Синхронный и асинхронный генераторы. Отличия
Генератор - устройство, преобразующее один вид энергии в другой.
В данном случае рассматриваем преобразование механической энергии вращения в электрическую.
Различают два типа таких генераторов. Синхронные и асинхронные.
Синхронный генератор. Принцип действия
Отличительным признаком синхронного генератора является жёсткая связь между частотой f переменной ЭДС, наведённой в обмотке статора, и частотой вращения ротора n , называемой синхронной частотой вращения:
n = f / p
где p – число пар полюсов обмотки статора и ротора.
Обычно частота вращения выражается в об/мин, а частота ЭДС в Герцах (1/сек), тогда для количества оборотов в минуту формула примет вид:
n = 60·f / p
На рис. 1.1 представлена функциональная схема синхронного генератора. На статоре 1 расположена трёхфазная обмотка, принципиально не отличающаяся от аналогичной обмотки асинхронной машины. На роторе расположен электромагнит с обмоткой возбуждения 2, получающей питание постоянным током, как правило, через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, расположенных на роторе, и двух неподвижных щёток.
Приводным двигателем (ПД), в качестве которого используется турбина, двигатель внутреннего сгорания либо другой источник механической энергии, ротор генератора приводится во вращение с синхронной скоростью. При этом магнитное поле электромагнита ротора также вращается с синхронной скоростью и индуцирует в трёхфазной обмотке статора переменные ЭДС EA , EB и EC , которые будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120°), образуют симметричную трёхфазную систему ЭДС.
C подключением нагрузки к зажимам обмотки статора С1, С2 и С3 в фазах обмотки статора появляются токи IA, IB
e = 2Blwv = 2πBlwDn
Здесь:
B – магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл;
l – активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, т.е. длина сердечника статора, м;
w – количество витков;
v = πDn – линейная скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с;
D – внутренний диаметр сердечника статора, м.
Формула ЭДС показывает, что при неизменной частоте вращения ротора n форма графика переменной ЭДС обмотки якоря (ста- тора) определяется исключительно законом распределения магнитной индукции B в зазоре между статором и полюсами ротора. Если график магнитной индукции в зазоре представляет собой синусоиду B = Bmax sinα , то ЭДС генератора также будет синусоидальной. В синхронных машинах всегда стремятся получить распределение индукции в зазоре как можно ближе к синусоидальному.
Так, если воздушный зазор δ постоянен (рис. 1.2), то магнитная индукция B в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (график 1). Если же края полюсов ротора «скосить» так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен δmax (как это показано на рис. 1.2), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (график 2), а, следовательно, и график ЭДС, индуцированной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде. Частота ЭДС синхронного генератора f (Гц) пропорциональна синхронной частоте вращения ротора n (об/с)
f = pn
где p – число пар полюсов.
В рассматриваемом генераторе (см. рис.1.1) два полюса, т.е. p = 1.
Для получения ЭДС промышленной частоты (50 Гц) в таком генераторе ротор необходимо вращать с частотой n = 50 об/с (n = 3000 об/мин).
Способы возбуждения синхронных генераторов
Самым распространенным способом создания основного магнитного потока синхронных генераторов является электромагнитное возбуждение, состоящее в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения, при прохождении по которой постоянного тока, возникает МДС, создающая в генераторе магнитное поле.
До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись преимущественно специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями
В синхронных генераторах получила применение также бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе. В качестве возбудителя в этом случае применяют обращенный синхронный генератор переменного тока
В синхронных генераторах, в этом числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.4, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь ПП преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счёт остаточного магнетизма машины.
На рис. 1.4, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подаётся в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на входе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты (БЗ), обеспечивающий защиту обмотки возбуждения (ОВ) от перенапряжения и токовой перегрузки.
Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5 % полезной мощности (меньшее значение относится к генераторам большой мощности).
В генераторах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, расположенными на роторе машины. Такой способ возбуждения даёт возможность избавить генератор от обмотки возбуждения. В результате конструкция генератора существенно упрощается, становится более экономичной и надёжной. Однако, из-за высокой стоимости материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничено машинами мощностью не более нескольких киловатт.
Синхронные генераторы составляют основу электроэнергетики, так как практически вся электроэнергия во всём мире вырабатывается посредством синхронных турбо- или гидрогенераторов.
Так же синхронные генераторы находят широкое применение в составе стационарных и передвижных электроустановок или станций в комплекте с дизельными и бензиновыми двигателями.
Асинхронный генератор. Отличия от синхронного
Асинхронные генераторы принципиально отличаются от синхронных отсутствием жесткой зависимости между частотой вращения ротора и вырабатываемой ЭДС. Разницу между этими частотами характеризует коэффициент s - скольжение.
здесь:
n - частота вращения магнитного поля (частота ЭДС).
n r - частота вращения ротора.
Более подробно с расчётом скольжения и частоты можно ознакомиться в статье: асинхронные генераторы. Частота.
В обычном режиме электромагнитное поле асинхронного генератора под нагрузкой оказывает тормозной момент на вращения ротора, следовательно, частота изменения магнитного поля меньше, поэтому скольжение будет отрицательным. К генераторам, работающим в области положительных скольжений, можно отнести асинхронные тахогенераторы и преобразователи частоты.
Асинхронные генераторы в зависимости от конкретных условий применения выполняются с короткозамкнутым, фазным или полым ротором. Источниками формирования необходимой энергии возбуждения ротора могут являться статические конденсаторы или вентильные преобразователи с искусственной коммутацией вентилей.
Асинхронные генераторы можно классифицировать по способу возбуждения, характеру выходной частоты (изменяющаяся, постоянная),
способу стабилизации напряжения, рабочим областям скольжения, конструктивному выполнению и числу фаз.
Характер выходной частоты и методы стабилизации напряжения в значительной степени обусловлены способом образования магнитного потока.
Классификация по способу возбуждения является основной.
Можно рассмотреть генераторы с самовозбуждением и с независимым возбуждением.
Самовозбуждение в асинхронных генераторах может быть организовано:
а) с помощью конденсаторов, включенных в цепь статора или ротора или одновременно в первичную и вторичную цепи;
б) посредством вентильных преобразователей с естественной и искусственной коммутацией вентилей.
Независимое возбуждение может осуществляться от внешнего источника переменного напряжения.
По характеру частоты самовозбуждающиеся генераторы разделяются на две группы. К первой из них относятся источники практически постоянной (или постоянной) частоты, ко второй переменной (регулируемой) частоты. Последние применяются для питания асинхронных двигателей с плавным изменением частоты вращения.
Более подробно рассмотреть принцип работы и конструктивные особенности асинхронных генераторов планируется рассмотреть в отдельных публикациях.
Асинхронные генераторы не требуют в конструкции сложных узлов для организации возбуждения постоянным током или применения дорогостоящих материалов с большим запасом магнитной энергии, поэтому находят широкое применение у пользователей передвижных электроустановок по причине своей простоты и неприхотливости в обслуживании. Используются для питания устройств, не требующих жёсткой привязки к частоте тока.
Техническим достоинством асинхронных генераторов можно признать их устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям.
С некоторой информацией по мобильным генераторным установкам можно ознакомиться на странице:
Дизель-генераторы.
Асинхронный генератор. Характеристики.
Асинхронный генератор. Стабилизация.
Замечания и предложения принимаются и приветствуются!
Асинхронно – слово греческого происхождения (ασύγχρονα, где: α- отрицание, σύγ — вместе, χρονα – время), используется в русском языке для обозначения (наименования) процессов не совпадающих во времени.
Асинхронной, в электротехнике, принято называть машину, в процессе работы которой частота вращения ротора не равна частоте изменения магнитного поля создаваемого обмотками статора, вызывающего это вращение.
К асинхронным электрическим машинам относятся: асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, асинхронные двигатели с фазным ротором, асинхронные микродвигатели общего применения, асинхронные тахогенераторы и другие, работающие по тому же принципу. Асинхронные электрические машины очень широко распространены благодаря таким качествам как: высокая надёжность, относительно низкая стоимость, приемлемые габариты и вес, просты в обслуживании. С появлением современных частотных преобразователей значительно расширился спектр применения асинхронных электродвигателей, благодаря возможности довольно просто и оптимально реализовывать такие функции как управление по скорости и моменту, вплоть до решения задач позиционирования. Не удивительно, что асинхронные двигатели применяются повсюду, особенно это касается асинхронных электродвигателей, объём выпуска которых занимает около 90% общего объёма мирового выпуска электрических машин.
Принцип действия и режимы работы
Рассмотрим принцип работы асинхронного электродвигателя с помощью электромагнитной схемы (рис.1,а), которая отличается от электромагнитной схемы трансформатора тем, что неподвижный статор 1 представляет собой первичную обмотку, а вращающийся ротор 3 – вторичную. Магнитная связь между ротором и статором зависит от величины воздушного зазора между ними, поэтому, при изготовлении машины, в большинстве случаев, его стараются делать как можно меньше. На статоре расположена обмотка 2, катушки которой размещаются равномерно по его окружности. Обмотку статора (фазы A-X , B-Y, C-Z ) выполняют трёхфазной, или в общем случае многофазной, и соединяют её фазы в Y (звезду) или в (треугольник), что оказывает существенное влияние на такие характеристики как: мощность, плавность хода, величины пусковых токов и других параметров. Обмотку ротора а-x, b-y, c-z также выполняют трёхфазной или многофазной и тоже равномерно размещают по его окружности. В простейшем случаях включения, фазы ротора а-x, b-y, c-z, замыкают накоротко (см. рис. 1,б).
Рис.1. Электромагнитная схема асинхронного двигателя (а – направление электромагнитного момента при работе в режиме двигателя, б – подключение к сети трёхфазного тока) , где: 1- неподвижный статор; 2- обмотка статора; 3- вращающийся ротор; 4- обмотка ротора.Когда обмотки статора асинхронной электрической машины подключены к сети трехфазного тока, в нём создаётся вращающееся магнитное поле, частота вращения которого (n1) синхронна с частотой сети, питающей эти обмотки, и вычисляется по формуле:
n1 = 60 x f1 / p
где: n1 – частота вращения магнитного поля статора; f1 – частота сети; p – число пар полюсов обмоток статора.
Вращающееся магнитное поле индуктирует в проводниках ротора электрической машины ЭДС, что вызывает прохождение по ним тока, взаимодействие которого с магнитным потоком создаёт электромагнитный момент. Направление ЭДС, индуктированной в проводниках обмоток ротора, показано на рисунке 1, а согласно правилу правой руки, для случая, когда вращении магнитного потока (Ф) происходит по часовой стрелке. Крестики и точки на рисунке показывают направление активной составляющей тока ротора, совпадающего по фазе с индуктированной ЭДС.
Известно, что если проводники с током расположить в магнитном поле, то на них будут действовать электромагнитые силы, направление которых можно определить при помощи правила левой руки. Приложенное к каждому проводнику ротора суммарное усилие (Fрез), создаёт электромагнитный момент (М), который “увлекает” ротор за вращающимся магнитным полем, создаваемым обмотками статора.
Ротор вращается, если величина момента (М) достаточна для преодоления внутренних сил трения (подшипники, сопротивление воздуха и так далее), а также тормозного момента, приложенного к валу от приводимого во вращение механизма, если таковой имеется. Установившаяся частота вращения ротора (n2) зависит от соотношения вышеперечисленных сил и создаваемых ими моментов. Очевидно, что при этом будет выполняться соотношение:
0 ≤ n2 <n1. Такой режим работы асинхронного электродвигателя называется двигательным. Разность частот n1 (вращения магнитного поля) и n2 (вращения ротора), выраженную в относительных единицах, принято называть скольжением. Наверное потому, что вращающееся магнитное поле статора “скользит” по обмоткам ротора “увлекая” ротор за собой, подобно скольжению потоков жидкости или воздуха по лопастям турбин гидравлических или пневматических машин.
Скольжение определяют по формуле:
где: s – скольжение; n1 – частота магнитного поля статора; n2 – частота вращения ротора. Скольжение также может быть представлено и в процентном соотношении:
Поскольку, при двигательном режиме выполняется соотношение 0 ≤ n2 <n1, то очевидно, что скольжения для этого режима будет находиться в пределах 1≥ S >0 (или 100%≥ S >0%).
Но асинхронная электрическая машина может работать и в других режимах. Если её ротор разогнать до частоты превышающей частоту магнитного поля статора (то есть n2>n1) при помощи внешнего момента другого механизма (например механически соединить с двигателем, вал которого вращается быстрее), то изменятся направление ЭДС и активной составляющей тока в проводниках обмотки ротора, что вызовет переход машины в генераторный режим работы (рис.2,а). Электромагнитный момент (М), при этом, становится тормозящим изменив своё направление, а электрическая машина, получая механическую энергию от внешнего источника, превращает её в электрическую и отдаёт в сеть, питающую обмотки статора. В генераторном режиме выполняются соотношения: n2>n1, S<0.
Если в момент работы асинхронного электродвигателя в двигательном режиме (когда 0 ≤ n2 <n1, а 1≥S >0) изменить направление вращения магнитного поля статора (например, изменив схему подключения обмоток статора к питающей сети с помощью магнитных пускателей), так чтобы магнитное поле статора стало вращаться противоположно направлению вращения ротора, то машина перейдёт в режим электромагнитного торможения (рис.2,б). При этом, ЭДС и активная составляющая тока в проводниках обмотки ротора будут сохранять (до определённого момента) то же направление, что и в прежнем двигательном режиме. Машина будет продолжать получать энергию от питающей сети, но эта энергия будет направлена на торможение вращения ротора. Электромагнитный момент (М), в данном режиме, как результат взаимодействия электромагнитных сил, направлен против вращения ротора и является тормозящим.
Рис.2. Направление электромагнитного момента в асинхронной машине (а – при работе в генераторном режиме; б – при работе в режиме электромагнитного торможения).На практике, асинхронные двигатели чаще всего работают в двигательном режиме, что, в свою очередь, довольно часто не исключает применений режима электромагнитного торможения электродвигателей.
Итого, кратко повторим, асинхронный электродвигатель работает только при наличии скольжения, то есть неравенстве частот n1 и n2. Только в этом случае в обмотках ротора сможет индуктироваться ЭДС, и как следствие, возникать электромагнитный момент. Поскольку ротор вращается не синхронно с полем статора, машину называют асинхронной.
Принцип действия и устройство электромашин разных типов
Асинхронные и синхронные электродвигатели похожи по конструкции, но есть и отличия.
Устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей
Это самые распространённые машины переменного тока. Такие электродвигатели состоят из трёх основных частей:
- Корпус с подшипниковыми щитами и лапами или фланцем.
- В корпусе находятся магнитопровод из железных пластин с обмотками. Этот магнитопровод носит название статор.
- Вал с подшипниками и магнитпроводом. Эта конструкция называется ротор. В электродвигателях с короткозамкнутым ротором в магнитопроводе находятся соединённые между собой алюминиевые стержни, эта конструкция носит название "беличья клетка". В машинах с фазным ротором вместо стержней намотаны обмотки.
В пазах статора со сдвигом 120° намотаны три обмотки. При подключении к трёхфазной сети в статоре наводится вращающееся магнитное поле. Скорость вращения называется "синхронная скорость".
Справка! В однофазных электродвигателях вращающееся поле создаётся дополнительной обмоткой или конструктивными особенностями статора.
Это поле наводит ЭДС в роторе, возникающий при этом ток создаёт своё поле, взаимодействующее с полем статора и приводящее его в движение. Скорость вращения ротора меньше синхронной скорости. Эта разница называется скольжение.
Рассчитывается скольжение по формуле S=(n1-n2)/n1*100%, где: · n1 - синхронная скорость; · n2 - скорость вращения ротора.
Номинальная величи
на скольжения в обычных электромоторах 1-8%. При увеличении нагрузки на валу двигателя скольжение и вращающий момент растут до критической величины, при достижении которой двигатель останавливается.
В электродвигателях с фазным ротором вместо беличьей клетки в пазах ротора намотаны три обмотки. Через токосъёмные кольца и щётки они подключаются к добавочным сопротивлениям. Эти сопротивления ограничивают ток и магнитное поле в роторе. Это увеличивает скольжение и уменьшает скорость двигателя.
Такие аппараты используются при тяжёлом пуске и в устройствах с регулировкой скорости, например, в мостовых кранах.
Принцип действия синхронных электродвигателей
Эти двигатели устроены сложнее и дороже асинхронных машин. Их достоинство в постоянной скорости вращения, не меняющейся при нагрузке.
Статор синхронной машины не отличается от асинхронной. Отличие в роторе. В отличие от асинхронного двигателя, вращение осуществляется за счёт взаимодействия вращающегося магнитного поля статора и постоянного поля ротора. Для его создания в роторе находятся электромагниты. Напряжение к катушкам подводится при помощи токосъёмных колец и графитных щёток.
Справка! В роторе синхронных машин малой мощности вместо электромагнитов установлены постоянные или просто магнитопровод имеет явновыраженные полюса. Скольжение, как в асинхронных машинах, отсутствует, и частота вращения определяется только частотой питающего напряжения.
Запуск электродвигателей
Асинхронные электрические машины мощностью до 30-50кВт запускаются прямой подачей электроэнергии. С двигателями большой мощности и синхронными машинами дело обстоит сложнее.
Пуск асинхронных двигателей большой мощности
Для запуска таких машин используются разные способы:
- Включение добавочных сопротивлений в цепь статора. Они ограничивают пусковой ток, а после разгона закорачиваются пускателем.
- В аппаратах, предназначенных для работы в сети с фазным напряжением 660 вольт обмотки в сети 380 вольт соединены треугольником. На время пуска они переключаются в звезду.
- В электромашинах с фазным ротором для запуска в цепь ротора включаются добавочные сопротивления. После разгона они закорачиваются.
- При наличии регулировки скорости, переключением обмоток или изменением частоты, двигатель включается на минимальные обороты. После начала вращения, обороты увеличиваются.
Пуск синхронных электромашин
В отличие от асинхронных машин, пуск которых производится взаимодействием поля статора и обмоток или беличьей клетки ротора, синхронную машину необходимо предварительно разогнать до скорости, близкой к синхронной.
- С помощью дополнительного асинхронного двигателя. Так запускаются машины с постоянными магнитами в роторе. При достижении скорости, близкой к синхронной, асинхронхронник отключается и подаётся напряжение в статор синхронного двигателя.
- Асинхронный пуск. В роторе, кроме электромагнита, находится "беличья клетка". С её помощью аппарат разгоняется, после чего в обмотку подаётся постоянное напряжение, и двигатель начинает работать в качестве синхронного.
- Обмотки ротора закорачиваются напрямую или через добавочное сопротивление. После разгона в них подаётся постоянное напряжение.
- При помощи ТПЧ (тиристорного преобразователя частоты) частота питающего напряжения и скорость вращения плавно поднимается до номинальной. Этот способ применяется в механизмах с регулировкой скорости.
Особенности и применение разных видов электродвигателей
У каждого типа двигателей есть достоинства и недостатки по сравнению с другими. Это определяет область их применения. Применение разных типов электромашин зависит от их особенностей конструкции и принципа действия.
Достоинства и использование асинхронных электродвигателей
Такие машины имеют достоинства перед синхронными аппаратами:
- простота конструкции и низкая цена; аппараты с фазным ротором позволяют регулировать скорость вращения и осуществлять плавный пуск без использования преобразователей частоты;
- большое разнообразие мощностей - от нескольких ватт до десятков киловатт.
Кроме достоинств есть недостатки:
- падение скорости вращения при росте нагрузки;
- более низкий КПД и большие габариты, чем у синхронных аппаратов той же мощности;
- кроме активной, такие аппараты потребляют реактивную (индуктивную) мощность, что ведёт к необходимости устанавливать компенсаторы или дополнительно оплачивать реактивную электроэнергию.
Используются такие машины практически везде, где необходимо приведение в движение механизма и есть трёхфазное напряжение 380 вольт.
Применение синхронных машин
- Регулировка путём изменения тока возбуждения cos φ. Это позволяет уменьшить ток потребления, габариты и сечение подводящего кабеля, а также увеличить КПД. Кроме того, такие аппараты используются в качестве компенсаторов реактивной мощности.
- Менее чувствительны к колебаниям напряжения и обладают большей перегрузочной способностью, особенно к ударным нагрузкам. Способность к превышению мощности повышается путём перевозбуждения обмоток ротора. Благодаря этому такие двигатели используются в экскаваторах, гильотинных ножницах и других подобных механизмах.
- Частота вращения не меняется при изменения нагрузки. Поэтому синхронные машины применяются в прецизионных станках в металлургии, машиностроении и деревообатывающей промышленности.
Синхронные машины
7.8 Устройство синхронной машины
Для синхронных машин характерно, что ротор в установившемся режиме вращается с угловой скоростью вращающегося магнитного поля, создаваемого токами в фазных обмотках статора. Это достигается тем, что ротор синхронной машины представляет собой электромагнит с числом пар полюсов, равным числу пар полюсов вращающегося магнитного поля. Взаимодействие вращающегося магнитного поля и полюсов ротора обеспечивает постоянную угловую скорость последнего независимо от момента на валу. Это свойство позволяет использовать синхронные машины в качестве двигателей для привода механизмов с постоянной угловой скоростью. Распространенность синхронных двигателей не так широка, как асинхронных, но, например, в металлургии, их использование становиться необходимым. Единичная мощность синхронного двигателя в приводах большой мощности достигает нескольких десятков мегаватт. Основной областью применения синхронных машин является использование в качестве промышленных генераторов для выработки электрической энергии на электростанциях. Единичная мощность современных электрогенераторов достигает 1500 МВА.
Основными частями синхронной машины являются статор и ротор, причем статор не отличается от статора асинхронной машины. Обмотка статора обычно соединяется звездой. Ротор имеет обмотку возбуждения, которая через контактные кольца и щетки питается постоянным током от возбудителя или от сети переменного тока через выпрямитель. Возбудитель – генератор постоянного тока, установленный на валу ротора.
Принцип действия генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Приводным двигателем ротор приводится во вращение с частотой n1. При вращении ротора, запитанного от возбудителя, магнитный поток тоже вращается и пересекает обмотки статора, в которых индуктируется симметричная трехфазная система ЭДС.
Ротор должен вращаться с частотой вращения поля, следовательно, его синхронная частота вращения равна
|
|
(7.11) |
Частота переменного тока стандартизирована, поэтому для ее получения необходимо обеспечить постоянную, независимую от нагрузки скорость вращения. С этой целью первичные двигатели на электрических станциях оборудуются автоматическими регуляторами скорости.
Роторы синхронных машин могут иметь две принципиально различающиеся конструкции: явнополюсную и неявнополюсную (рисунок 7.5).
В энергетических установках по производству электроэнергии переменного тока в качестве первичных двигателей синхронных генераторов применяют в основном три вида двигателей: паровые турбины; гидравлические турбины и двигатели внутреннего сгорания (дизели).
Рисунок 7.5– Конструкция роторов синхронных машин:
а) явнополюсный; б) неявнополюсный
Если приводным двигателем является гидравлическая турбина, то синхронный генератор называют гидрогенератором. Гидравлическая турбина вращается медленно (60 об/мин) и роторы гидрогенераторов выполняют многополюсными с явнополюсной конструкцией.
Паровая турбина работает при частоте вращения (1500-3000) об/мин, поэтому приводимый ею во вращение генератор, называемый турбогенератором, является быстроходной синхронной машиной. Роторы этих генераторов выполняют двухполюсными или четырехполюсными. В процессе работы турбогенератора на его ротор действуют значительные центробежные силы, поэтому по условиям механической прочности применяют неявнополюсный ротор. Сердечник неявнополюсного ротора изготовляют в виде цельной стальной поковки или же делают сборным. Обмотка возбуждения неявнополюсного ротора занимает 2/3 его поверхности, а 1/3 поверхности – полюсы.
Дизель-генераторы работают с частотой вращения 600-1500 об/мин и выполняются с явнополюсным ротором. Используются в сельском хозяйстве, на транспорте в качестве основного, резервного и аварийного источника электрической энергии.
Рисунок 7.6 – Синхронный генератор (дизель-генератор):
1 – контактные кольца; 2- щеткодержатели; 3- полюсная катушка ротора;
4- полюсный наконечник; 5- сердечник статора; 6- вентилятор; 7- вал
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. Синхронные двигатели конструктивно не отличаются от синхронных генераторов.
Синхронная машина состоит из синхронных двигателей, а также синхронных генераторов. Система переменного тока имеет некоторые преимущества перед системой постоянного тока. Поэтому система переменного тока используется исключительно для выработки, передачи и распределения электроэнергии. Машина, которая преобразует механическую энергию в электрическую энергию переменного тока, называется Синхронный генератор или Генератор переменного тока. Однако, если одна и та же машина может работать в качестве двигателя, это называется синхронным двигателем .
Синхронная машина - это машина переменного тока, удовлетворительная работа которой зависит от соблюдения следующих отношений.
Где,
- N с - синхронная скорость в оборотах в минуту (об / мин)
- - частота питания
- P - количество полюсов машины.
При подключении к электрической системе синхронная машина всегда поддерживает вышеуказанное соотношение, показанное в уравнении (1).
Если синхронная машина, работающая как двигатель, не может поддерживать среднюю скорость (N с ), машина не будет развивать достаточный крутящий момент для поддержания вращения и остановится. Тогда говорят, что двигатель не работает.
В случае, когда синхронная машина работает как генератор, она должна работать с фиксированной скоростью, называемой синхронной скоростью, чтобы генерировать энергию на определенной частоте. Как все приборы или машины предназначены для работы на этой частоте.В некоторых странах значение частоты составляет 50 герц.
Основные принципы синхронной машины
Синхронная машина - это просто электромеханический преобразователь, который преобразует механическую энергию в электрическую энергию или наоборот. Фундаментальное явление или закон, который делает возможными эти преобразования, известны как закон электромагнитной индукции и закон взаимодействия и .
Подробное описание поясняется ниже.
Закон об электромагнитной индукции
Этот закон также называется первым законом Фарадея об электромагнитной индукции.Этот закон относится к производству ЭДС, т.е. ЭДС индуцируется в проводнике всякий раз, когда он пересекает магнитное поле, как показано ниже.
Закон взаимодействия
Этот закон относится к производству силы или крутящего момента, т. Е. Всякий раз, когда токопроводящий проводник помещается в магнитное поле, в результате взаимодействия магнитного поля, создаваемого токонесущим проводником и основным полем, на проводник действует сила производящий крутящий момент. Рисунок показан ниже.
Трехфазная синхронная машина
- Машина, используемая в бытовых приборах, например, небольшая машина, используемая в воздухоохладителях, холодильниках, вентиляторах, кондиционерах и т. Д.
- Однако большие машины переменного тока являются синхронными машинами трехфазного типа по следующим причинам.
- При одинаковом размере рамы производительность трехфазных машин почти в 1,5 раза выше, чем у однофазных машин.
- Трехфазная мощность передается и распределяется более экономично, чем однофазная.
- Трехфазные двигатели запускаются самостоятельно (кроме синхронных двигателей).
- Трехфазные двигатели имеют абсолютно равномерный непрерывный крутящий момент, тогда как однофазные двигатели имеют пульсирующий крутящий момент.
В небольшой синхронной машине обмотка поля размещается на статоре, а обмотка якоря размещается на роторе, тогда как для большой синхронной машины обмотка возбуждения размещается на роторе, а обмотка якоря размещается на статоре.
,Модель Номинальная полная мощность Pn (ВА), среднеквадратичное среднеквадратичное напряжение
Vn (V) и частота fn (Гц). По умолчанию [3730 460 60] для
единицы pu и [1.845e + 04 400 50] для единиц СИ.
Сопротивление статора Rs (Ω или pu) и индуктивность рассеяния
Lls (H или Pu).По умолчанию [0,01965 0,0397] для
единиц Pu и [0,5968 0,0003495] для единиц СИ.
Сопротивление ротора Rr '(Ом или pu) и индуктивность рассеяния
Llr '(H или pu), оба относятся к статору. Этот параметр виден
только когда параметр Ротор типа на вкладке Конфигурация
устанавливается на Wound или Squirrel-cage .
По умолчанию [0,01909 0.0397] для единиц Pu и [0.6258
0,005473] для единиц СИ.
Сопротивление ротора Rr1 '(Ом или pu) и индуктивность рассеяния
Llr1 '(H или pu), оба относятся к статору. Этот параметр виден
только когда параметр Ротор типа на вкладке Конфигурация
установлен на Двойная беличья клетка . По умолчанию
составляет [0,01909 0,0397] для единиц Pu и [0,4155
0.002066] для единиц СИ.
Сопротивление ротора Rr2 '(Ом или pu) и индуктивность рассеяния
Llr2 '(H или pu), оба относятся к статору. Этот параметр виден
только когда параметр Ротор типа на вкладке Конфигурация
установлен на Двойная беличья клетка . По умолчанию
составляет [0,01909 0,0397] для единиц Pu и [0,4168
0.0003495] для единиц СИ.
Индуктивность намагничивания Lm (H или pu).По умолчанию 1.354 для
единиц PU и 0,0354 для единиц СИ.
Для диалогового окна SI-единиц :
комбинированный коэффициент инерции машины и нагрузки J (кг.м 2 ),
комбинированный коэффициент вязкого трения F (N.m.s) и пары полюсов p.
Момент трения Tf пропорционален скорости ротора ω
(Tf = F.w). По умолчанию [0,05 0,005879 2] .
Для диалогового окна единиц Pu :
постоянная инерции H (s), комбинированный коэффициент вязкого трения
F (pu) и пары полюсов с.По умолчанию [0,09526 0,05479 2] .
Указывает начальное скольжение s, электрический угол Θe (градусы), величина тока статора (A или pu) и фазовые углы (градусы):
[скольжение, th, i как , i bs , i cs , фаза как , фаза bs , фаза cs ]
Если для параметра Rotor type установлено значение Wound ,
Вы также можете указать дополнительные начальные значения тока ротора
величина (A или pu) и фазовые углы (градусы):
[скольжение, th, i как , i bs , i cs , фаза как , фаза bs , фаза cs , i ar , i br , i cr , фаза ar , фаза br , фаза cr ]
Когда для параметра Ротор типа установлено значение Белка ,
начальные условия могут быть рассчитаны с помощью инструмента Load Flow или
Инструмент машинной инициализации в блоке Powergui.
По умолчанию [1,0 0,0,0 0,0,0] для пу
единиц и [0 0 0 0 0 0 0 0] для единиц СИ.
Указывает, имеет ли магнитное насыщение ротор и статор железо моделируется или нет. По умолчанию очищено.
Задает параметры кривой насыщения без нагрузки. магнитные
насыщение статора и ротора железом (насыщение взаимного
поток) моделируется кусочно-линейными отношениями, определяющими точки
кривой насыщения без нагрузки.Первая строка этой матрицы содержит
значения токов статора. Второй ряд содержит значения соответствующих
клеммные напряжения (напряжения статора). Первая точка (первый столбец
матрицы) должен отличаться от [0,0]. Эта точка соответствует
до точки, где начинается эффект насыщения. По умолчанию [0.212,0.4201,0.8125,1.0979,1.4799,2.2457,3.2586,4.5763,6.4763
; 0,5,0,7,0,9,1,1,1,1,2, 1,3,1,4,1,5] для единиц Pu и [14,03593122,
27,81365428, 53,79336849, 72,68890987, 97.98006896, 148.6815601, 215.7428561,
302,9841135, 428,7778367; 230, 322, 414, 460, 506, 552, 598, 644,
690] для единиц СИ ..
Необходимо выбрать Проверка имитации насыщенности окно для имитации насыщенности. Если вы не выберите Simulate Флажок насыщения , связь между статором ток и напряжение статора линейны.
Нажмите Plot , чтобы просмотреть указанную без нагрузки кривая насыщения.
Основы синхронных машин
Синхронные машины могут использоваться в качестве генераторов или двигателей . Они имеют трехфазную конструкцию, хотя могут быть найдены некоторые особые исключения. Большая часть приложений находится в пределах диапазонов мощности, примерно варьирующихся от уровня мегаватт до нескольких десятых (или даже сотен) мегаватт с номинальным напряжением от 3 кВ до 15 кВ .
Основы синхронных машин, которые вы ДОЛЖНЫ полностью понять (на фото: ABB Type AMS 900L6L BST 13700 кВт / 11688 кВА Бесщеточный синхронный двигатель / генератор.12470 В, 60 Гц, 1200 об / мин; кредит: phxequip.com)
Также были представлены специальные конструкции высоковольтных синхронных машин, номинальное напряжение которых может составлять несколько десятых киловольт.
Более сложные требования к конструкции, управлению и защите синхронных машин, приводящие к более высоким затратам на единицу продукции ограничивают использование синхронных машин на более низких уровнях выходной мощности .
С другой стороны, функции управления возбуждением обеспечивают более гибкие средства работы машины с оптимальным потоком реактивной мощности в соответствии с условиями сети.
Рисунок 1 - Двигатель поршневого компрессора 24 МВт
Обмотку якоря обычно помещают в статор, конструкция которого имеет трехфазную конструкцию и очень похожа на асинхронные машины . Обмотка возбуждения размещена в роторе, конструкция которого сильно отличается от конструкции асинхронных машин.
Могут быть разделены две различные основные конструкции, а именно круглый или цилиндрический и выступающий полюс . Круглые или цилиндрические конструкции используются в машинах, работающих на высокой скорости, тогда как конструкция с выступающими полюсами используется в машинах, работающих на низкой или средней скорости.
Типичным примером низкоскоростных применений является генератор гидроэлектростанции , тогда как генератор паровой турбины представляет собой пример высокоскоростных применений.
Рисунок 2 - а) ротор с выступающими полюсами б) круглый или цилиндрический ротор
Ротор возбуждается через обмотку возбуждения от источника постоянного тока. В двигателях возбужденный ротор вращается в соответствии со скоростью трехфазного переменного поля в статоре.
При использовании генератора первичный двигатель вращает возбужденный ротор, генерируя ЭДС, к обмоткам статора, величина и частота которого соответствуют мощности возбуждения в роторе и скорости вращения первичного двигателя.
При нормальных условиях эксплуатации t вращающегося поля в статоре и вращающемся роторе остаются в синхронизации . В отличие от асинхронных машин, проскальзывание разности между ротором и частотой вращения поля в статоре является признаком ненормальной рабочей ситуации и должно быть устранено немедленно.
Синхронная скорость n с [об / мин] задается уравнением (1) ниже:
Синхронная угловая скорость ω с [рад / с] задается уравнением (2):
Где
- f - частота сети [Гц]
- p - количество полюсов в машине
Некоторые синхронные машины используют щетки для подачи постоянного тока на ротор для возбуждения.Более современным решением является так называемая бесщеточная конструкция , в которой необходимая мощность передается ротору по индукции, а выпрямление происходит в самом роторе.
Для некоторых применений, например, для действительно низких скоростей вращения, подходит для решения с использованием постоянных магнитов в роторе .
Для генерации энергии в целях возбуждения обычно используются PMG. Кстати, PMG обозначает генератор с постоянными магнитами . PMG работает в качестве пилотного генератора, соединенного с валом основного генератора, обеспечивая питание для возбуждения основного генератора.
Рисунок 3 - Синхронный генератор переменного тока с возбуждением PMG
В качестве генератора используется одна синхронная машина, управление выходным напряжением осуществляется путем управления возбуждением. Увеличенный ток возбуждения приведет к более высокому выходному напряжению, и наоборот.
Когда генератор подключен параллельно к сильной сети, управление возбуждением изменяет только выходную реактивную мощность генератора.Увеличение тока возбуждения заставляет генератор вырабатывать более индуктивную реактивную мощность, тем самым компенсируя индуктивные нагрузки. Уменьшение возбуждения в конечном итоге приводит к ситуации, когда генератор начинает поглощать индуктивную реактивную мощность из сети.Контроль частоты выходного напряжения осуществляется путем управления скоростью вращения первичного двигателя .
Эта ситуация называется «недовозбуждение» и не является нормальным режимом работы генератора.
Увеличение крутящего момента первичного двигателя не может увеличить скорость вращения генератора, поскольку он электрически связан с прочной сетью.Вместо это увеличивает активную выходную мощность генератора . Если крутящий момент первичного двигателя уменьшается ниже уровня потерь вращения генератора, генератор начинает работать как двигатель, пытающийся вращать первичный двигатель с синхронной скоростью.
Эта ситуация называется операцией с обратной мощностью . Работа в обратном направлении вредна для генератора, а также для первичного двигателя, , таким образом, ситуация должна распознаваться защитными реле .
На следующем рисунке показан пример возможностей синхронного генератора и конструктивных ограничений для работы в различных условиях. Нормальная работа осуществляется при перевозбуждении, когда в сеть вводится реактивная и активная мощность.
Когда синхронный генератор запускается, он ускоряется с помощью первичного двигателя, близкого к частоте сети, и ток возбуждения подается для достижения номинального напряжения на клеммах.
Рисунок 4 - Кривая возможностей синхронного генератора
После этого автоматический синхронизатор берет на себя фактическую процедуру подключения к сети. Синхронизатор регулирует ток возбуждения таким образом, чтобы напряжение на клеммах генератора соответствовало напряжению сети. Синхронизатор также проверяет фазирование и регулирует скорость первичного двигателя, чтобы согласовать частоту генератора с частотой сети.
Фактически, синхронизатор регулирует частоту генератора, чтобы подняться к частоте сети, и замыкает выключатель, когда частоты встретились, но частота генератора все еще повышается. Это необходимо для того, чтобы генератор начал вырабатывать активную мощность сразу после подключения к сети , в противном случае реле защиты от обратной мощности отключат генератор от сети.
Конструкция синхронного генератора и двигателя в основном идентична, за исключением внешних подключений. Синхронный двигатель не синхронизируется с сетью так же, как с синхронными генераторами.
Простейшим способом подключения синхронного двигателя к сети является так называемый прямой пуск в режиме онлайн (DOL), при котором двигатель запускается как асинхронный двигатель.Двигатель «втягивается» в сеть с пробуксовкой примерно на 5%. На рисунке 5 также описаны другие методы запуска.
Выбор метода запуска зависит от нескольких критериев, таких как:
- Требуемый момент нагрузки при пусковой последовательности
- Падение напряжения в сети питания при запуске
- Допустимое время запуска (тепловое напряжение на ротор)
- Количество пусков за период времени
Рисунок 5 - Различные способы запуска синхронного двигателя
Возможность управления выходной реактивной мощностью синхронной машины становится удобной функцией и в двигателях.Управляя возбуждением синхронного двигателя, можно компенсировать переменные потребности в реактивной мощности на промышленном предприятии, таким образом сводя к минимуму потребность в дополнительных компенсационных устройствах.
Специальным применением синхронного двигателя является установка , в которой двигатель не подает никакой активной мощности от своего приводного вала, но он используется только для подачи реактивной мощности в сеть . Этот вид синхронной машины называется синхронным конденсатором.
Сегодня синхронные конденсаторы заменены устройствами SVC:
- Бесщеточные синхронные машины
- Управление возбуждением / реактивной мощностью / напряжением
- Первичный двигатель / активная мощность / контроль частоты
- Двигатели с постоянными магнитами (генераторы)
Синхронный генератор возбуждения
Синхронизация генераторов с шиной
Справочник // Справочник по автоматизации распределения от ABB
,| Академическая деятельность |
Синхронный (Увеличить) |
Асинхронный (Moodle и другие инструменты) |
|---|---|---|
| Лекции |
ВЫЗОВЫ
|
ВЫЗОВЫ
|
| Видео |
ВЫЗОВЫ
|
ВЫЗОВЫ
|
| Тематические исследования |
ВЫЗОВЫ
|
ВЫЗОВЫ
Предлагаемая технология: дискуссионный форум Moodle, использующий «Отдельные группы» и / или совместный документ (например, вики Moodle или Документы Google) для анализа документов. |
|
Experiential / Labs |
ВЫЗОВЫ
|
ВЫЗОВЫ
|
|
Производительность / Создание |
ВЫЗОВЫ
|
ВЫЗОВЫ
|
|
Обучающие программы |
ВЫЗОВЫ
|
ВЫЗОВЫ
|
|
Совместная работа |
ВЫЗОВЫ
|
ВЫЗОВЫ
Предложенная технология: дискуссионный форум Moodle, использующий «Отдельные группы» и / или совместный документ (например, Документы Google) для анализа документов
|
|
Групповые обсуждения |
ВЫЗОВЫ
|
ВЫЗОВЫ
Предлагаемая технология: Moodle Дискуссионный форум с использованием «Отдельных групп»
|
|
Презентации |
ВЫЗОВЫ
|
ВЫЗОВЫ
|
|
Научные задания |
ВЫЗОВЫ
|
ВЫЗОВЫ
|
|
Оценка |
ВЫЗОВЫ
|
ВЫЗОВЫ
|