Устройство и принцип действия синхронного генератора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Источники вибрации и шума электрических машин

2. Измерения шума и вибрации

3. Принцип действия синхронного генератора

4. Устройство синхронного генератора

5. Фазорегулятор

Список литературы

Введение

Электрическая машина - это машина, действие которой основано на использовании явления электромагнитной индукции; преобразует механическую энергию в электрическую (генератор), электрическую энергию в механическую (двигатель) либо электрическую энергию с одними параметрами (напряжением, частотой и др.) в электрическую энергию с другими (например, преобразователь частоты). Действие всякой электрической машины обратимо, однако выпускаются они обычно для определенного режима работы.

1. Источники вибрации и шума электрических машин

Основными источниками вибрации и шума электрических машин являются магнитные, механические и аэродинамические источники.

Магнитные источники вибрации связаны с высшими пространственными гармоническими, которые обусловлены наличием зубцов на статоре и роторе, несимметрией и несинусоидальностью напряжения питания, эксцентриситетом воздушного зазора.

К механическим источникам относятся небаланс ротора, несоосность и перекос.

В асинхронных двигателях, возникают вибрации и при чисто синусоидальном магнитном поле в воздушном зазоре, когда спектр поля содержит только основную гармонику. В общем случае любые причины несинусоидальности магнитного поля следует рассматривать как причины увеличения виброактивности асинхронного двигателя прежде всего на двойной частоте питания.

Деформации отдельных деталей, узлов и машины в целом являются причиной возникновения звуковых волн -- шума, причем интенсивность этого процесса зависит от возмущающих сил, упругих свойств материалов, используемых в электрической машине, конструкции и ее акустических свойств.

Среди вибровозмущающих сил механического происхождения следует отметить силы, обусловленные подшипниками качения. Интенсивность этого источника вибрации и шума зависит от целого ряда факторов, связанных с технологическими погрешностями изготовления подшипников качения и подшипникового узла. Большое значение имеют виброакустические свойства подшипниковых щитов, которые при определенной конструкции могут быть интенсивными излучателями звука.

Основными недостатками подшипников в машинах с горизонтальным расположением вала, влияющими на уровень вибрации и шума, являются: недостаточная жесткость корпуса подшипника в продольном и поперечном направлениях, совпадение частоты собственных колебаний корпуса подшипника с частотой вращения ротора при различных режимах работы электрической машины, эксцентричная нагрузка на корпус подшипника, приводящая к изгибающему моменту, действующему в вертикальной плоскости.

Одним из основных источников вибрации и шума механического происхождения является остаточная неуравновешенность вращающихся частей электрической машины. Неуравновешенность ротора возбуждает значительные вибрации и шум, особенно в быстроходных машинах.

При трении щеток о коллектор или контактные кольца в электрической машине возбуждаются вибрации и шум, имеющие высокочастотные составляющие. Вибрации и шум, обусловленные коллекторно-щеточным узлом, характерны для крупных машин постоянного тока.

Силы аэродинамического происхождения вызывают вибрации и шум, уровень которых зависит от правильности выбора количества и формы лопаток, типа вентилятора, его аэродинамических свойств, числа и профиля вентиляционных каналов, правильности расположения вентиляторов относительно деталей и узлов электрической машины.

Технология производства оказывает большое влияние на стабильность виброакустических характеристик. Практика показывает, что их разброс даже у однотипных электрических машин может достигать 20 дБ.

Задачу снижения вибрации от остаточной неуравновешенности ротора в настоящее время можно считать практически решенной. Качество современного оборудования для динамической балансировки позволяет выполнить эту задачу с заданной степенью точности, что является условием для получения вибрационных характеристик, удовлетворяющих заданным требованиям.

Все неуравновешенные силы, возникающие в электрических машинах, вызывают изменяющиеся во времени дополнительные нагрузки на подшипники, в результате чего происходят виброперемещения последних. В совокупности с конструктивными недостатками подшипниковых узлов эти силы вызывают вибрацию электрической машины в целом.

Следует особо отметить значение в шумообразовании подшипников.

С увеличением номинального внутреннего диаметра подшипников их шум и вибрации возрастают на 1 -- 2 дБ на единицу номера типоразмера подшипника.

В значительной мере виброактивность подшипников качения зависит от размеров радиального зазора. Возникающая при этом прецессия вала приводит к ударным взаимодействиям вала с телами качения, вследствие чего генерируется широкий спектр вибраций и шума.

Роликоподшипники имеют уровень вибрации и шума на 1 -- 3 дБ больше, чем шарикоподшипники тех же размеров.

Снижение уровня шума и вибрации может быть достигнуто применением подшипников скольжения, которые обеспечивают достаточную бесшумность работы и повышенную вибростойкость.

Демпфирующее действие на вибрацию и шум электрической машины, вызванные колебаниями подшипникового узла, оказывает смазка подшипников.

Выбор смазки производится с учетом частоты вращения, рабочей температуры узлов, нагрузки и характера окружающей среды.

Правильный выбор смазки обеспечивает снижение критической частоты, рассчитанной для ротора на жестких подшипниках, и демпфирование виброперемещения ротора.

Устойчивость движения шейки вала на масляной пленке смазки можно повысить увеличением на нее нагрузки. Для этого целесообразно применять вкладыши специальной конструкции, которые позволяют повысить устойчивость движения шейки вала и достигнуть более точного центрирования оси последней.

В машинах с малонагруженными быстроходными роторами, имеющих широкий диапазон рабочей частоты вращения, целесообразно применять подшипники скольжения с самоустанавливающимися сегментами, которые под действием гидродинамического давления в масляном канале занимают оптимальное положение.

Улучшение виброакустических характеристик электрических машин может быть достигнуто применением осевого натяга с помощью пружинных шайб.

Снижению уровня вибрации способствует и установка подшипников качения во вкладыши из прессованного медного волокна определенной пористости. С помощью таких опор удается отстроиться от резонанса системы «ротор -- корпус -- основание» и понизить уровень вибраций на средних и высоких частотах до 12 дБ.

2. Измерения шума и вибрации

Требования, предъявляемые к электрическим машинам с точки зрения виброакустических характеристик, предусматривают обязательный контроль вибрации и шума на стадии производства и в процессе эксплуатации. Измерения производятся для исследования причин, вызывающих вибрации и шум, и для контроля качества продукции. Измерение виброакустических характеристик при обеспечении требуемого качества электрических машин проводится в соответствии с инструкциями и стандартами, в которых указываются методика измерений, измерительная аппаратура, условия монтажа и режим работы машины. Результаты измерений сопоставляются с эталоном или с контрольными данными для выявления соответствия полученных результатов допустимому уровню вибрации и шума.

Различные методики позволяют контролировать определенные акустические параметры электрической машины: общий уровень звукового давления, звуковую мощность, характеристику направленности излучения и т.д.

Шумовые характеристики определяются в свободном звуковом поле (в заглушённых камерах, в помещениях с большим поглощением или в открытом пространстве); в отраженном звуковом поле; в обычных помещениях с помощью образцового источника шума на расстоянии 1 м от внешнего контура машины.

Не всегда удается провести корректные измерения шума в номинальном режиме нагрузки. Это объясняется тем, что для создания номинальной нагрузки возникает необходимость сочленения испытуемой машины со вспомогательным устройством -- машиной, которая вносит значительные искажения в результаты измерения. Поэтому измерение шума в режиме номинальной нагрузки проводят лишь для электромашинных преобразователей и других машин, нагрузка которых может быть осуществлена без механического соединения со вспомогательной машиной или механизмом (тормозом, вентилятором и др.).

При исследовании виброакустических характеристик синхронных машин нагрузку имитируют в режиме компенсатора. При типовых испытаниях асинхронных машин и двигателей постоянного тока нагрузочное устройство размещают за пределами испытательного помещения (камеры) и соединяют его с испытуемой машиной.

Большое влияние на шумовые характеристики имеет частота вращения ротора машины. От нее в значительной мере зависят шумы аэродинамического и механического происхождения, поэтому частота вращения при акустических испытаниях машины должна быть номинальной.

За нормируемый уровень шума по ГОСТ 11929-87 и ГОСТ 16372-84 принимается средний уровень звука на расстоянии 1 м от контура машины. Выбор точек производится в соответствии с ГОСТ 11929-87.

В зависимости от требований к уровню шума электрические машины разделяются на четыре класса. При отнесении различных типов электрических машин к классам по их уровням шума можно руководствоваться следующим перечнем:

класс 1 - машины, к которым не предъявляются специальные требования по уровню шума;

класс 2 -- машины с малошумными подшипниками качения, со специальными малошумными конструкциями вентиляторов и т. д.;

класс 3 -- машины с пониженным использованием активных материалов, закрытые (с водяным или естественным охлаждением), с глушителями вентиляционного шума, с подшипниками скольжения;

класс 4 -- машины со звукоизолирующим кожухом или другими существенными изменениями конструкции, выполненными для снижения шума. синхронный генератор фазорегулятор шум

3. Принцип действия синхронного генератора

В синхронных машинах частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля статора и, следовательно, определяется частотой тока сети и числом пар полюсов, т. е. n = 60f/p и f = pn/60.

Как и всякая электрическая машина, синхронная машина обратима, т. е. может работать как генератором, так и двигателем.

Электрическая энергия вырабатывается синхронными reнераторами, первичными двигателями которых являются либо гидравлические, либо паровые турбины, либо двигатели внутреннего cгорания.

В генераторах обмотка состоит из большого числа проводов, которые, соединяясь между собой, образуют витки и катушки. Простейшим генератором может быть виток из провода / и 2, вращающийся в магнитном поле (рис. 1). Магнитное поле возбуждается I током обмотки возбуждения, помещенной на полюсах статора N --S.

Рис.1 Схема простейшего генератора переменного тока

При вращении витка проводники 1 и 2 пересекают магнитные линии магнитного поля полюсов N -- S, вследствие чего в витке будет индуктироваться э. д. с.

Концы витка соединены с кольцами 3, вращающимися вместе с витком. Если на кольцах поместить неподвижные щетки и соединить их с приемником электрической энергии, то по замкнутой цепи, состоящей из витка, колец, щеток и приемника энергии, потечет электрический ток под действием э. д. с, созданной в витке.

Полученная в таком простейшем генераторе э. д. с. будет непрерывно изменяться в зависимости от положения витка в магнитном поле. В момент изображенный на рис. 1, проводники 1 и 2 находятся под серединами полюсов и при вращении витка пересекают в единицу времени наибольшее число магнитных линий магнитного поля. Следовательно, в данный момент индуктируемая в витке э. д. с. будет иметь наибольшее значение.

В дальнейшем при повороте витка изменится число магнитных линий магнитного поля, пересекаемых в единицу времени проводниками 1 и 2. В момент, соответствующий повороту витка на 90° в пространстве, проводники витка будут перемещаться в вертикальном направлении, совпадающем с направлением магнитных линий магнитного поля. Следовательно, проводники 1 и 2 не пересекают магнитных линий и э.д. с. в витке равна нулю.

При повороте витка на угол, больший 90°, изменится направление перемещения этих проводников в магнитном поле, а следовательно и направление э. д. с, индуктируемой в витке.

Если магнитное поле между полюсами N и S распределяется равномерно, то э. д. с. будет меняться во времени синусоидально. За один оборот витка в пространстве э.д.с, индуктируемая в нем, претерпевает один период изменения.

4. Устройство синхронного генератора

Возникновение э.д. с. в проводниках возможно как при перемещении этих проводников в неподвижном магнитном поле, так и при перемещении магнитных линий магнитного поля относительно неподвижных проводников. В первом случае полюсы, т. е. индуктирующая часть машины, возбуждающая магнитное поле, помещаются на неподвижной части машины (на статоре), а индуктируемая часть (якорь), т. е. проводники, в которых создается э.д.с. -- на вращающейся части машины (на роторе). Во втором случае полюсы помещаются на роторе, а якорь -- на статоре.

Выше мы рассмотрели принцип действия синхронного генератора с неподвижными полюсами и вращающимся якорем. В таком генераторе энергия, вырабатываемая им, передается приемнику энергии посредством скользящих контактов -- контактных колец и щеток.

Скользящий контакт в цепи большой мощности создает значительные потери энергии, а при высоких напряжениях наличие такого контакта крайне нежелательно. Поэтому генераторы с вращающимся якорем и неподвижными полюсами выполняют только при низких напряжениях (до 380/220 в) и небольших мощностях (до 15 ква).

Наиболее широкое применение получили синхронные генераторы, в которых полюсы помещены на роторе, а якорь -- на статоре.

Ток возбуждения протекает по обмотке возбуждения, которая представляет собой последовательно соединенные катушки, помещенные на полюсы ротора.

Концы обмотки возбуждения соединены с контактными кольцами, которые крепятся на валу машины. На кольцах помещаются неподвижные щетки, посредством которых в обмотку возбуждения подводится постоянный ток от постороннего источника энергии -- генератора постоянного тока, называемого возбудителем.

На рис. 2 показан общий вид синхронного генератора с возбудителем.

Рис.2. Устройство синхронного генератора: 1- синхронный генератор, 2 - возбудитель.

Устройство статора синхронного генератора аналогично устройству статора асинхронной машины.

Ротор синхронных генераторов выполняют либо с явно выраженными (выступающими) полюсами, либо с неявно выраженными полюсами, т. е. без выступающих полюсов.

В машинах с относительно малой скоростью вращения (при большом числе полюсов) роторы выполняют с явно выраженными полюсами (рис. 3, а), равномерно расположенными по окружности ротора.

Полюс состоит из сердечника 1, полюсного наконечника 2 и катушки обмотки возбуждения 3, помещаемой на сердечнике полюса

Первичные двигатели синхронных генераторов с явно выраженными полюсами обычно представляют собой гидравлически турбины, являющиеся тихоходными машинами. Поэтому синхронные генераторы с явно выраженными полюсами называются гидрогенераторами.

Рис.3. Ротор синхронной машины: а - с явно выраженными полюсами, б - с неявно выраженными полюсами

При большой скорости вращения такое устройство ротора может обеспечить нужной механической прочности и поэтому у высокоскоростных машин роторы выполняют с неявно выраженными полюсами (рис. 3, б).

Сердечники роторов с неявно выраженными полюсами обычно изготовляют из цельных поковок, на поверхности которых фрезеруются пазы. После укладки обмоток возбуждения на роторе пазы его забиваются клиньями, а лобовые соединения обмотки возбуждения укрепляются стальными бандажами, помещенными на торцовых частях ротора. При такой конструкции ротора допускаются большие окружные скорости (до 180--200 м/сек).

Для генераторов с неявно выраженными полюсами первичными двигателями обычно являются паровые турбины, принадлежащие к числу быстроходных машин. Поэтому синхронные генераторы с неявно выраженными полюсами называются турбогенераторами.

5. Фазорегулятор

Фазорегулятор - это электромеханическое устройство, обычно в виде асинхронной электрической машины с заторможенным фазным ротором (работающей как электрический трансформатор), позволяющее изменять сдвиг фаз между напряжениями на зажимах источника тока и нагрузки. Обмотку статора (играющую роль первичной обмотки трансформатора) подсоединяют к сети трёхфазного тока, а обмотку ротора (вторичную обмотку) через контактные кольца подсоединяют к нагрузке. Токи в статорной обмотке создают вращающееся магнитное поле, которое индуцирует в обмотках статора и ротора э.д.с.

Сдвиг фаз между этими э.д.с определяется относительным положением статора и ротора Ф. (углом взаимного сдвига электрических осей фазных обмоток). Поворачивая ротор относительно статора посредством механического приспособления, например при помощи червячного механизма, можно плавно изменять сдвиг фаз между эдс (а следовательно, между первичным и вторичным напряжениями) в пределах от 0° до 360°. При необходимости изменять фазу напряжения в относительно маломощных цепях однофазного переменного тока используют устройства, в которых вращающееся магнитное поле создаётся двумя обмотками, магнитный поток одной из которых сдвинут по фазе относительно потока второй на четверть периода включением электрического конденсатора.

В автоматике, телемеханике, преобразовательной и измерительной технике для изменения сдвига фаз между напряжениями или токами применяют фазорегуляторы на основе четырехполюсников, состоящих из резисторов, катушек индуктивности и электрических конденсаторов.

Фазорегуляторы нашли широкое применение в ряде автоматических устройств, для регулирования фаз сеточного напряжения ртутных выпрямителей и тиратронов, а также для проверки ваттметров и электрических счетчиков.

Список литературы

1.Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин. - 4-е изд., сокр. и перераб. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ие, 1984. - 408 с.

2.Котеленец Н.Ф., Кузнецов Н.Л. Испытания и надежность электрических машин: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк.,1988. - 232с.

3.Котеленец Н.Ф. Испытания, эксплуатация и ремонт электрических машин: Учеб. для вузов/ Котеленец Н.Ф., Акимова Н.А., Антонов М.В. - М.: издат. центр “Академия”., 2003. - 384 с.

4.ГОСТ 183-74. «Машины электрические вращающиеся. Общие технические требования».

5 Китаев В.Е. Электрические машины.

6.Кацман М.М. Электрические машины.

7.Кислицын А.Л. Синхронные машины.

8.Лотоцкий К.В. Электрические машины и основы электропривода.

Размещено на Allbest.ru