План урока: пошаговая инструкция и структура конспекта для педагога

План урока.

Предмет: МДК 01.01 Техническое обслуживание электрооборудования электрических станций, сетей и систем

Тема: Общие сведения о синхронных генераторах.

Тип урока: Комбинированный.

Цель: 1. Образовательная: изучить общие сведения о синхронных

генераторах.

2. Развивающая: исследовать устройство, принцип действия,

разновидность, а также процессы, происходящие во время

работы.

Обеспечение урока: 1. Наглядные пособия:

а) плакат синхронного генератора

2. Раздаточный материал.

Литература: Кацман М.М «Электрические машины», стр.273 – 361.

Ход урока.

1. Организационный момент:

а. проверка учащихся к уроку.

б. постановка цели сегодняшнего урока.

2. Актуализация опорных знаний:

а. Какой ток называется переменным?

б. Что является источником переменного тока?

в. Виды генераторов в зависимости от способа возбуждения.

г. Назначение электрических двигателей.

1. Формирование новых знаний и способов действий.

а. Краткая история создания синхронных электрических машин.

б. Значение синхронных машин в народном хозяйстве.

в. Принцип действия.

г. Устройство.

4. Актуализация полученных на уроке знаний.

Провести в виде устного опроса.

1. Подведение итогов урока по результатам опроса.

Ход урока

Синхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой равна частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре.

Устройство. Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор. Наиболее частым исполнением является такое, при котором якорь располагается на статоре, а на отделённом от него воздушным зазором роторе находится индуктор. Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. Поле якоря оказывает воздействие на поле индуктора и называется поэтому также полем реакции якоря. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора.

Индуктор состоит из полюсов — электромагнитов постоянного тока или постоянных магнитов (в микромашинах). Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, незаполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.

Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную конструкцию из электротехнической стали (то есть набранную из отдельных листов). Электротехническая сталь обладает рядом интересных свойств. В том числе она имеет повышенное содержание кремния, чтобы повысить её электрическое сопротивление и уменьшить тем самым вихревые токи.

Как всякая электрическая машина синхронная машина может работать в режимах двигателя и генератора.

Двигательный режим

Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт щетка - кольцо), в маломощных — постоянные магниты. Существует обращённая конструкция двигателей, в которой якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а также в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники.)

Запуск двигателя. Двигатель требует разгона до частоты, близкой к частоте вращения магнитного поля в зазоре, прежде чем сможет работать в синхронном режиме. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора (если индуктор расположен на статоре, то получается, что вращающееся магнитное поле вращающегося якоря (ротора) неподвижно относительно постоянного поля индуктора (статора), если индуктор на роторе, то магнитное поле вращающихся полюсов индуктора (ротора) неподвижно относительно вращающегося магнитного поля якоря (статора)) — это явление называется «вход в синхронизм».

Для разгона обычно используется асинхронный режим, при котором обмотки индуктора замыкаются через реостат или накоротко, как в асинхронной машине, для такого режима запуска в машинах на роторе делается короткозамкнутая обмотка, которая также выполняет роль успокоительной обмотки, устраняющей "раскачивание" ротора при синхронизации. После выхода на скорость близкую к номинальной (>95%) ( подсинхронная скорость ) индуктор запитывают постоянным током.

В двигателях с постоянными магнитами применяется внешний разгонный двигатель.

Часто на валу ставят небольшой генератор (постоянного тока или переменного тока с выпрямлением), т.н. "возбудитель" который питает электромагниты.

Также используется частотный пуск, когда частоту тока якоря постепенно увеличивают от 0 до номинальной величины. Или, наоборот, когда частоту индуктора понижают от номинальной до 0, т.е. до постоянного тока.

Генераторный режим

Обычно синхронные генераторы выполняют с якорем, расположенным на статоре, для удобства отвода электрической энергии. Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3...2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух контактных колец не вызывает особых затруднений. Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции; при вращении ротора магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, сцепляется поочередно с каждой из фаз обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. В наиболее распространенном случае применения трехфазной распределенной обмотки якоря в каждой из фаз, смещенных друг относительно друга на 120 градусов, индуцируется синусоидальная ЭДС. Соединяя фазы по стандартным схемам «треугольник» или «звезда», на выходе генератора получают трехфазное напряжение, являющееся общепринятым стандартом для магистральных электросетей.

Разновидности синхронных машин

Гидрогенератор — явнополюсный синхронный генератор, предназначенный для выработки электрической энергии в работе от гидравлической турбины (при низких скоростях вращения 50-600 об/мин).

Турбогенератор  — неявнополюсный синхронный генератор, предназначенный для выработки электрической энергии в работе от паровой или газовой турбины при высоких скоростях вращения ротора (6000 (редко), 3000, 1500 об/мин.)

Синхронный компенсатор — синхронный двигатель, предназначенный для выработки реактивной мощности, работающий без нагрузки на валу (в режиме холостого хода); при этом по обмотке якоря проходит практически только реактивный ток. Синхронный компенсатор может работать в режиме улучшения коэффициента мощности или в режиме стабилизации напряжения. Дает ёмкостную нагрузку.

Машина двойного питания (в частности АСМ) — синхронная машина с питанием обмоток ротора и статора токами разной частоты, за счёт чего создаются несинхронные режимы работы

Ударный генератор — синхронный генератор (как правило, трёхфазного тока), предназначенный для кратковременной работы в режиме короткого замыкания (КЗ). Также существуют безредукторные, шаговые, индукторные, гистерезисные, бесконтактные синхронные двигатели.

Конструктивная схема машины. Синхронные машины выпол­няют с неподвижным или вращающимся якорем. Машины большой мощности для удобства отвода электрической энергии со статора или подвода ее выполняют с неподвижным якорем (рис.1, а).Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3—2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух колец не вызывает особых затруднений. Синхронные машины не­большой мощности выполняют как с неподвижным, так и с вра­щающимся якорем. В обращенной синхронной машине с вращающимся якорем и неподвижным индуктором (рис.1, б) нагрузка подключается к обмотке якоря посредством трех колец.

Рис. 1 - Конструктивная схема синхронной машины с неподвижным и вращающимся якорем: 1 - якорь; 2 - обмотка якоря; 3 - полюсы индуктора; 4 - обмотка возбуждения; 5 - кольца и щетки.

Рис.2- Роторы синхронных неявнополюсной
и явнополюсной машин: 1 — сердечник ротора; 2 — обмотка возбуждения.

Конструкция ротора. В синхронных машинах применяют две различные конструкции ротора: неявнополюсную — с неявновыраженными полюсами (рис. 2, а) и явнополюсную — с явновыраженными полюсами (рис. 2, б).

Двух- и четырехполюсные машины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1500 и 3000 об/мин, изготовляют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения необходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотку возбуждения в такой машине размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки, и укрепляют немагнитными клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят с помощью стальных массивных бандажей. Для получения приблизительно синусоидального распределения магнитной индукции обмотку возбуждения укладывают в пазы, занимающие 2/3 полюсного деления.

Явнополюсный ротор обычно используют в машинах с четырьмя полюсами и более. Обмотку возбуждения в этом случае выполняют в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках полюсов и укрепляют с помощью полюсных наконечников. Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготовляют из листовой стали.

Рис. 3 - Устройство явнополюсной машины: 1 — корпус; 2 — сердечник статора; 3— обмотка статора; 4 — ротор; 5 — вентилятор; 6 — выводы обмоток; 7 —контактные кольца; 8 — щетки;9 – возбудитель.

Рис. 4 - Устройство пусковой  обмотки в  синхронных двигателях: 1 — полюсы ротора; 2 — короткозамыкающие кольца; 3 — стержни «беличьей клетки»; 4 — полюсные наконечники.

 В синхронной машине (рис. 3) сердечник статора собирают из изолированных листов электротехнической стали и на нем располагают трехфазную обмотку якоря. На роторе размещают обмотку возбуждения. В явнополюсных машинах полюсным наконечникам обычно придают такой профиль, чтобы воздушный зазор между полюсным наконечником и статором был минимальным под серединой полюса и максимальным у его краев, благодаря чему кривая распределения индукции в воздушном зазоре приближается к синусоиде.

В полюсных наконечниках синхронных двигателей с явно-полюсным ротором размещают стержни пусковой обмотки (рис.4), выполненной из материала с повышенным удельным электрическим сопротивлением (латуни). Такую же обмотку (типа «беличья клетка»), состоящую из медных стержней, применяют и в синхронных генераторах; ее называют успокоительной илидемпферной обмоткой, так как она обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих в переходных режимах работы синхронной машины. Если синхронная машина выполнена с массивными полюсами, то при пуске и переходных режимах в них возникают вихревые токи, действие которых эквивалентно действию тока в короткозамкнутой обмотке.

Рис. 5 - Схемы возбуждения синхронной машины: 1 - обмотка якоря; 2 - ротор генератора; 3 - обмотка возбуждения; 4 - кольца; 5 - щетки; 6 - регулятор напряжения; 7 - возбудитель;  8 - выпрямитель; 9 - обмотка якоря возбудителя; 10 - ротор возбудителя; 11 - обмотка возбуждения возбудителя; 12- подвозбудитель; 13 - обмотка возбуждения подвозбудителя.

Питание обмотки возбуждения. В зависимости от способа питания обмотки возбуждения различают системы независимого возбуждения и самовозбуждения. При независимом возбуждении в качестве источника для питания обмотки возбуждения служит генератор постоянного тока (возбудитель), установленный на валу ротора синхронной машины (рис. 6.6, а), либо отдельный вспомогательный генератор, приводимый во вращение синхронным или асинхронным двигателем. При самовозбуждении обмотка возбуждения питается от обмотки якоря через управляемый или неуправляемый выпрямитель — обычно полупроводниковый (рис. 6.6, б). Мощность, необходимая для возбуждения, сравнительно невелика и составляет 0,3 — 3% от мощности синхронной машины.

В мощных генераторах кроме возбудителя обычно применяют подвозбудитель — небольшой генератор цостоянного тока, служащий для возбуждения основного возбудителя. Основным возбудителем в этом случае может служить синхронный генератор совместно с полупроводниковым выпрямителем. Питание обмотки возбуждения через полупроводниковый выпрямитель, собранный на диодах или на тиристорах, широко применяют как в двигателях и генераторах небольшой и средней мощности, так и в мощных турбо- и гидрогенераторах (тиристорная система возбуждения). Регулирование тока возбуждения I_в осуществляется автоматически специальными регуляторами возбуждения, однако в машинах небольшой мощности применяется регулировка и вручную реостатом, включенным в цепь обмотки возбуждения. При необходимости форсирования возбуждения генератора повышают напряжение возбудителя и увеличивают выходное напряжение выпрямителя.

В современных синхронных генераторах применяют так называемую бесщеточную систему возбуждения (рис.5, в). При этом в качестве возбудителя используют синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу. Обмотка возбуждения возбудителя получает питание от подвозбудителя, снабженного регулятором напряжения. При таком способе возбуждения в цепи питания обмотки возбуждения генератора отсутствуют скользящие контакты, что существенно повышает надежность системы возбуждения.

Особенности конструкции больших машин

В синхронных машинах большой мощности отдельные части испытывают очень большие механические и электромагнит­ные нагрузки; по интенсивности нагрузок они превосходят все другие электрические машины. Поэтому в них выделяется большое количество теплоты, что требует применения весьма интенсивного охлаждения.

Стремление получить максимальную мощность в заданных габаритах или минимальные габариты при заданной мощности, характерное для проектирования всех электрических машин, в синхронных машинах привело к появлению своеобразных конструкций, сильно отличающихся друг от друга и определяемых в основном типом первичного двигателя.

По конструкции крупные синхронные машины подразделяют на турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы, синхронные компенсаторы и синхронные двигатели.

Турбогенераторы. Эти машины, приводимые во вращение быстроходными паровыми или газовыми турбинами, выполняют неявнополюсными. Турбогенераторы, предназначенные для установки на тепловых электростанциях обычного типа, работают, как правило, при максимально возможной частоте вращения 3000 об/мин (имеют два полюса), что позволяет существенно уменьшить габариты и массу машины, а также паровой турбины.

Турбогенераторы выполняют с горизонтальным расположением вала ротора (рис. 6).

Рис.6 Общий вид турбогенератора ТВВ-1200-2:
1—корпус; 2 — камеры для сбора и распределения охлаждающего газа; 3 —
статор; 4 — обмотка статора; 5 — подшипник; 6 — вал; 7 — ротор.

Роторы турбогенераторов изготовляют из цельных поковок высококачественной стали (рис. 7, а). Диаметр ротора определяется условиями механической прочности; для ограничения действующих на ротор центробежных сил он не должен превышать 1,0—1,5 м, поэтому увеличивают его длину. Однако и длина ротора ограничивается допустимым прогибом вала и возникающими при этом вибрациями. Для того чтобы прогиб вала при неподвижном роторе не превышал 2,5 мм, длина ротора турбогенератора не должна превышать 7,5 — 8,5 м. Следовательно, отношение длины к диаметру достигает 5 — 6. Указанные размеры ротора являются предельными по возможностям металлообрабатывающих заводов.

Рис.7 - Общий вид роторов турбогенератора  (а), гидрогенератора (б)и синхронного двигателя (в): 1 — контактные  кольца;  2 — кольцевые   бандажи;   3 — ротор;  4 — металлические клинья; 5 — вентилятор; 6 — вал; 7 — обмотка возбуждения; 8 — полюсы; 9 — пусковая обмотка.

Гидрогенераторы. Эти машины приводятся во вращение сравнительно тихоходными гидравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50—500 об/мин; поэтому их выполняют с большим числом полюсов и явнополюсными роторами (рис. 6.12,б). Диаметр ротора достигает у мощных машин 16 м при длине 1,75 м (в генераторах мощностью 590—640 MB•А), т.е. для таких генераторов отношение длины к диаметру составляет 0,11—0,20.

Гидрогенераторы мощностью свыше нескольких десятков мега-вольт-ампер выполняют с вертикальным расположением вала (рис.8).

Рис. 8 - Общий  вид  гидрогенератора  с  вертикальным  располо­жением вала: 1 - верхняя  крестовина;  2 - статор;  3 - полюсы  ротора;  4 - обод  ротора; 5 - вал; 6 –охладители.

Дизель-генераторы. Эти генераторы предназначены для привода во вращение от двигателей внутреннего сгорания (дизелей). Их выполняют, как правило, явнополюсными с горизонтальным расположением вала. Дизельгенераторы имеют обычно один подшипник; второй опорой ротора служит подшипник дизеля, вал которого жестко соединен с валом ротора генератора. Возбудитель устанавливают непосредственно на валу ротора или же он приводится от него во вращение с помощью клиноременной передачи.

Дизель-генераторы выпускают серийно мощностью от нескольких кВ • А до нескольких MB • А при частотах вращения от 100 до 1500 об/мин.

Синхронные компенсаторы. Эти машины предназначены для. генерирования или потребления реактивной мощности с целью улучшения коэффициента мощности сети и регулирования ее напряжения. Их обычно выполняют явнополюсными с горизонтальным расположением вала; они работают при частоте вращения 750—1000 об/мин. При мощности до 25 MB•А синхронные компенсаторы имеют воздушное охлаждение, а при больших мощностях — водородное.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/486669-plankonspekt-uroka