Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то проходящий по ней многофазный ток 1а создает вращающееся магнитное поле, частота
вращения которого |
|
п .= - |
60f, |
(5.6) |
Рис. 5.8. Электромагнитная схема синхронной машины (а) и схема ее включения (б)
Из формул (5.5) и (5.6) следует, что ^ = п2, т.е. ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. Машина, работающая в данном режи ме, называется синхронной.
Результирующий магнитный поток Ф рез синхронной м а ш и н ы создается со
вместными действиями МДС обмоток возбуждения и статора, и результирующее магнитное поле вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор.
Обмотку, в которой индуктируется ЭДС и проходит ток нагрузки, в син хронной машине называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой распо ложена обмотка возбуждения, - индуктором. Следовательно, в машине, изо браженной на рис. 5.7, статор является якорем, а ротор - индуктором. Для принципа действия и теории работы машины не имеет значения, вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные ма шины с обращенной конструктивной схемой: обмотку якоря, к которой под ключают нагрузку, располагают на роторе. Обращенные машины имеют срав нительно небольшую мощность, так как ее отбор от обмотки ротора затруднен из-за наличия скользящего контакта.
5.5. Система охлаждения синхронных генераторов
При эксплуатации машин предельной мощности, какими являются гидро- и турбогенераторы, важнейшей проблемой является их охлаждение. Повыше ние единичной мощности неразрывно связано с совершенствованием системы
охлаждения. Применение более интенсивных способов охлаждения позволило создать в последнее время турбогенераторы мощностью 800-1200 МВт, имею щие практически такие же габаритные размеры, как и турбогенераторы мощно стью 100 МВт, выпускавшиеся в 40-е годы.
В турбогенераторах мощностью до 25 МВт применяется замкнутая систе ма вентиляции, где в качестве охлаждающей среды используется воздух. Для машин большой мощности воздух замещается водородом с избыточным давле
нием до 5-105 Па. По сравнению с воздухом водород имеет лучшую теплопро водность и в 14 раз меньшую плотность, благодаря чему улучшается охлажде ние машины и сокращаются вентиляционные потери. На рис. 5.9 показан тур богенератор с водородным охлаждением и его разрез.
В данных машинах охлаждающая среда омывает наружную поверхность катушек обмоток и сердечника, после чего нагретый газ идет в теплообменник, откуда после охлаждения - в машину. Такая система называется замкнутой системой косвенного охлаждения обмоток.
Для машины мощностью 300 МВт замкнутаясистема вентиляции с кос венным водородным охлаждением оказывается недостаточной. В этом случае применяют непосредственное охлаждение обмоток,, изготовленных из полых проводников, внутри которых циркулирует охлаждающая среда: газ (водород) или жидкость (вода, трансформаторное масло). При этом перепады температу ры в изоляции обмоток исключаются и можно значительно увеличить плот ность тока в проводниках. Применяется также непосредственное охлаждение сердечников с помощью трубок, заделанных в ярмо статора.
5.6. Системы возбужденйя синхронных генераторов
5.6.1. Классификация систем возбуждения
Система возбуждения синхронной машины состоит из возбудителя и сис темы регулирования тока возбуждения, замыкающегося в обмотке возбуждения синхронной машины и в обмотках возбудителя. Система возбуждения должна обеспечивать:
1)надежное и устойчивое регулирование тока возбуждения в любых ре жимах работы машины;
2)достаточное быстродействие, для чего используется форсировка воз буждения, т.е. быстрое увеличение напряжения возбуждения от номинального значения до предельного, называемого потолочным; форсировка напряжения применяется для поддержания устойчивой работы машины во время аварии и после ее ликвидации; потолочное напряжение возбуждения выбирается не ме нее 1,8-2 номинального напряжения возбуждения, а скорость его нарастания 1,5-2 номинального напряжения возбуждения в секунду;
3)быстрое гашение магнитного поля, т.е. уменьшение тока возбуждения машины до нуля без значительного повышения напряжения на ее обмотках; необходимость в гашении поля возникает при отключении генератора или ава
рии в нем.
Системы возбуждения генераторов можно разделить на две группы; неза висимого возбуждения и самовозбуждения (зависимого).
К первой группе относятся все электромашинные возбудители постоянно го и переменного тока, сопряженные с валом генератора. Вторую группу со ставляют системы возбуждения, получающие питание непосредственно от вы водов генератора через специальные понижающие трансформаторы: это систе мы с отдельно установленными электромашинными возбудителями, приводи мыми во вращение электродвигателями переменного тока.
Системы независимого возбуждения генераторов получили наибольшее распространение. Основное достоинство этого способа состоит в том, что воз буждение синхронного генератора не зависит от режима электрической сети и поэтому является надежным.
На генераторах мощностью до 100 МВт включительно применяют в каче стве возбудителя генератор постоянного тока, соединенный с валом синхронно го генератора (рис. 5.10).
Возбуждение самого возбудителя выполнено по схеме самовозбуждения (обмотка возбуждения возбудителя LGE питается от его якоря). Регулирование возбуждения возбудителя осуществляется вручную шунтовым реостатом RR, установленным в цепи LGE, или автоматически регулятором возбуждения АРВ.
Системы самовозбуждения менее надежны, поскольку в них работа возбу дителя зависит от режима сети переменного тока. Короткое замыкание в сети, сопровождающееся понижением напряжения, нарушает параллельную работу системы возбуждения, которая именно в этих случаях должна обеспечивать форсировку тока в обмотке ротора генератора. При самовозбуждении обмотка возбуждения питается от обмотки якоря через управляемый или неуправляе мый выпрямитель - обычно полупроводниковый (рис. 5.11).
Рис. 5.10. Принципиальная схема независимого электромашннного возбуждения генератора
В современных синхронных генераторах применяют так называемую бес щеточную систему возбуждения (рис. 5.12). При этом в качестве возбудителя используют синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу. Обмотка возбужде ния возбудителя получает питание от полувозбудителя, снабженного регулято ром напряжения. При таком способе в цепи питания обмотки возбуждения ге
Рис. 5.13. Схема релейной форсировки возбуждения генератора
Принцип действия форсировки состоит в том, что при значительном сни жении напряжения на зажимах генератора (обычно ниже 85% от номинального) реле минимального напряжения KV замыкает свои контакты и приводит в дей ствие контактор форсировки КМ, который, срабатывая, закорачивает сопротив ления шунтового реостата в цепи возбудителя RR. В результате ток возбужде ния возбудителя быстро возрастает до максимального значения и возбуждение генератора достигает предельного значения.
5.6.3. Гашение поля генераторов
Гашением поля называется процесс, заключающийся в быстром уменьше нии магнитного потока возбуждения генератора до величины, близкой к нулю. При этом соответственно уменьшается ЭДС генератора.
Гашение магнитного поля приобретает особое значение при аварийных режимах, вызванных повреждениями внутри самого генератора или на его вы водах.
Короткие замыкания внутри генератора обычно происходят через электри ческую дугу, что обуславливает значительное повреждение обмоток статора и активной стали. Ток Ik при внутреннем повреждении может быть больше тока при коротком замыкании на выводах генератора, поэтому быстрое гашение по ля генератора необходимо, чтобы шраничить размер аварии и предотвратить выгорание обмотки и стали статора.
Таким образом, при внутренних коротких замыканиях в генераторах тре буется не только отключить их от внешней сети, но и быстро погасить магнит ное поле возбуждения, что приведет к уменьшению ЭДС генератора и угаса нию дуги.
Для гашения поля необходимо отключить обмотку ротора генератора от возбудителя. При этом вследствие большой индуктивности обмотки ротора на
ее зажимах могут возникнуть высокие перенапряжения, способные вызвать пробой изоляции. Чтобы не допустить этого, нужно обеспечить одновременное с отключением возбудителя быстрое прглощение энергии магнитного поля об мотки ротора генератора, при котором перенапряжения на ее зажимах не пре высят допустимого значения.
В настоящее время в зависимости от мощности генератора и особенностей его системы возбуждения используются три способа гашения магнитного поля: замыкание обмотки ротора на гасительное (активное) сопротивление; включе ние в цепь обмотки ротора дугогасительной решетки быстродействующего ав томата; противовключения возбудителя.
Первыми двумя способами предусматривается осуществление необходи мых переключений в цепях возбуждения с помощью специальных коммутаци онных аппаратов, которые называют автоматами гашения поля (АГП).
При замыкании обмотки ротора генератора на специальное сопротивление процесс гашения магнитного поля сильно затягивается, поэтому в настоящее время наибольшее распространение получил более действенный способ гаше ния магнитного поля генератора при помощи АГП с дугогасительной решеткой (рис. 5.14).
Рис. 5.14. Схема электрических цепей при гашении поля генератора автоматом
с дугогасящей решеткой
При коротком замыкании в генераторе реле защиты KL срабатывает и своими контактами отключает генератор от внешней сети, воздействуя на элек тромагнит отюпочения YAT выключателя, а также подает импульс на отключе ние АГП.
Автомат имеет рабочие 2 и дугогасительные 1 контакты, которые при па раллельной работе генератора замкнуты. Контакты 3 АГП вводят при отключе нии автомата добавочное сопротивление R fl в цепь возбуждения возбудителя,
