Способы возбуждения синхронных машин кратко. Синхронные машины
Система возбуждения синхронной машины состоит из возбудителя и системы регулирования тока возбуждения, замыкающегося в обмотке возбуждения синхронной машины и в обмотках возбудителя. Система возбуждения должна обеспечивать надежную работу синхронной машины, выполняя регулирование тока возбуждения, форсировку возбуждения, гашение поля возбуждения. Эти процессы в крупных машинах осуществляются автоматически. Системы возбуждения делятся на два типа - прямые и косвенные.
В прямых системах возбуждения якорь возбудителя жестко соединен с валом синхронной машины. В косвенных системах возбуждения возбудитель приводится во вращение двигателем, который питается от шин собственных нужд электростанции или вспомогательного генератора. Последний может быть соединен с валом синхронной машины или работать автономно. Прямые системы более надежны, так как при аварийных ситуациях в энергосистеме ротор возбудителя продолжает вращаться вместе с ротором синхронной машины и обмотка возбуждения не обесточивается.
На рис. 4.79, а -в приведены наиболее распространенные схемы возбуждения синхронных машин.
На рис. 4.79, а представлена наиболее распространенная прямая схема с электромашинными возбудителями. К обмотке возбуждения ОВГ синхронного генератора СГ постоянный ток через контактные кольца подается с якоря возбудителя В. Обмотка возбуждения возбудителя ОВВ питается от якоря подвозбудителя ПДВ. Управление током в обмотке возбуждения синхронного генератора осуществляется резистором R p , включенным в цепь обмотки возбуждения подвозбудителя ОВПДВ.
Подвозбудитель и возбудитель - генераторы постоянного тока. Их якоря муфтами соединены с ротором синхронного генератора. Мощность обмотки возбуждения ге-
Рис. 4.79.
нераторов постоянного тока составляет 0,2-5% мощности генератора. Поэтому мощность управления в каскадной схеме из двух генераторов постоянного тока (см. рис. 4.79, а) составляет несколько процентов мощности возбуждения синхронного генератора. Коэффициент усиления схемы равен произведению коэффициентов усиления по мощности двух генераторов постоянного тока (И) 2 -10 3).
Предельная мощность генератора постоянного тока с частотой вращения 3000 об/мин примерно 600 кВт. Поэтому генераторы постоянного тока в качестве возбудителей могут применяться в турбогенераторах мощностью 100-150 МВт. Генераторы постоянного тока в качестве возбудителей находят широкое применение в синхронных двигателях и синхронных генераторах автономных энергетических систем.
На рис. 4.79, б дана схема косвенного возбуждения с возбудителем - генератором постоянного тока с независимым возбуждением. Якорь генератора постоянного тока вращается асинхронным АД или синхронным двигателем, которые подсоединяются к сети переменного тока, не зависящей от напряжения синхронного генератора.
Наибольшее распространение получили схемы возбуждения со статическими преобразователями переменного тока в постоянный. В 1950-х гг. для возбуждения гидрогенераторов применялась схема возбуждения с ртутными выпрямителями, а в последнее время широкое применение находят
тиристорные схемы возбуждения, которые могут быть контактными и бесконтактными. В контактных схемах через кольца ток возбуждения от тиристорного преобразователя подается на обмотку возбуждения. При этом переменный ток на тиристорный преобразователь подается или от элек- тромашинного возбудителя, или от сети.
В крупных турбогенераторах в качестве электромашин- ного источника электрической энергии используется индукторный высокочастотный генератор (рис. 4.80). Ротор индукторного генератора жестко связан с ротором турбогенератора. На роторе индукторного генератора нет обмоток, а обмотки якоря расположены на статоре. Принцип действия индукторного генератора рассматривается в параграфе 4.23.
В бесщеточных системах возбуждения обмотка якоря и выпрямители находятся на роторе. Возбудитель выполняется многофазным для турбогенератора мощностью 1000 МВт, 1500 об/мин. Возбудитель имеет длину 3 м. Мощность возбудителя в кратковременном режиме 7,2 МВт и при длительной работе 2,8 МВт. Максимальный ток 9,6 к А при напряжении 0,75 кВ. В турбогенераторе мощностью 500 МВт мощность возбудителя 2,4 МВт.
Ко всем системам возбуждения предъявляются жесткие требования, регламентированные ГОСТ 21558-2000. Систе-
Рис. 4.80. Индукторный возбудитель турбогенераторов мы возбуждения должны обеспечивать форсировку возбуждения при снижении напряжения сети и аварийных режимах. Согласно указанному ГОСТу кратность предельного установившегося напряжения возбудителя (отношение максимального напряжения возбудителя к номинальному напряжению возбудителя) для крупных генераторов и синхронных компенсаторов равна 1,8-2, для других синхронных машин - 1,4-1,6.
Системы возбуждения должны быть быстродействующими. Номинальная скорость нарастания напряжения возбудителя, т.е. изменение напряжения от номинального до максимального, должна быть 1 - 1,5 с для крупных машин, а для остальных 0,8-1 с.
Регулирование тока возбуждения, как правило, осуществляется путем изменения напряжения возбудителя. Так как возбудитель не насыщен, ток возбуждения изменяется пропорционально напряжению. Только в синхронных машинах небольшой мощности регулирование тока возбуждения осуществляется реостатами.
Гашение поля при аварийных режимах обеспечивается ЛГП за 0,8-1,5 с. Обычно сопротивление, на котором происходит гашение поля, в 5 раз превышает сопротивление контура возбуждения, а напряжение на нем в переходном процессе не превышает более чем в 5 раз напряжение возбуждения.
Наряду с системами возбуждения, рассмотренными выше, применяются системы возбуждения от высших гармоник и обратной последовательности.
В воздушном зазоре электрической машины существует бесконечный спектр гармоник поля, которые вращаются со скоростью, отличающейся от основной гармоники, или вращаются в противоположном направлении по отношению к основной гармонике. Высшие гармоники поля наводят в обмотках ротора напряжения, зависящие от скольжения и амплитуды гармоники. Если закоротить обмотки ротора выпрямителями, в них будет протекать пульсирующий ток высших гармоник, который создаст постоянный поток возбуждения (рис. 4.81).
Обычно для возбуждения используется 3-я гармоника поля и выполняется специальная обмотка на роторе с числом полюсов, в 3 раза большим по отношению к основной гармонике. С возбуждением от 3-й гармоники выпускается серия синхронных генераторов ЕС мощностью до 100 кВт.
Представляет интерес использование для возбуждения обратного поля. В однофазных двигателях при возбуждении от обратной последовательности (см. рис. 4.81) могут быть получены массогабаритные и энергетические характеристики, близкие к характеристикам трехфазных асинхронных двигателей.
Рис. 4.81.
Системы возбуждения синхронных машин весьма разнообразны и во многом определяют конструкцию синхронной машины. Некоторые видоизменения систем возбуждения будут рассмотрены при изучении специальных синхронных машин.
При рассмотрении принципа действия синхронного генератора было установлено, что на роторе синхронного генератора расположен источник МДС (индуктор), создающий в генераторе магнитное поле. С помощью приводного двигателя (ПД) ротор генератора приводится во вращение с синхронной частотой n 1 . При этом магнитное поле ротора также вращается и, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней ЭДС.
Синхронные двигатели конструктивно почти не отличаются от синхронных генераторов. Они также состоят из статора с обмоткой и ротора. Поэтому независимо от режима работы любая синхронная машина нуждается в процессе возбуждения - наведения в ней магнитного поля.
Основным способом возбуждения синхронных машин является электромагнитное возбуждение, сущность которого состоит в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения. При прохождении по этой обмотке постоянного тока возникает МДС возбуждения, которая наводит в магнитной системе машины магнитное поле.
До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.1, а), обмотка возбуждения которого (ОВ) получала питание постоянного тока от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронной машины и якоря возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронной машины поступает через контактные кольца и щетки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя (r 1) и подвозбудителя (r 2).
В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.
В синхронных генераторах большой мощности -- турбогенераторах -- иногда в качестве возбудителя применяют генераторы переменного тока индукторного типа (см. § 23.6). На выходе такого генератора включают полупроводниковый выпрямитель.
Рис. 1.1.
Регулировка тока возбуждения синхронного генератора в этом случае осуществляется изменением возбуждения индукторного генератора.
Получила применение в синхронных генераторах бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе.
В качестве возбудителя и в этом случае применяют генератор переменного тока (рис. 1.1, 5), у которого обмотка 2, в которой наводится ЭДС (обмотка якоря), расположена на роторе, а обмотка возбуждения 1 расположена на статоре. В результате обмотка якоря возбудителя и обмотка возбуждения синхронной машины оказываются вращающимися, и их электрическое соединение осуществляется непосредственно, без контактных колец и щеток. Но так как возбудитель является генератором переменного тока, а обмотку возбуждения необходимо питать постоянным током, то на выходе обмотки якоря возбудителя включают полупроводниковый преобразователь 3, закрепленный на валу синхронной машины и вращающийся вместе с обмоткой возбуждения синхронной машины и обмоткой якоря возбудителя. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя осуществляется от подвозбудителя (ПВ) -- генератора постоянного тока.
Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронной машины позволяет повысить ее эксплуатационную надежность и увеличить КПД.
В синхронных генераторах, в том числе гидрогенераторах (см. § 1.2), получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.2, 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 счет остаточного магнетизма магнитопровода машины.
Рис. 1.2.
На рис. 1.2, 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 подается в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора побуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на выходе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты БЗ, обеспечивающий защиту обмотки возбуждения и тиристорного преобразователя ТП от перенапряжений и токовой перегрузки.
В современных синхронных двигателях для возбуждения применяют тиристорные возбудительные устройства, включаемые в сеть переменного тока и осуществляющие автоматическое управление током возбуждения во всевозможных режимах работы двигателя, в том числе и переходных. Такой способ возбуждения является наиболее надежным и экономичным, так как КПД тиристорных возбудительных устройств выше, чем у генераторов постоянного тока. Промышленностью выпускаются тиристорные возбудительные устройства на различные напряжения возбуждения с допустимым значением постоянного тока 320 А.
Наибольшее распространение в современных сериях синхронных двигателей получили возбудительные тиристорные устройства типов ТЕ8-320/48 (напряжение возбуждения 48 В) и ТЕ8-320/75 (напряжение возбуждения 75 В). Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5% полезной мощности машины (меньшее значение относится к машинам большой мощности).
В синхронных машинах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, когда на роторе машины располагаются постоянные магниты. Такой способ возбуждения дает возможность избавить машину от обмотки возбуждения. В результате конструкция машины упрощается, становится более экономичной и надежной. Однако из-за дефицитности материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничивается лишь машинами мощностью не более нескольких киловатт.
По способу возбуждения синхронные машины подразделяются на два типа:
Возбуждение независимого вида.
Самовозбуждения.
При независимом возбуждении схема подразумевает наличие подвозбудителя, который питает: обмотку главного возбудителя, реостат для регулировки, устройства управления, регуляторы напряжения и т. д. Кроме этого способа, возбуждение может осуществляться от генератора, выполняющего вспомогательную функцию, он приводится в работу от двигателя синхронного или асинхронного типа.
Для самовозбуждения , питание обмотки происходит через выпрямитель, работающий на полупроводниках или ионного типа.
Для турбо- и гидрогенераторов используют тиристорные устройства возбуждения. Ток возбуждения регулируется в автоматическом режиме, при помощи регулятора возбуждения, для машин малой мощности характерно использование регулировочных реостатов, они включены в цепь обмотки возбуждения.
27.Преимущества и недостатки синхронного двигателя.
Синхронный двигатель имеет ряд преимуществ перед асинхронным:
1. Высокий коэффициент мощности cosФ=0,9.
2. Возможность использования синхронных двигателей на предприятиях для увеличения общего коэффициента мощности.
3. Высокий КПД он больше чем у асинхронного двигателя на (0,5-3%) это дастигается за счёт уменьшения потерь в меди и большого CosФ.
4. Обладает большой прочностью обусловленной увеличенным воздушным зазором.
5ращающий момент синхронного двигателя прямо пропорционален напряжению в первой степени. Т.е синхронный двигатель будет менее чувствителен к изменению величины напряжения сети.
Недостатки синхронного двигателя:
1. Сложность пусковой аппаратуры и большую стоимость.
2. Синхронные двигатели применяют для приведения в движение машин и механизмов, не нуждающихся в изменении частоты вращения, а так же для механизмов у которых с изменением нагрузки частота вращения остаётся постоянной: (насосы, компрессоры, вентиляторы.)
Пуск синхронного двигателя.
В виду отсутствия пускового момента в синхронном двигателе для пуска его используют следующие способы:
2. Асинхронный пуск двигателя.
1. Пуск с помощью вспомогательного двигателя.
Пуск в ход синхронного двигателя с помощью вспомогательного двигателя может быть произведен только без механической нагрузки на его валу, т.е. практически вхолостую. В этом случае на период пуска двигатель временно превращается в синхронный генератор, ротор которого приводится во вращение небольшим вспомогательным двигателем. Статор этого генератора включается параллельно в сеть с соблюдением всех необходимых условий этого соединения. После включения статора в сеть вспомогательный приводной двигатель механически отключается. Этот способ пуска сложен и имеет к тому же вспомогательный двигатель.
2. Асинхронный пуск двигателя.
Наиболее распространенным способом пуска синхронных двигателей является асинхронный пуск, при котором синхронный двигатель на время пуска превращается в асинхронный. Для возможности образования асинхронного пускового момента в пазах полюсных наконечников явнополюсного двигателя помещается пусковая короткозамкнутая обмотка. Эта обмотка состоит из латунных стержней, вставленных в пазы наконечников и соединяемых накоротко с обоих торцов медными кольцами.
При пуске в ход двигателя обмотка статора включается в сеть переменного тока. Обмотка возбуждения (3) на период пуска замыкается на некоторое сопротивление Rг, рис. 45, ключ К находится в положении 2, сопротивление Rг = (8-10)Rв. В начальный момент пуска при S=1, из-за большого числа витков обмотки возбуждения, вращающее магнитное поле статора наведет в обмотке возбуждения ЭДС Ев, которая может достигнуть весьма большого значения и если при пуске не включить обмотку возбуждения на сопротивление Rг произойдет пробой изоляции.
Рис. 45 Рис. 46.
Процесс пуска синхронного двигателя осуществляется в два этапа. При включении обмотки статора (1) в сеть в двигателе образуется вращающее поле, которое наведет в короткозамкнутой обмотке ротора (2) ЭДС. Под действием, которой будет протекать в стержнях ток. В результате взаимодействия вращающего магнитного поля с током в коротко замкнутой обмотке создается вращающий момент, как у асинхронного двигателя. За счет этого момента ротор разгоняется до скольжения близкого к нулю (S=0,05), рис. 46. На этом заканчивается первый этап.
Чтобы ротор двигателя втянулся в синхронизм, необходимо создать в нем магнитное поле включением в обмотку возбуждения (3) постоянного тока (переключив ключ К в положение 1). Так как ротор разогнан до скорости близкой
к синхронной, то относительная скорость поля статора и ротора небольшая. Полюса плавно будут находить друг на друга. И после ряда проскальзываний противоположные полюса притянутся, и ротор втянется в синхронизм. После чего ротор будет вращаться с синхронной скоростью, и частота вращения его будет постоянной, рис. 46. На этом заканчивается второй этап пуска.
В синхронных машинах применяются несколько систем возбуждения.
Электромашинная система возбуждения с возбудителем постоянного тока (рис. 1). В этой системе в качестве источника используется специальный генератор постоянного тока (ГПТ), называемый возбудителем.
Системы возбуждения делятся на два типа – прямые и косвенные. В прямых системах возбуждения якорь возбудителя соединен с валом синхронной машины. В косвенных системах возбуждения возбудитель приводится во вращение двигателем, который питается от шин собственных нужд электростанции или вспомогательного генератора. Вспомогательный генератор может быть соединен с валом синхронной машины или работать автономно. Прямые системы более надежны, так как при аварийных ситуациях в энергосистеме ротор возбудителя продолжает вращаться вместе с ротором синхронной машины и обмотка возбуждения сразу не обесточивается.
Рис. 1. Электромашинная система возбуждения: LG LE - обмотка возбуждения возбудителя GE ; R Ш1 - регулировочное сопротивление
Классическая система возбуждения синхронных машин состоит из возбудителя в виде генератора параллельного возбуждения на общем валу с синхронной машиной (электромашинный возбудитель). У тихоходных машин мощностью до 5000 кВт для уменьшения массы и стоимости возбудителей последние иногда соединяют с валом синхронной машины с помощью клиноременной передачи. Гидрогенераторы также обычно имеют возбудитель на одном валу с генератором.
Для гашения магнитного поля применяется автомат гашения поля (АГП), который состоит из контакторов K 1 , K 2 и гасительного (разрядного) резистора R P . Гашение поля проводится в следующем порядке. При включенном контакторе K 1 включается контактор K 2 , замыкающий обмотку возбуждения на резистор , где R B -сопротивление обмотки возбуждения. Затем происходит размыкание контактора К 1 , и ток в цепи обмотки возбуждения генератора начинает уменьшаться (затухать) с постоянной времени (L B - индуктивность обмотки возбуждения) в соответствии с уравнением (рис. 2).
Ток возбуждения можно было бы снизить до нуля выключением только одного контактора К 1 без включения гасительного резистора R P . Ток возбуждения в этом случае исчез бы практически мгновенно. Но мгновенный разрыв цепи возбуждения недопустим, так как из-за большой индуктивности обмотки возбуждения в ней индуцировалась бы большая ЭДС самоиндукции , превышающая в несколько раз номинальное напряжение, в результате чего возможен пробой изоляции этой обмотки. Кроме того, в контакторе К 1 при разрыве выделялась бы большая энергия, запасенная в магнитном поле обмотки возбуждения, и из-за большой дуги произошло бы разрушение контактов. Для крупных машин затухание тока возбуждения при наличии гасительного резистора происходит с постоянной времени около 1 с.
Форсировка возбуждения осуществляется шунтированием резистора R Ш1 , включенного в цепь возбуждения возбудителя.
Рис. 2. Затухание тока возбуждения при гашении поля
Однако у мощных тихоходных генераторов с n р =60-150 об/мин размеры и стоимость возбудителя в связи со значительной его мощностью и тихоходностью получаются большими. Кроме того, тихоходные возбудители вследствие своих больших размеров обладают большой электромагнитной инерцией, что снижает эффективность автоматического регулирования и форсировки возбуждения. Поэтому применяют также системы возбуждения в виде отдельного быстроходного агрегата (n р =750-1500 об/мин), состоящего из асинхронного двигателя и генератора постоянного тока. Асинхронный двигатель при этом получает питание от специального вспомогательного синхронного генератора, расположенного на одном валу с главным гидрогенератором, а в некоторых случаях - с шин собственных нужд гидростанции или с выводов главного гидрогенератора. В последнем случае возбудительный агрегат подвержен влиянию аварий в энергосистеме (короткие замыкания и пр.), и поэтому для повышения его надежности приводные асинхронные двигатели выполняют с повышенным максимальным моментом (М max ≥4 М н), а иногда эти агрегаты снабжают также маховиками. В виде отдельных возбудительных агрегатов выполняются также агрегаты резервного возбуждения электростанций, служащие для резервирования собственных возбудителей генераторов в случае аварий и неисправностей.
Турбогенераторы мощностью до Р н = 100 МВт также обычно имеют возбудители в виде генераторов постоянного тока на своем валу. Однако при Р н > 100 МВт мощность возбудителей становится настолько большой, что их выполнение при n р = 3000-3600 об/мин по условиям коммутационной надежности оказывается затруднительным или даже невозможным. При этом применяются разные решения. Например, за границей широко используются возбудители со скоростью вращения n р =750 - 1000 об/мин, соединяемые с валом турбогенератора с помощью редуктора, а также возбудительные агрегаты с асинхронными двигателями, получающими питание с шин станции или с выводов генератора.
Мощность возбудителя обычно равна 0,3-3 % мощности синхронного генератора. Он приводится во вращение от вала синхронного генератора. Ток возбуждения крупной синхронной машины I B относительно велик и составляет несколько сотен и даже тысяч ампер. Поэтому его регулируют с помощью реостатов, установленных в цепи возбуждения возбудителя. Возбуждение возбудителя осуществляется по схеме самовозбуждения (рис. 1) или независимого возбуждения от специального генератора постоянного тока, называемого подвозбудителем (рис. 3). Подвозбудитель работает с самовозбуждением, и сопротивление резистора R Ш2 в процессе работы генератора не изменяется.
Рис. 3. Электромашинная система возбуждения с подвозбудителем: LG - обмотка возбуждения синхронного генератора; LE - обмотка возбуждения Возбудителя GE ; LA - обмотка возбуждения подвозбудителя GEA
Компаундированная система возбуждения с возбудителем постоянного тока (рис. 4). В современных системах возбуждения широко применяется принцип компаундирования, т. е. автоматическое изменение намагничивающей силы возбуждения при изменении тока нагрузки синхронного генератора. Так как в обмотке якоря синхронной машины протекает переменный ток, а в обмотке возбуждения 2- постоянный ток, то в схемах компаундирования синхронных машин применяются полупроводниковые выпрямители.
В приведенной на рис. 4 принципиальной схеме компаундированной системы возбуждения с возбудителем постоянного тока обмотка возбуждения возбудителя 4 подключена к якорю возбудителя 3 с реостатом 6 и, кроме того, к выпрямителям 9, получающим питание от последовательных трансформаторов 7. На холостом ходу генератора обмотка 4 получает питание только от якоря 3. По мере увеличения тока нагрузки генератора 1 напряжение вторичной обмотки трансформатора 7 будет расти, и уже при небольшой нагрузке это напряжение, выпрямленное выпрямителем 9, сравняется с напряжением обмотки 4. При дальнейшем увеличении нагрузки обмотка 4 будет подпитываться от трансформатора 7 и, поэтому ток этой обмотке и ток возбуждения генератора будут расти с увеличением нагрузки.
При увеличении сопротивления установочного реостата 8 напряжение, подаваемое на выпрямители 9, и компаундирующее действие трансформатора 7 будут расти. При коротких замыканиях компаундирующее устройство осуществляет форсировку возбуждения.
Рис. 4. Система возбуждения с токовым компаундированием
Компаундирующее действие схемы рис. 4 зависит только от значения тока нагрузки и не зависит от его фазы. Поэтому при индуктивной нагрузке это действие слабее, чем при активной нагрузке. Такое компаундирование называется токовым, и при этом постоянство напряжения U в пределах диапазона нормальных нагрузок удается сохранять с точностью до ± (5-10)%. Такая точность для современных установок недостаточна, и поэтому в схемах рис. 4 применяется дополнительный корректор или автоматический регулятор напряжения //, который соединен с помощью трансформатора 10 с зажимами генератора, а также с установочным реостатом 8. Регулятор 11 реагирует на изменения напряжения U и тока / и питает постоянным током дополнительную обмотку возбуждения возбудителя 5.
Вентильные системы возбуждения могут быть построены на большие мощности и являются более надежными, чем электромашинные. Различают три разновидности вентильных систем возбуждения: с самовозбуждением, независимую и бесщеточную .
В системе с самовозбуждением (рис. 6) энергия для возбуждения синхронной машины отбирается от обмотки якоря основного генератора, а затем преобразуется статическим преобразователем ПУ (тиристорный преобразователь) в энергию постоянного тока, которая поступает в обмотку возбуждения. Начальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного намагничивания его полюсов.
Рис. 6. Вентильная система возбуждения синхронного генератора с самовозбуждением: LG - обмотка возбуждения генератора; ПУ - преобразовательное устройство с регулятором напряжения; TV - трансформатор напряжения, снижающий подводимое к обмотке возбуждения напряжение; ТА - трансформатор тока, служащий для поддержания напряжения возбуждения при изменении нагрузки генератора
В независимой системе вентильного возбуждения (рис. 7) энергия для возбуждения получается от специального возбудителя GN , выполненного в виде трехфазного синхронного генератора. Ротор его расположен на валу главного генератора. Переменное напряжение возбудителя выпрямляется и подается в обмотку возбуждения.
Разновидностью независимой системы вентильного возбуждения является бесщеточная система возбуждения. В этом случае на валу основной синхронной машины размещается якорь возбудителя переменного тока с трехфазной обмоткой.
Рис. 7. Вентильная независимая система возбуждения: GN - возбудитель переменного тока (синхронный); LN - обмотка возбуждения возбудителя; GEA - подвозбудитель;
LA - обмотка возбуждения подвозбудителя; ПУ - преобразовательное устройство с регулятором напряжения
Переменное напряжение этой обмотки через выпрямительный мост, закрепленный на валу машины, преобразуется в постоянное и непосредственно (без колец) подается на обмотку возбуждения основного генератора. Обмотка возбуждения возбудителя располагается на статоре и получает питание от подвозбудителя или регулятора напряжения.
. Особенностью этих машин является то, что для создания магнитного поля возбуждения у них используются постоянные магниты. Постоянные магниты чаще всего размещаются на роторе, благодаря чему машина становится бесконтактной. Синхронные машины с постоянными магнитами широко используются в качестве генераторов небольшой мощности и микродвигателей.
К недостаткам таких машин следует отнести сложность регулирования магнитного потока, высокую стоимость, малую предельную мощность (из-за невысокой механической прочности ротора из постоянных магнитов), а также повышенную массу машин средней мощности.
Синхронные генераторы с постоянными магнитами выпускаются на мощности, не превышающие нескольких десятков киловатт. Широкое распространение получили синхронные двигатели с постоянными магнитами и асинхронным пуском. Роторы таких двигателей сочетают в себе элементы синхронного двигателя - постоянные магниты и асинхронного двигателя - беличью клетку, необходимую для пуска.
4. Синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов
Особенностью этих машин является то, что для создания магнитного поля возбуждения у них используются постоянные магниты. Постоянные магниты чаще всего размещаются на роторе, благодаря чему машина становится бесконтактной. Синхронные машины с постоянными магнитами широко используются в качестве генераторов небольшой мощности и микродвигателей.
Преимуществами машин с постоянными магнитами являются простота конструкции, отсутствие скользящего контакта, высокий КПД и меньший нагрев из-за отсутствия потерь в обмотке: возбуждения и скользящем контакте. Большим достоинством этих машин является также отсутствие источника постоянного тока для их возбуждения.
К недостаткам таких машин следует отнести сложность регулирования магнитного потока, высокую стоимость, малую предельную мощность (из-за невысокой механической прочности ротора из постоянных магнитов), а также повышенную массу машин средней мощности.
Синхронные генераторы с постоянными магнитами выпускаются на мощности, не превышающие нескольких десятков киловатт. Широкое распространение получили синхронные двигатели с постоянными магнитами и асинхронным пуском. Роторы таких двигателей сочетают в себе элементы синхронного двигателя - постоянные магниты и асинхронного двигателя - беличью клетку, необходимую для пуска.
Постоянные магниты могут иметь радиальное и аксиальное расположение на роторе. В первом случае магнит 1 имеет форму звездочки (рис. 7), на нее напрессовывается стальной кольцевой пакет 2, в пазах которого располагаются стержни беличьей клетки.
Рис. 7. Синхронный двигатель с радиальным расположением постоянных магнитов на роторе: 1 - постоянные магниты; 2 - пакет ротора; 3 - статор
В стали кольцевого пакета для уменьшения потоков рассеяния магнитов выполняются межполюсные прорези. Во втором случае на валу располагается ротор 2 по типу ротора асинхронного двигателя, и с одного или обеих сторон от этого пакета размещаются постоянные магниты 1 (рис. 8), Асинхронный пуск двигателя с постоянными магнитами имеет ту особенность, что кроме двигательного (асинхронного) момента в этом случае возникает еще тормозной (генераторный) момент. Тормозной момент появляется в результате взаимодействия магнитного поля возбужденных полюсов ротора с наведенными им токами в обмотке статора 3. На рис. 9 показаны кривые асинхронного М а, тормозного М T и результирующего М моментов двигателя при асинхронном пуске.
Рис. 8. Синхронный двигатель с аксиальным расположением постоянных магнитов на роторе: I - постоянный магнит; 2 - пакет ротора; 3 - статор
Рис. 9. Пусковые характеристики двигателя с постоянными магнитами
Пусковые характеристики у двигателей с постоянными магнитами хуже, чем у гистерезисных двигателей, но они имеют лучшие энергетические показатели, повышенную перегрузочную способность, стабильность частоты вращения.
Синхронные двигатели промышленного назначения получают электромагнитное возбуждение от независимого источника постян- ного тока. В качестве таких источников используют: генераторы постоянного тока (возбудители), которые могут располагаться на одном валу с синхронным двигателем (рис. 7.6,6) или приводиться во вращение отдельным двигателем (рис. 7.6,я); тиристорные управляемые выпрямители, которые могут получать питание от промышленной сети (рис. 7.6,в), либо от специального генератора переменного тока, располагаемого на одном валу с синхронным двигателем. В последнем случае (рис. 7.6,г) полупроводниковые выпрямители располагаются на роторе синхронной машины (система с вращающимися выпрямителями), поэтому не требуются щетки и кольца для подвода тока к обмотке возбуждения, т.е. синхронная машина становится бесконтактной.
Во время разгона, когда двигатель работает в асинхронном режиме, возбудитель может быть подключен к обмотке ротора при снятом напряжении возбудителя (схема с глухоподключенным возбудителем), а может быть отключен от обмотки возбуждения контактором КМ (см. схемы на рис. 7.1 и 7.6). В последнем случае обмотка возбуждения замыкается на сопротивление или замыкается накоротко. Оставлять концы обмотки возбуждения во время разгона разомкнутыми нельзя, так как в обмотке при больших скольжениях наводится значительная ЭДС скольжения.
При использовании в качестве возбудителя тиристорного преобразователя или вращающихся выпрямителей во время пуска обмотка возбуждения закорачивается через шунтирующие тиристоры.
Рис. а - от отдельного мотор-генератора; 6 - от генератора, расположенного на валу синхронного двигателя; в - от тиристорного возбудителя; г- от встроенного генератора
Рассмотрим схему на рис.7.6,в. При пуске двигателя в асинхронном режиме напряжение тиристорного преобразователя UD равно нулю. В обмотке возбуждения индуктируется переменная ЭДС скольжения, под действием которой через стабилитроны VD открываются вспомогательные тиристоры VS, и обмотка возбуждения замыкается на разрядное сопротивление R. Когда двигатель достигает подсинхронной скорости, ЭДС скольжения становится малой, стабилитроны запираются, и тиристоры VS отключают разрядное сопротивление, после чего в обмотку возбуждения подается постоянный ток от преобразователя UD.
В последние годы получили распространение возбудители, встроенные в конструкцию синхронной машины (см. рис. 7.6,г). Возбудитель состоит из синхронного генератора Г, ротор которого расположен на валу синхронного двигателя Д, неуправляемого выпрямителя, вспомогательных тиристоров VS и разрядных сопротивлений R2 и R3, также размещенных на валу синхронного двигателя. Регулирование тока возбуждения производится изменением тока возбуждения генератора Г. По достижении подсинхронной скорости цепи, шунтирующие обмотку возбуждения, размыкаются, и в обмотку подается постоянный ток, после чего двигатель втягивается в синхронизм, его скорость достигает синхронной, и в дальнейшем он работает в синхронном режиме.
Регулирование тока возбуждения двигателя при работе в синхронном режиме осуществляется, как правило, САР возбуждения. Она выполняет две основные функции. Первая - обеспечение устойчивой работы в синхронном режиме. При набросах нагрузки или при снижении питающего напряжения САР возбуждения форсирует (увеличивает) ток возбуждения, благодаря чему увеличивается максимальный момент двигателя в синхронном режиме (см. рис. 7.4). Вторая - осуществление автоматического регулирования реактивной мощности, циркулирующей в статорной цепи двигателя.
Структурная схема тока возбуждения строится обычно двухконтурной (рис. 7.7). Внутренний контур тока возбуждения служит для стабилизации заданного тока возбуждения. Регулятор тока возбуждения р () принимается пропорциональным или пропорционально-интегральным. Обеспечение поддержания постоянным заданного ф достигается формированием сигнала задания тока возбуждения с положительной обратной связью по значению действительного ф цепей статора:
Если ток возбуждения, соответствующий U B недостаточен для получения заданного коэффициента мощности при данной нагрузке, то компаундирующая обратная связь увеличивает ток возбуждения. Увеличение коэффициента повышает точность поддержания заданного ф, но вызывает колебания тока статора при приложении нагрузки. Для уменьшения колебательности тока статора в схеме предусмотрена гибкая обратная связь по действующему значению тока статора. Гибкую обратную связь формируют как дифференцирующее звено с фильтром.
