Устройство синхронной машины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Электроэнергетика является важнейшей составной частью топливно-энергетического комплекса страны, обладает рядом специфических черт, делающих ее непохожей ни на одну отрасль промышленности. По существу, она должна быть признана отраслью национального хозяйства, поскольку пронизывает все его сферы.

В Федеральном законе «Об электроэнергетике» дается определение: «Электроэнергетика - отрасль экономики Российской Федерации, включающая в себя комплекс экономических отношений, возникающих в процессе производства (в том числе производства в режиме комбинированной выработки электрической и тепловой энергии), передачи электрической энергии, оперативно-диспетчерского управления в электроэнергетике, сбыта и потребления электрической энергии с использованием производственных и иных имущественных объектов (в том числе входящих в Единую энергетическую систему России), принадлежащих на праве собственности или на ином предусмотренном федеральными законами основании субъектам электроэнергетики или иным лицам».

В технологическом смысле электроэнергетика представляет собой единый технологический процесс производства, передачи, распределения и потребления электрической и тепловой энергии, произведенной в режиме комбинированной выработки.

Электроэнергетика является основой функционирования экономики и жизнеобеспечения. В процессе своего функционирования и развития электроэнергетика сотрудничает со многими отраслями и конкурирует с некоторыми из них. В электроэнергетическое производство входят собственно производство, передача и распределение электрической и тепловой энергии, а также оказание различных услуг.

Электроэнергетика представляет собой комплекс, потребляющий определенные ресурсы (трудовые, материальные, энергетические, финансовые) и выдающий электрическую и тепловую энергию.

Эта бытовыми и прочими потребителями.

Эффективность электроэнергетики в целом может быть оценена, с одной стороны, по ее вкладу в повышение эффективности экономики, улучшение социальных условий, улучшение экологической обстановки, а с другой - по затратам, которые несет общество на функционирование электроэнергетики (стоимость электроэнергии, отпускаемой потребителям, количество занятого персонала, другие показатели).

Электроэнергетическое производство (генерация, передача, распределение, сбыт электрической и тепловой энергии), как и всякое другое производство, состоит из трех последовательных этапов: подготовка производства, собственно производство, поставка продукции.

Субъектами электроэнергетики являются лица, осуществляющие деятельность в сфере электроэнергетики: производство электрической и тепловой энергии, поставки (продажа) электрической энергии, энергоснабжение потребителей, предоставление услуг по передаче электрической энергии, оперативно-диспетчерское управление в электроэнергетике, сбыт электрической энергии, организация купли- продажи электрической энергии.

Отличительные особенности электроэнергетики как технической системы:

1) невозможность запасать электрическую энергию в значительных масштабах, в связи с чем имеет место постоянное единство производства и потребления;

2) зависимость объемов производства энергии исключительно от потребителей;

3) необходимость оценивать объемы производства и потребления энергии не только в расчете на год (квартал, месяц), но и текущие величины энергетических нагрузок (мощность);

4) необходимость бесперебойности энергоснабжения потребителей, являющейся важнейшим условием работы всего национального хозяйства и жизнедеятельности населения;

5) планирование энергопотребления на каждые сутки и каждый час в течение года, т.е. необходимость разработки графиков нагрузки на каждый день каждого месяца с учетом сезона, климатических условий, дня недели и других факторов;

6) зависимость качества продукции не только от производителя и поставщика, но и от потребителя.

Эти специфические условия породили отраслевые традиции в производственной и управленческой структуре электроэнергетики, при этом главной особенностью является создание и функционирование Единой энергетической системы страны.

По определению закона «Об электроэнергетике», «Единая энергетическая система России - совокупность производственных и иных имущественных объектов электроэнергетики, связанных единым процессом производства (в том числе производства в режиме комбинированной выработки электрической и тепловой энергии) и передачи электрической энергии в условиях централизованного оперативно-диспетчерского управления в электроэнергетике».

В разное время отдельные части предприятия ТЭК административно подчинялись разным министерствам и ведомствам. Наряду с другими отраслями топливно-энергетического комплекса электроэнергетика входит в состав Министерства промышленности и энергетики (Минпромэнерго). Участвует в работе по единому графику производства электроэнергии атомная энергетика - система Министерства атомной энергетики (Минатомэнерго). В условиях рыночной экономики все эти организационно-административные построения могут меняться, а отдельные предприятия и их объединения получают существенную степень экономической свободы и независимости от вертикальных организационных структур.

Основой структуры электроэнергетической отрасли являются электрические станции различных типов.

По первичному энергоресурсу, потребляемому для производства электрической (иногда и тепловой) энергии, электростанции можно подразделить: на тепловые (топливные) (ТЭС), в том числе теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и конденсационные электростанции (КЭС), атомные (АЭС), гидравлические (ГЭС), прочие (солнечные, геотермальные, приливные, ветряные и др.).

Все перечисленные типы электростанций обладают разными экономическими показателями, поэтому имеют несколько разные области применения. Главными показателями, определяющими всю экономику энергетического производства, являются капитальные затраты на единицу мощности и себестоимость единицы энергии, годовые эксплуатационные расходы.

1. Общая часть

1.1 Анализ оборудования

Синхронный двигатель СД 85/57-10. Принцип действия и устройство. Синхронный двигатель может работать в качестве генератора и двигателя. Синхронный двигатель выполнен так же, как и синхронный генератор. Его обмотка якоря I (рисунок 1, а) подключена к источнику трехфазного переменного тока; в обмотку возбуждения 2 подается от постороннего источника постоянный ток. Благодаря взаимодействию вращающегося магнитного поля 4, созданного трехфазной обмоткой якоря, и поля, созданного обмоткой возбуждения, возникает электромагнитный момент М (рисунок 1,б), приводящий ротор 3 во вращение. Однако в синхронном двигателе в отличие от асинхронного ротор будет разгоняться до частоты вращения n = n₁, с которой вращается магнитное поле (до синхронной частоты вращения).

Рисунок 1. Электрическая (а) и электромагнитная (б) схемы синхронного электродвигателя

электроэнергетика синхронный двигатель сопротивление

Объясняется это тем, что ток в обмотку ротора подается от постороннего источника, а не индуцируется в нем магнитным полем статора и, следовательно, не зависит от частоты вращения вала двигателя. Характерной особенностью синхронного двигателя является постоянная частота вращения его ротора независимо от нагрузки. Электромагнитный момент в синхронном двигателе возникает в результате взаимодействия магнитного потока ротора (потока возбуждения Ф_в) с вращающимся магнитным полем, создаваемым трехфазным током, протекающим по обмотке якоря (потоком якоря Ф_в). При холостом ходе машины оси магнитных полей статора и ротора совпадают (рисунок 2,а). Поэтому электромагнитные силы I, возникающие между «полюсами» статора и полюсами ротора, направлены радиально (рисунок 2, б) и электромагнитный момент машины равен нулю. При работе машины в двигательном режиме (рисунок 2, в и г) ее ротор под действием приложенного к валу внешнего нагрузочного момента М_вн смещается на некоторый угол 0 против направления вращения. В этом случае в результате электромагнитного взаимодействия между ротором и статором создаются электромагнитные силы I, направленные по направлению вращения, т. е. образуется вращающий электромагнитный момент М, который стремится преодолеть действие внешнего М_вн. Максимум момента М_max соответствует углу 90°, когда оси полюсов ротора расположены между осями «полюсов» статора.

Если нагрузочный момент М_вн, приложенный к валу электродвигателя, станет больше М_max, то двигатель под действием внешнего момента М_вн останавливается; при этом по обмотке якоря неподвижного двигателя будет протекать очень большой ток. Этот режим называется выпаданием из синхронизма, он является аварийным и не должен допускаться.

При работе машины в генераторном режиме (рисунок 2, д и е) ротор под действием приложенного к валу внешнего момента М_вн смещается на угол по направлению вращения. При этом создаются электромагнитные силы, направленные против вращения, т.е. образуется тормозной электромагнитный момент М. Таким образом, при изменении значения и направления внешнего момента на валу ротора М_вн изменяется лишь угол между осями полей статора и ротора, в то время как в асинхронной машине в этом случае изменяется частота вращения ротора.

Пуск в ход и регулирование частоты вращения. Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если подключить обмотку якоря к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока электромагнитный момент будет дважды менять свое направление, т. е. средний момент за период будет равен нулю. Следовательно, для пуска в ход синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной. Для этой цели применяют метод асинхронного пуска. Синхронный двигатель пускают в ход как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой 3. В полюсные наконечники ротора 2 синхронного двигателя закладывают медные или латунные стержни, замкнутые накоротко двумя торцовыми кольцами. Пусковая обмотка выполнена подобно беличьей клетке асинхронной машины, но занимает лишь часть окружности ротора. В некоторых двигателях специальная короткозамкнутая обмотка

Рисунок 2. Электромагнитный момент в синхронной машине, образующийся в различных режимах

Двигатели СД2 выпущены на замену серии СД. У них обозначение габарита (12 или 13) заменено на размер наружного диаметра сердечника статора (74 или 85), вторая цифра обозначает длину сердечника в СМ, третья - число полюсов. Они имеют монтажное исполнение 1М1001, степень защиты IP23, климатическое исполнение УЗ (на напряжение 380 В) и УХЛ4 (на 6000 В). Класс нагревостойкости изоляции обмотки статора - В (до 1987 г.) и затем F, ротора - В. Двигатели имеют однорядный шарикоподшипник со стороны контактных колец и однорядный роликоподшипник со стороны привода. Охлаждение воздушное, с самовентиляцией. Щиты подшипниковые - сварные. Кольца контактные - чугунные, кольца и траверса со щетками закрыты съемным колпаком. Коробка выводов расположена с правой стороны станины, если смотреть со стороны рабочего конца вала. Зажимы дополнительной обмотки статора, к которой подведены ее 4 выводных провода, расположены на панели внутри.

Двигатели могут иметь как правое, так и левое направление вращения и допускают 2 пуска подряд из холодного состояния и один - из нагретого.

Принцип действия возбудительного устройства (ВУ) для СД2 на напряжение 6 кВ поясняется структурной схемой рис. Тиристорный преобразователь ВУ выполнен по схеме трехфазного выпрямителя с нулевым выводом и состоит из 6 тиристоров Т-160 с естественным воздушным охлаждением. Его питание осуществляется от дополнительной обмотки синхронного двигателя через автоматический выключатель BI. В каждой фазе преобразователя имеются делители тока для выравнивания токов между ее параллельно включенными тиристорами.

Параллельно обмотке возбуждения синхронного двигателя через тиристорный ключ включено пусковое сопротивление R1, замыкающее обмотки ротора во время асинхронного пуска синхронного двигателя. Ключ открывается при напряжении на роторе, превышающем установку срабатывания ключа. Функция управления преобразователем осуществляется электронной системой управления (ЭСУ), в состав которой входят: 1) блок питания и синхронизации; 2) фазоимпульсное устройство; 3) схема пуска; 4) схема инвентирования; 5) схема форсировки; 6) схема уставок.

Включение и отключение высоковольтного выключателя В2 производится ключом, установленным на дверце шкафа, Цепи управления В2 и контроля его состояния питаются от сети постоянного тока напряжением 220 В, о состоянии В2 сигнализируют лампочки, установленные в шкафу.

По окончании асинхронного пуска синхронного двигателя и снижении тока его статора до установленного значения схема пуска осуществляет автоматическую подачу возбуждения. При падении напряжения в цепи статора до 0,8...0,85 UHOM схема форсировки осуществляет форсировку возбуждения, которая прекращается при повышении напряжения до 0,9,0,92 Uном. При отключении В2 (ключом шкафа или по электрическому сигналу извне) включается цепь инвентирования и производится форсированное гашение поля возбуждения. Функцию защиты дополнительной обмотки синхронного двигателя при КЗ в преобразователе выполняет автоматический выключатель BI, который одновременно своими вспомогательными контактами замыкает цепь отключения.

В шкафу ВУ для синхронного двигателя на напряжение 380 В при токе до 500 А установлены автоматический выключатель и контактор для включения статора, а при токе свыше 500 А - только автоматический выключатель с дистанционным управлением. Цепи управления и контроля этих аппаратов питаются через свой автоматический выключатель напряжением 220 В переменного тока (50 Гц).

2.2 Проверочный расчет электрооборудования

Частота вращения ротора всегда равна синхронной частоте n1 = f 1 60 / p поэтому график n 2 = f (P2) имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс.

Полезный момент на валу синхронного двигателя M 2 = P2 / щ1. Так как рабочие характеристики снимают при неизменной частоте вращения, то график M 2 = f (P2) имеет вид прямой, выходящей из начала координат.

Активная потребляемая мощность двигателя P1 = P2 + ? P. С ростом нагрузки на валу двигателя увеличиваются потери ? P, поэтому потребляемая мощность P1 растет быстрее полезной мощности P2 и график P1 = f (P2) имеет несколько криволинейный вид.

График cos ? 1 = f (P2) зависит от степени возбуждения двигателя в режиме холостого хода. Если при холостом ходе cos ? 1 = 1, то при увеличении нагрузки он уменьшается.

Ток в обмотке статора двигателя определяется выражением

I1= m1U 1 cos ?1

из которого видно, что ток I 1 с увеличением нагрузки на валу двигателя растёт быстрее, чем потребляемая мощность P1, вследствие уменьшения cos ? 1.

Так как ротор синхронного двигателя вращается в ту же сторону, что и поле статора, то направление вращения ротора определяется порядком следования фаз линейных проводов, подведенных к обмотке статора, и порядком расположения фазных обмоток статора. Для изменения направления вращения трехфазного синхронного двигателя необходимо переключить два линейных привода, подведенных из сети к выводам обмотки статора.

Для провода с электрическим током удельная мощность P_V (мощность на единицу объема), рассеиваемая в проводе из-за наличия электрического сопротивления и превращающаяся в тепло, может быть найдена по формуле:

P_V = j² r_E

где r_E - удельное электрическое сопротивление токопроводящего материала провода, l - фактор упаковки. От плотности тока в обмотке j зависит мощность тепловыделения и, соответственно, температура обмотки. Эта температура не должна превышать максимально допустимой для данной марки провода. Расчет температуры внутри обмотки и допустимой плотности тока в обмотках можно произвести методом конечных элементов.

Активное сопротивление R обмотки может быть найдено по формуле:

Здесь L_AV - длина средней линии обмотки, N - число витков, d - диаметр обмоточного провода.

Число витков N может быть выражено следующим образом:

где S_W - площадь окна обмотки.

Тогда:

Для расчета индуктивности обмотки L воспользуемся соотношением F = LI, где F - магнитный поток, пронизывающий обмотку, I - величина тока в обмоточном проводе:

Тогда получаем выражение для индуктивности обмотки:

Реактивное сопротивление обмотки Z_L на частоте f:

А полное сопротивление обмотки Z на частоте f:

Для двигателя вышеприведенной конструкции: L_AV = 0.2 м, S_W = 1.39 10^-4 м², F = 0.001 Вб при j = 3 А/мм², r_E = 1.67· 10^-8 Ом м (обмотки намотаны медным проводом), l = 0.6 данные по расчетам активного сопротивления, индуктивности и реактивного сопротивления одной обмотки при частоте переключения тока 130 Гц (частота вращения ротора 1000 об./мин) в зависимости от диаметра обмоточного провода приведены в таблице:

Таблица 1. Зависимость активного, реактивного и полного сопротивления и индуктивности обмотки от диаметра обмоточного провода.

Размещено на Allbest.ru