная частота вращения.

Катушки отдельных фаз статора сдвинуты в пространстве на электрический угол, равный 120⁰, и их ЭДС образуют симметричную трёхфазную систему.

Изменяя ток возбуждения , можно регулировать магнитный поток ротора и пропорциональную ему ЭДС генератора. На рис. 4.5 представлена зависимость , снятая при номинальной частоте вращения . Эта зависимость называется характеристикой холостого хода. Форма характеристики напоминает форму кривой намагничивания ферромагнитного сердечника. Характерной особенностью её является отсутствие пропорциональности между магнитным потоком и током возбуждения , что обусловлено явлением насыщения магнитной системы машины.

Принцип действия и вращающий момент синхронного двигателя.Принцип действия синхронного двигателя основан на явлении притяжения разноименных полюсов двух магнитных полей – статора и ротора. Вращающееся поле статора с полюсами N и S создается при питании обмоток статора от трёхфазной сети аналогично вращающемуся полю асинхронного двигателя (на рис. 4.6 полюсы статора N и S показаны штриховкой, вращаются они против часовой стрелки с частотой ). Поле ротора создается постоянным током, протекающим по обмотке ротора. Предположим, что ротор каким либо способом разогнан до синхронной частоты вращения против часовой стрелки. Тогда полюсы ротора и будут вращаться с частотой ; произойдет «сцепление» этих полюсов с разноименными полюсами статора и (см. штрихованные линии на рис. 4.6).
В режиме идеального холостого хода (момент сопротивления ) оси магнитных полей статора и ротора совпадают (рис. 4.6.а). При этом на полюсы ротора действуют радиальные силы и , которые не создают ни вращающего момента, ни момента сопротивления. Если к валу машины приложить механическую нагрузку, которая создает момент сопротивления , ось ротора и его полюсов , сместится в сторону отставания на угол (рис. 4.6,б). Теперь вращающее поле статора как бы “ведёт” за собой поле ротора и сам ротор. Тангенциальные составляющие и создают вращающий момент , где - радиус ротора.

Машина работает в двигательном режиме, её вращающий момент преодолевает момент сопротивления механической нагрузки.

При увеличении момента механической нагрузки на валу ротора угол увеличивается (до некоторого предела), что приводит к увеличению вращающегося момента двигателя , причем частота вращения ротора остается неизменной и равной .

 

10.Нагрев и охлаждение двигателей (ЭМ).

Потери в ЭМ превращаются в тепло и идут на нагрев отдельных частей. Нагрев ЭМ имеет определенный предел, поэтому потери, выделяемые в данной конструкции ЭМ ограничиваются.

Потери в ЭМ устанавливаются исходя из допустимого нагрева изоляции. По нагревостойкости изоляционные материалы делятся на семь классов

	Y	A	E	B	F	H	G
0C							>180

Нагрев ЭМ принято оценивать по температуре превышения

. За предельное значение принято +40 ⁰C.

Допускаемое превышение температуры для обмоток ЭМ зависит от метода её измерения:

Метод термометра. При этом температура измеряется прикладыванием термометра к доступным частям ЭМ.

Метод сопротивления. Температура определяется по сопротивлению обмотки, которое зависит от её нагрева. Этот метод дает среднее превышение температуры.

Метод температурных индикаторов. Предусматривается укладка температурных индикаторов в отдельные части машины и определение температуры в данных точках.

Для выявления общих закономерностей нагрева ЭМ рассматривают как однородное тело. При этом считается, что температура во всех точках ЭМ имеет одинаковое значение, а теплопроводность равна бесконечности. Теплопередача в окружающую среду равномерная со всей поверхности и пропорционально первой степени разности температур. Уравнение баланса теплой энергии в ЭМ

Qdt=c_p∙m∙d( ) + ,

где c_p – удельная теплоемкость, ;

m – масса, кг;

–превышение температуры, ⁰С; –коэффициент теплоотдачи поверхности, ;

S – площадь охлаждаемой поверхности, м².

Первое слагаемое – выделяемое тепло, второе слагаемое – отдаваемое тепло.

Передача тепла в окружающую среду происходит за счет теплопроводности и конвекции. Системы вентиляции электрических машин.

Вентиляция: естественная и искусственная.

Естественная вентиляция в машинах малой мощности и в открытых ЭМ.

Искусственная вентиляция: при помощи вентилятора. ЭМ с искусственной вентиляцией: самовентиляция и независимая вентиляция.

Охлаждаемый воздух подается в ЭМ

1 внутрь (внутренняя вентиляция);

2 наружная вентиляция (обдуваемые ЭМ). Применяется в закрытых ЭМ.

Внутренняя вентиляция: нагнетательная и вытяжная. Предпочтение отдается нагнетательной вентиляции.

Охлаждающий воздух прогоняется вдоль оси вала или в радиальном направлении (аксиальная и радиальная вентиляция).

При аксиальной вентиляции в сердечники ротора продольные вентиляционные каналы, при радиальной вентиляции сердечник ротора - пакеты, между которыми пластины – ветреницы.

При малой длине ротора – аксиальная вентиляция, при большой длине ротора – сочетание аксиальной и радиальной вентиляции.

Вентиляция ЭМ выполняется по разомкнутому или замкнутому циклу.

Использование ЭМ по способам охлаждения устанавливается КОСТ 20459-97. Обозначение способов охлаждения из латинских букв IC. Например, IC 01– защищенная ЭМ с самовентиляцией и вентилятором, расположенным на валу машины; IC0141 – закрытая машина, обдуваемая наружным вентилятором, расположенным на валу машины.

11 .Две разновидности роторов в СМ.

Роторы синхронных машин могут иметь две принципиально различающиеся конструкции: явнополюсную и неявнополюсную.

В энергетических установках по производству электроэнергии переменного тока в качестве первичных (приводных) двигателей синхронных генераторов применяют в основном три вида двигателей: паровые турбины, гидравлические турбины либо двигатели внутреннего сгорания (дизели).

Применение любого из перечисленных двигателей принципиально влияет на конструкцию синхронного генератора.

Если приводным двигателем является гидравлическая турбина, то синхронный генератор называют гидрогенератором.

Гидравлическая турбина обычно развивает небольшую частоту вращения (60—500 об/мин), поэтому для получения переменного тока промышленной частоты (50 Гц) в гидрогенераторе применяют ротор с большим числом полюсов.

Роторы гидрогенераторов имеют явнополюсную конструкцию, т. е. с явно выраженными полюсами, при которой каждый полюс выполняют в виде отдельного узла, состоящего из сердечника1,полюсного наконечника2и полюсной катушки3(рис. 1.2,а).

Все полюсы ротора закреплены на ободе 4, являющемся также и ярмом магнитной системы машины, в котором замыкаются потоки полюсов.

Гидрогенераторы Обычно изготовляются с вертикальным расположением вала .

Рис. 1.2. Конструкция роторов синхронных машин:

а — ротор с явно выраженными полюсами; б — ротор с неявно выраженными полюсами

СМ. 1.4. 05.01.06. 10.02.07.

Паровая турбинаработает при большой частоте вращения, поэтому приводимый ею во вращение генератор, называемый турбогенератором, является быстроходной синхронной машиной. Роторы этих генераторов выполняют либо двухполюсными (n= 3000 об/мин), либо четырех полюсными(п =1500об/мин).

В процессе работы турбогенератора на его ротор действуют значительные центробежные силы. Поэтому по условиям механической прочности в турбогенераторах применяют неявноюлюсныйротор, имеющий вид удлиненного стального цилиндра с профрезерованными на поверхности продольными пазами для обмотки, возбуждения ( рис. 1.2,б).

Сердечник неявнополюсного ротора изготовляют в виде цельной стальной поковки вместе с концами вала или же делают сборным.

Обмотка возбуждения неявнополюсного ротора занимает лишь 2/3 его поверхности (по периметру). Оставшаяся 1/3 поверхности образует полюсы.

Для защиты лобовых частей обмотки ротора от разрушения действием центробежных сил ротор с двух сторон прикрывают стальными бандажными кольцами (каппами), изготовляемыми обычно из немагнитной стали.

Турбогенераторы и дизель генераторы изготовляют с горизонтальным расположением вала.

Дизель генераторы рассчитывают на частоту вращения 600—1500 об/мин и выполняют с явнополюсным ротором .

Большую группу синхронных машин составляют синхронные двигатели, которые обычно изготовляются мощностью до нескольких тысяч киловатт и предназначены для привода мощных вентиляторов, мельниц, насосов и других устройств, не требующих регулирования частоты вращения, например двигатели СДН2.

Двигатели этой .серии изготовляются мощностью от 315 до 4000 кВтпри частотах вращения от 300 до 1000 об/мин и предназначены для включения в сеть частотой 50 Гц при напряжении 6 кВ.

12.Условия рассеяния тепла.

Все виды потерь, происходящие в электрической машине, преобразуются в теплоту, которая частично идет на нагревание машины, а частично отдается в окружающую среду. Условно принято считать, что нагрев происходит равномерно по всему объему ма­шины, а рассеивание теплоты происходит также рав­номерно со всей ее поверхности. В этих условиях уравнение теплового баланса имеет вид

q dt = тс dτ + Sλτdt, (18. 1)где q — количество теплоты, выделяемое в машине в единицу времени (Дж/с):

 

q = ∑Р

∑Р - суммарные потери мощности в двигателе, Вт; тс dτ — количество теплоты, расходуемое на нагре­вание машины; m— масса нагреваемой машины; с— удельная теплоемкость материала машины, т.е. количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг этого материала на 1°С; τ— превышение темпе­ратуры нагрева машины над температурой окру­жающей среды; Sλτ— количество теплоты, рассеи­ваемое с поверхности двигателя в окружающее пространство в единицу времени; λ — коэффициент теплового рассеяния, т.е. количество теплоты, рассеиваемое с единицы поверхности машины в 1 спри превышении температуры на 1°С.

В начальный период работы машина имеет тем­пературу нагрева, не отличающуюся от температуры окружающей среды Θ₁т.е. τ = 0. В этом случае рассеяния теплоты в окружающую среду не происхо­дит, т.е. Sλτdt = 0 и вся выделяемая в двигателе теп­лота идет на его нагревание. Затем, когда температура нагрева двигателя начинает превышать температуру окружающей среды, т.е. τ > 0, часть теплоты, выделяемой в двигателе, начинает рассеиваться в окружающую среду. И, наконец, когда температура нагрева машины достигает установившегося значения Θ_уст = const,вся выделяемая в машине теплота рассеивается в окружающую среду, т.е. наступает режим теплового равновесия:

q dt = Sλτ_уст dt (18.2) где τ_уст = Θ_уст – Θ₁ (18.3) Из (18.2)следует, что τ_ycm = q/ (Sλ) (18.4)

Выражение (18.4) позволяет сделать вывод:

а) установившаяся температура перегрева не зависит от мас­сы машины m, а определяется количеством теплоты q, выделяемой в ней в единицу времени, т.е. мощностью потерь электрической машины АР;

б) установившаяся температура перегрева обратно пропор­циональна площади охлаждаемой поверхности Sи коэффициенту теплового рассеяния λ, т.е. зависит от интенсивности охлаждения машины; в машинах со специальными способами охлаждения (ис­кусственно вентилируемых) τ_уст меньше чем у машин с естествен­ной вентиляцией (при их одинаковой конструкции и условиях ра­боты).

Если машина включается в сеть, когда ее температура равна температуре окружающей среды Θ₁, то зависимость температуры перегрева этой машины τот времени t выражается равенством:

τ = τ_уст (1 – е^{-t / TH} ), (18.5) где е = 2,718 — основание натуральных логарифмов; Т_Н — постоянная времени нагревания, показывающая время (с), необходимое для нагревания машины до установившейся температуры, если бы не было теплового рассеяния с ее поверхности.

График нагревания τ = f (t), построенный по (18.5), представ­ляет собой экспоненциальную кривую, которая показывает, что машина нагревается до установившейся температуры перегрева τ_уст лишь спустя продолжительное время (рис. 18.1, а). Процесс нагревания сначала идет интенсивно, а затем, по мере приближе­ния к установившейся температуре перегрева, замедляется. Теоретически машина достигает установившейся температуры перегрева за время t = ∞. Проведя касательную к графику нагревания в его начальной части, получим отрезок, который в масштабе времени определяет постоянную времени нагревания. Таким образом, физически величину Т_Н можно рассматривать как время, в

 

Рис. 18.1 Графики нагревания (а) и охлаждения (б) электрической машины

те­чение которого превышение температуры достигло бы устано­вившегося значения τ_уст, если бы график нагревания представлял собой прямую линию. Принято считать, что в реальных условиях температура перегрева достигает установившегося значения за время нагревания t = (4 - 5) Т_Н.

Если машину отключить от сети, прекратив этим ее дальней­шее нагревание, то тепловое рассеяние с ее поверхности будет происходить за счет накопленной в ней теплоты. При этом темпе­ратура перегрева машины будет понижаться до τ = 0, т.е. пока температура не станет равной температуре окружающей среды. Этот процесс остывания протекает по графику охлаждения (рис. 18.1, б), построенному по уравнению:

τ = τ_уст е ^{– t / To} , (18.6) где Т₀ — постоянная времени охлаждения, с.

Принято считать, что температура перегрева машины достигает практически нулевого значения за время охлаждения t = (4 —5)Т₀.

Таким образом, постоянные времени нагревания и охлаждения характеризуют скорость процессов. Например, машина на­гревается тем быстрее, чем меньше постоянная времени нагревания.

Итак, в процессе работы электрическая машина нагреваете, при этом для разных ее частей установлены предельно допусти­мые температуры перегрева.

Наиболее чувствительна к перегреву электрическая изоляция обмоток. Под действием температур, превышающих допустимые значения, ускоряется процесс теплового старения изоляции, ухуд­шающий ее изоляционные и механические свойства. Электроизо­ляционные материалы, применяемые в электротехнических изде­лиях, разделяются на пять классов нагревостойкости, обозначаемых А, Е, В, F и Н. В электрических машинах применяют изоляцию трех наиболее нагревостойких классов: В, F и Н. В процессе работы машины изоляция обмоток нагревается неравномерно, при этом измерение температуры нагрева в наиболее горячих точках технически невозможно. Поэтому, согласно действующему стандарту, предельные температуры нагревания изоляции обмоток принимают ниже предельно-допустимых значе­ний соответствующего класса нагревостойкости:

Класс нагревостойкости изоляции	В	F	Н
Предельно-допустимая температура нагрева изоляции, °С
Предельно-допустимая температура нагрева обмоток двигателя,°С
Предельно-допустимые превышения темпера­туры обмоток при Θ1 = 40 °С

Чрезмерный перегрев неблагоприятно влияет и на другие части машины, например, подшипники, контактные кольца и др.

Температура нагрева какой-либо части машины Θ₂ при извест­ной температуре ее перегрева τи температуре окружающей среды Θ₁ =40 °С:

Θ₂ = τ_уст + Θ₁ = τ_уст + 40. (18.7)

Для машин, работающих в условиях повышенных температур окружающей среды, например, в условиях металлургического производства, температуру Θ₁, принимают более 40 °С.

13Хар-р взаимодействия полей статора и ротора в синхронных машинах.

Любая синхронная машина, включенная в электрическую систему, может работать в режиме генератора и двигателя. Режим работы синхронной машины определяется взаимодействием магнитных полей, создаваемых токами в обмотках статора и ротора. Рассмотрим режимы работы двухполюсной машины. Наложение магнитных полей токов в фазных обмотках статора возбуждает в синхронной машине, так же как и в асинхронной, магнитное поле (см. § 14.3), вращающееся с угловой скоростью ω. Приближенное распределение магнитных линий вращающегося магнитного поля в магнитопроводе синхронной машины в режимах генератора(а) и двигателя (б) показано на рис. 15.3 штриховой линией. Распределение линий вращающегося магнитного поля показывает, что приближенно его можно представить в виде вращающейся с угловой скоростью ωпары полюсов, расположенных на статоре.

Аналогичным образом магнитное поле, создаваемое током в обмотке вращающегося ротора, также можно приближенно представить в виде вращающейся пары полюсов, расположенных на роторе. Если пренебречь всеми видами потерь энергии в синхронной машине, то при отсутствии момента на валу ось полюсов ротора будет совпадать с осью полюсов статора. Для того чтобы заставить синхронную машину, включенную в систему, работать в режиме генератора, отдавая в эту систему энергию, необходимо увеличить механический момент, приложенный первичным двигателем к валу машины. Тогда под действием возросшего вращающего момента ось магнитных полюсов ротора повернется на некоторый угол у относительно оси полюсов статора в направлении вращения (рис. 15.3, а). Так как при этом результирующее магнитное поле, создаваемое наложением магнитных полей токов в обмотках ротора и статора, изменится, то ток в обмотках статора также изменится. Взаимодействие этого тока с магнитным полем ротора создает тормозной момент, действующий на ротор. Это и означает преобразование механической мощности первичного двигателя в электрическую мощность генератора, включенного в систему. Магнитные полюсы ротора будут как бы тянуть за собой магнитные полюсы статора. Если теперь приложить к валу машины вместо вращающего тормозной момент механической нагрузки, то ось полюсов ротора повернется на некоторый угол относительно оси полюсов статора против направления вращения (рис. 15.3, б). Вновь возникнут токи в обмотках статора и создадут электромагнитные силы взаимодействия токов статора и магнитного поля ротора, но на этот раз эти силы будут стремиться увлечь ротор в направлении вращения. Электромагнитные силы создадут теперь вращающий момент, при посредстве которого электрическая энергия сети преобразуется в механическую на валу машины; таким путем синхронная машина переходит в режим двигателя.Режим работы синхронной машины изменяется от генераторного на двигательный и обратно в зависимости от механического воздействия на вал машины, причем электромагнитные силы играют роль своеобразной упругой связи между ротором и статором.

14.Энергетическая диаграмма ДПТ.