Синхронные машины. 
Электрические машины

Режимы работы синхронных машин

В синхронных машинах угловая скорость ротора равна синхронной угловой скорости поля Гор = со_с. Из модели обобщенной электрической машины синхронные машины можно получить, если к обмоткам статора подвести переменные токи, а к обмоткам ротора — постоянный ток (см. рис. 1.25). Процессы преобразования энергии происходят так же, если в обмотках ротора протекают переменные токи, а па статоре находятся обмотки, в которых протекают постоянные токи. Такие машины называются обращенными. Обращенные машины находят меньшее применение, поскольку мощность возбуждения значительно меньше мощности машины и удобнее силовые обмотки располагать на неподвижной части.

Как и во всех электрических машинах, поля статора и ротора в синхронных машинах неподвижны относительно друг друга, а так как в обмотках ротора протекают постоянные токи (J2 = 0), поля статора и ротора неподвижны относительно ротора.

Синхронные машины работают в трех режимах: генераторном, двигательном и в режиме синхронного компенсатора.

Наиболее распространенным режимом работы синхронных машин является генераторный режим. Без преувеличения можно сказать, что почти вся электрическая энергия на Земле вырабатывается синхронными машинами. Синхронные генераторы — самые мощные электрические машины, созданные человеком. На тепловых и атомных электростанциях эксплуатируются турбогенераторы мощностью 1200 МВ т на 3000 об/мин и 1600 МВт на 1500 об/мин.

Турбогенераторы — неявнополюсные быстроходные электрические машины. Они имеют диаметр ротора 1,2— 1,25 м и длину активной части статора около 7 м. В турбогенераторах достигнуты наивысший КПД для вращающихся машин, примерно равный 99%, и масса на единицу мощности, равная 0,456 кг/(кВ А). Гидрогенераторы — явнополюсные тихоходные электрические машины. Диаметр ротора Красноярского гидрогенератора мощностью 500 МВт равен 16,1 м, высота сердечника — 1,75 м, КПД — 98,2%. Масса Красноярского гидрогенератора 1650 т.

Основными па ТЭЦ в ближайшие годы будут турбогенераторы мощностью 300, 500 и 800 МВт.

Синхронные генераторы для дизель-генераторных установок имеют мощность от сотен до десятков тысяч киловатт. Выпуск автомобильных и тракторных генераторов мощностью сотни ватт и несколько киловатт достигает десятков миллионов штук в год.

В режиме двигателя синхронные машины используются в качестве приводных двигателей мощных насосов, вентиляторов, воздуходувок. Предельная мощность синхронных двигателей достигает нескольких сотен мегаватт.

Синхронные микродвигатели широко применяются в различных электроприводах. В больших количествах выпускаются двигатели, в которых для создания поля возбуждения применяются постоянные магниты. Синхронные двигатели мощностью в десятки киловатт выпускаются в небольших количествах из-за плохих пусковых свойств и склонности к качаниям.

Одним из основных достоинств синхронных машин является то, что они могут быть источниками реактивной мощности. Если асинхронные машины для создания поля потребляют из сети реактивную мощность, то синхронные машины в зависимости от степени возбуждения выдают в сеть или потребляют из сети реактивную мощность.

Синхронные машины, работающие в режиме генераторов или потребителей реактивной мощности, называются синхронными компенсаторами. Для повышения динамической устойчивости энергосистем и повышения качества электроэнергии необходимо выпускать синхронные компенсаторы примерно в таком же количестве, что и синхронные генераторы. Синхронные компенсаторы выполняются на базе явнои неявнополюсных синхронных машин.

Как и все электрические машины, синхронные машины обратимы. В настоящее время для гидроаккумулирующих станций выпускаются гидроагрегаты, которые при избытке электроэнергии в системе работают в качестве насосов, закачивая воду из нижнего бьефа плотины в верхний, а при пиках нагрузки в системе — в качестве гидравлической тур;

бины, которая вращает генератор, вырабатывающий электроэнергию. В этом случае одна и та же синхронная машина используется в генераторном и двигательном режимах.

Как правило, синхронные генераторы и двигатели эксплуатируются с cos ф = 0,8-^0,9. При этом реактивная энергия поступает в сеть, если синхронная машина работает при перевозбуждении.

Турбогенераторы выполняются с горизонтальным валом на частоту вращения 3000 и 1500 об/мин. Гидрогенераторы — тихоходные машины, как правило, с вертикальной осью вращения. Гидравлическая турбина располагается под гидрогенератором и соединяется с ним фланцевым соединением. Гидрогенераторы по габаритам значительно больше турбогенераторов. Конструктивные части гидрогенератора занимают большой объем. Опорный подшипник воспринимает массу ротора, гидравлической турбины и напор столба воды. Так, сила давления на подпятник в гидрогенераторе, имеющем мощность 225 МВт, составляет 3,5−10⁷ Н. Вместе с гидравлической турбиной высота агрегата составляет 25−30 м.

Первые городские и районные электростанции появились в начале XX в. Паровая турбина была соединена с турбогенератором в 1899 г.

После революции выработка электроэнергии в СССР увеличилась в 1000 раз. Такой рост производства электроэнергии был обеспечен за счет роста единичной мощности турбои гидрогенераторов.

Мощность турбогенераторов за последние 30—40 лет практически в тех же габаритах увеличилась в 10 раз. Это одно из самых крупных научных достижений второй половины XX в. Эго увеличение мощности было достигнуто за счет форсированного охлаждения машин. Применение внутреннего водяного охлаждения обмоток и магнитопровода позволяет довести мощность турбогенераторов до значений свыше 2000 МВт.

В 1923 г. завод «Элек тросила» выпустил для Волховской ГЭС гидрогенератор мощностью 7 МВт и частотой вращения 75 об/мин. На Днепрогэсе в 1934 г. были установлены гидрогенераторы мощностью 63 МВт и частотой вращения 88,2 об/мин. После войны для волжских ГЭС были построены гидрогенераторы мощностью 125 МВт и частотой вращения 68,2 об/мин. Братские гидрогенераторы, выпущенные в 1950;х гг., имеют мощность 225 МВт и частоту вращения.

125 об/мин. Красноярская машина разработки 1960;х гг. имеет мощность 500 МВт и частоту вращения 93,8 об/мин; генераторы на восстанавливаемой Саяно-Шушенской ГЭС — одни из самых мощных в мире — 640 МВт (720 MB A) при частоте вращения 142,8 об/мин.

В ближайшие годы будут созданы еще более мощные гидрогенераторы. Предельная мощность гидрогенераторов лимитируется мощностью гидроэлектростанций.

Синхронные машины благодаря их преимуществам перед асинхронными находят новые применения, и их выпуск и области применения с каждым годом расширяются.

Согласно ГОСТу 183—74 (2001) и стандартам на турбо-, гидрогенераторы и синхронные компенсаторы к числу поминальных данных, выбиваемых на табличке, укрепленной на корпусе машины, относятся:

• • номинальная мощность (для генераторов и компенсаторов — полная мощность в киловольт-амперах, для двигателей — мощность на валу в киловаттах);
• • номинальный коэффициент мощности (при перевозбуждении);
• • номинальный КПД (для двигателей);
• • схема соединений обмоток;
• • номинальное (линейное) напряжение, В;
• • частота вращения, об/мин (для гидрогенераторов указывается и угонная частота вращения);
• • частота тока якоря, Гц;
• • номинальный линейный ток якоря, А;
• • номинальные напряжения и ток обмотки возбуждения.

На щитке указывается также завод — изготовитель машины и год выпуска.