Синхронные машины

Синхронные машины – это бесколлекторные машины переменного тока, у которых в установившемся режиме отношение частоты вращения ротора к частоте тока в цепи, подключенной к обмотке якоря, не зависит от нагрузки в области допустимых нагрузок.

Проще определение синхронных машин можно записать в следующем виде: синхронные машины – это такие электрические машины переменного тока, в которых ротор и поле токов статора вращаются с одной и той же скоростью (синхронно). Трехфазные синхронные машины – самые крупные по мощности электрические машины. Самые мощные электродвигатели синхронные: до 60 кВт – для мощных воздуходувок, насосов и т.д.

Синхронная машина состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора. Синхронные машины, как и любые электрические машины, обладают свойством обратимости, т. е. они могут работать как в генераторном, так и в двигательном режимах.

Синхронные двигатели получили меньшее распространение. Они используются там, где требуется постоянство частоты вращения ротора при изменении нагрузки, чего трудно достичь с помощью асинхронных двигателей.

Синхронные двигатели изготовляются серийно мощностью от нескольких десятков киловатт до 10 МВт и более на различные частоты вращения. Наряду с мощными двигателями широко выпускаются синхронные микродвигатели различных типов мощностью от долей Ватта до нескольких сотен Ватт. По сравнению с асинхронными, синхронные двигатели не только преобразуют электрическую энергию в механическую, но и могут генерировать реактивную мощность.

Обозначение типов электродвигателей выполняется следующим образом:

С Т Д

синхронный количество полюсов ротора

трехфазный номинальная мощность (кВт)

двигатель

Существует ряд серий синхронных двигателей общего назначения, основные из которых: СД2, СДН2 и СДН3-2.

Конструктивно машины указанных серий выполнены с различными степенями защиты персонала от соприкосновения с токоведущими или вращающимися частями и от попадания внутрь машины посторонних тел и воды. Машины серии СД2 имеют степень защиты IP 23. Основное исполнение серии СДН2 имеет степень защиты IP 11, но также имеется модификация со степенью защиты IP 43. Машины серии СДН3-2 имеют закрытое исполнение со степенью защиты IP 44. Машины различаются по способу крепления и конструкции подшипниковых узлов. Высота оси вра­щения для всех машин серий СДН2 и СДН3-2 равна 630 мм, а для машин серии СД2 – 450 или 500 мм.

В двигателях всех серий применяется воздушное охлаждение с самовентиляцией.

На всех электрических станциях в качестве источников переменного тока используются синхронные генераторы. Их мощность колеблется от нескольких киловатт для автономных установок до 1 000 – 1 200 МВт для мощных электростанций.

По конструктивному выполнению ротора машины подразделяются на явнополюсные и неявнополюсные. Явнополюсные роторы применяют в машинах большой мощности с относительно низкой частотой вращения, т.е. имеющих большое число полюсов. Синхронные машины с явнополюсным ротором и горизонтальным валом широко используют в качестве двигателей и генераторов.

Неявнополюсные роторы используются главным образом в качестве синхронных генераторов и предназначены для непосредственного соединения с паровыми турбинами. Такие машины называют турбогенераторами. Турбогенераторы для тепловых электрических станций имеют частоту вращения 3 000 об/мин и два полюса, а для атомных станций – 1 500 об/мин и четыре полюса. Ротор турбогенераторов выполняют массивным из цельной стальной поковки. По условиям механической прочности диаметр ротора при частоте вращения 3 000 об/мин не должен превышать 1,2–1,25 м. Чтобы обеспечить необходимую механическую жесткость, активная длина ротора должна быть не больше 6,5 м.

Существует ряд серий, каждая из которых охватывает определенный вид машин. Турбогенераторы различаются системами охлаждения. При небольших мощностях турбогенераторов применяется косвенное воздушное охлаждение (серии Т и Т2). У машин большей мощности используется косвенное и непосредственное водородное охлаждение (серии ТВ, ТВ2 и др.). При непосредственном охлаждении вместо воздуха внутренний объем заполняется газом, состоящим, главным образом, из водорода (97 % водорода и 3 % воздуха).

Вентиляция осуществляется по замкнутому циклу. Смесь водорода с воздухом становится взрывоопасной при содержании водорода в смеси от 7 до 70 %. Для устранения проникновения воздуха в корпус машины давление газа внутри машины выбирают выше атмосферного: не менее 0,103 – 0,107 МПа. Недостатком водородного охлаждения является необходимость иметь специальную установку для снабжения машины водородом, а также потребность в уплотнениях корпуса машины. В мощных турбогенераторах применяется непосредственное охлаждение. Для непосредственного охлаждения обмоток используется водород при избыточном давлении, а также жидкости (вода, трансформаторное масло). В мощных турбогенераторах, выпускаемых отечественной промышленностью, применяются следующие системы непосредственного охлаждения:

1 – аксиальная система охлаждения обмоток и сердечника статора водородом повышенного давления (турбогенераторы серии ТГВ);

2 – многоструйная радиальная система охлаждения водородом повышенного давления, в которой обмотка ротора имеет непосредственное охлаждение, а обмотка статора – косвенное охлаждение (турбогенераторы серии ТВФ);

3 – многоструйная радиальная система охлаждения сердечника статора и обмотки ротора водородом при давлении 300 кПа, а обмотки статора водой (турбогенераторы серии ТВВ);

4 – система охлаждения обмоток статора и ротора жидкостью, а сердечников воздухом или водородом (турбогенераторы серии ТГВ при охлаждении обмоток водой и ТВМ - при охлаждении ротора маслом, а обмотки ротора - водой).

Обозначение типов турбогенераторов выполняется следующим образом:

ТВВ ХХХХ,

1 2 3

где 1 – серия турбогенератора.

2 – активная мощность турбогенератора.

3 – число полюсов машины.

Например, обозначение ТВВ-800-2 означает турбогенератор серии ТВВ (с многоструйной радиальной системой охлаждения сердечника статора и обмотки ротора водородом при давлении 300 кПа, а обмотки ста­тора – водой), с мощностью 800 МВт и с числом полюсов – 2.

Существует специальный класс синхронных явнополюсных генераторов с вертикальным валом, предназначенных для непосредственного соединения с гидравлическими турбинами. Такие генераторы называются гидрогенераторами.

В зависимости от мощности турбины и напора воды частота вращения гидрогенераторов колеблется от 50 до 600 об/мин. Для того чтобы при таких частотах вращения получить переменное напряжение частотой 50 Гц, гидрогенераторы должны иметь несколько десятков полюсов. Гидрогенераторы выполняются на большие мощности. Самые мощные генераторы в настоящее время построены для Саяно–Шушенской ГЭС. Они имеют мощность 715 МВ×А при частоте вращения 143 об/мин. Внешний диаметр гидрогенераторов составляет около 15 м, диаметр его ротора около 12 м, длина магнитопровода статора – 2,75 м. Число полюсов – 42.

В гидрогенераторах относительно небольшой мощности применяется косвенное воздушное охлаждение. Для гидрогенераторов малой мощности допускается применение разомкнутой системы вентиляции, а в более мощных машинах вентиляция осуществляется по замкнутому циклу. В машинах предельной мощности используется непосредственное охлаждение, где в качестве охлаждающей среды применяется дистиллированная вода. Водород для охлаждения гидрогенераторов не применяется из-за трудностей выполнения уплотнений.

Ниже приведены некоторые из серий гидрогенераторов, выпускаемых промышленностью: СВ, ВГС – синхронные вертикальные гидрогенераторы с непосредственным охлаждением обмотки ротора воздухом.

Тип гидрогенератора обозначается следующим образом:

ХХ/ХХ,

1 2 3

где 1 – тип гидрогенератора;

2 – дробное число, числитель которого указывает внешний диаметр, знаменатель – длину активной стали, в сантиметрах (см).

3 – число полюсов.

Например, обозначение СВ 1190/250–48 означает, что гидрогенератор относится к серии СВ и имеет внешний диаметр статора 1190 см, длину – 250 см и число полюсов – 48.

Иногда синхронные двигатели, работающие без нагрузки на валу, используются в качестве источников и потребителей реактивной мощности. Такие синхронные машины называют синхронными компенсаторами. Синхронные компенсаторы серии КС выполняются закрытыми с косвенным воздушным охлаждением.

Компенсаторы серии КСВБ (или КСВБО) имеют водородное охлаждение при избыточном давлении 0,1–0,2 МПа.

КС – компенсатор синхронный, В – с водородным охлаждением, Б – возбуждение бесщеточное нереверсивное, БО – возбуждение бесщеточное реверсивное.

Обозначение типов синхронных компенсаторов:

КСВБХХ,

1 2 3

где 1 – серия компенсатора;

2 – номинальная мощность, МВ×А;

3 – номинальное напряжение, кВ.

Например, обозначение КСВБ100-11 означает, что синхронный компенсатор с водородным охлаждением и бесщеточным нереверсивным возбуждением имеет мощность 100 МВ×А, а его номинальное напряжение – 11 кВ.

Для правильности изображения систем электроснабжения со всем многообразием составляющих ее элементов используются общепринятые условные обозначения, позволяющие наглядно изобразить структуру и взаимосвязь электроэнергетической системы или ее отдельных узлов.

При выполнении задания рекомендуются следующие размеры условных обозначений: Диаметры статора и ротора электрических машин соответственно – 20 и 10 мм, высота подвижных контактов коммутационных аппаратов (короткозамыкатели, разъединители, отделители) – 6 мм; диаметры измерительных приборов и обмоток трансформаторов – 10 мм; длина малой электрической линии – 5 мм, большой – 10 мм; прямоугольники для обозначения предохранителей – 10 ´ 4 мм; диаметры полуокружностей трансформаторов тока – 5 мм и части окружности реакторов – 5 мм.