Асинхронні генератори

Размещено на http://www.allbest.ru/

Асинхронні генератори

Асинхронною машиною називають безколекторну машину змінного струму, в якій відношення частоти обертання ротора до частоти струму в мережі, до якої машина підключена, залежить від навантаження. Розрізняють два типи асинхронних машин: 1) безколекторні; 2) колекторні.

Асинхронні машини порівняно прості за конструкцією, дуже надійні в експлуатації, мають досить високі енергетичні показники і невисоку вартість. Значний інтерес останніми роками викликає застосування асинхронних машин в генераторному режимі для забезпечення живленням, як споживачів трифазного струму, так і споживачів постійного струму через випрямні пристрої. У певних умовах експлуатації автономних джерел електроенергії застосування асинхронних генераторів (АГ) виявляється переважним. АГ відрізняються простотою експлуатації і обслуговування, легко включаються на паралельну роботу, а форма кривої вихідної напруги у них ближче до синусоїдальної, чим у СГ при роботі на одне і те ж навантаження. Крім того, маса АГ потужністю до 100 кВт приблизно в 1,3...1,5 рази менше маси СГ такої ж потужності і вони несуть менший об'єм обмотувальних матеріалів. При цьому в конструктивному відношенні вони нічим не відрізняються від звичайних АД і можливе їх серійне виробництво на заводах електромашинобудування, що випускають асинхронні машини.

Один з недоліків асинхронних машин - це те, що вони є споживачами значної реактивної потужності (50% і більше від повної потужності), необхідної для створення магнітного поля в машині, яка повинна поступати з мережі при паралельній роботі АГ з мережею або від іншого джерела реактивної потужності (батарея конденсаторів або синхронний компенсатор при автономній роботі АГ).

Для поліпшення експлуатаційних властивостей АГ в коло статора додатково можуть включатися конденсатори послідовно або паралельно з навантаженням. У усіх випадках автономної роботи АГ джерела реактивної потужності повинні забезпечувати реактивною потужністю як АГ, так і навантаження, що має, як правило, реактивну (індуктивну) складову (). Маса і розміри конденсаторної батареї або синхронного компенсатора (СК) можуть перевершувати масу АГ і тільки при (чисто активне навантаження) розміри СК і маса БК порівнянні з розміром і масою АГ.

Іншою, найбільш складною проблемою є проблема стабілізації напруги і частоти автономно працюючого АГ, такого, що має "м'яку" зовнішню характеристику. При використанні АГ у складі автономної ВЕУ ця проблема ускладнюється ще і нестабільністю частоти обертання ротора. При проектуванні АГ для ВЕУ оптимізаційні розрахунки ведуть по максимуму ККД в широкому діапазоні зміни частоти обертання і навантаження, а також по мінімуму витрат з урахуванням усієї схеми управління і регулювання. Конструкція генераторів повинна враховувати кліматичні умови роботи ВЕУ, постійно діючі механічні зусилля на елементи конструкції і особливо - потужні електродинамічні і термічні дії при перехідних процесах, які виникають при пусках, перервах живлення, коротких замиканнях, а також при значних поривах вітру.

Будову асинхронної машини розглянемо на прикладі асинхронних двигунів. Конструктивно асинхронний двигун складається з двох основних частин, розділених повітряним проміжком: нерухомого статора і ротора, що обертається. Кожна з цих частин має сердечник і обмотку. При цьому обмотка статора включається в мережу і є як би первинною, а обмотка ротора - вторинною, оскільки енергія в неї поступає з обмотки статора за рахунок магнітного зв'язку між цими обмотками. За своєю конструкцією асинхронні двигуни поділяють на два типи: двигуни з короткозамкненим ротором і двигуни з фазним ротором.

Нерухома частина двигуна (рис. 5.17) - статор - складається з корпусу 11 і сердечника 10 з трифазною обмоткою. Корпус двигуна

Рисунок 5.17 Будова трифазного асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором: 1 - вал; 2, 6 - підшипники; 3,7 - підшипникові щити; 4 - коробка виводів; 5 - вентилятор; 8 - кожух вентилятора; 9 - осердя ротора з короткозамкненою обмоткою; 10 - осердя статора з обмоткою; 11 - корпус; 12 - лапи

відливають з алюмінієвого сплаву або з чавуну або роблять зварним. Даний двигун має закрите виконання, що обдувається. Тому поверхня його корпусу має ряд подовжніх ребер, призначення яких полягає в тому, щоб збільшити поверхню охолодження двигуна. У корпусі розташовано осердя 10 статора, що має шихтовану конструкцію, яка сприяє значному зменшенню вихрових струмів, що виникають у процесі перемагнічування осердя обертовим магнітним полем. На внутрішній поверхні осердя статора знаходяться подовжні пази, в яких розташовані пазові частини обмотки статора, з'єднані у визначеному порядку лобовими частинами, що знаходяться за межами осердя по його торцевих сторонах.

Обертова частина двигуна - ротор, що складається з вала 1 і осердя 9 з короткозамкненою обмоткою. Така обмотка, що називається "біляче колесо", вона являє собою ряд металевих (алюмінієвих або мідних) стержнів, розташованих в пазах осердя ротора, замкнутих із двох сторін короткозамикаючими кільцями (рис. 3.18). Осердя ротора також має шихтовану конструкцію.

Асинхронні машини з фазним ротором конструктивно відрізняються від розглянутого двигуна головним чином будовою ротора (рис. 3.19), який має складнішу конструкцію. На валу 8 закріплене шихтоване осердя 5 із трифазною обмоткою, виконаною аналогічно обмотці статора. Цю обмотку з'єднують зіркою, а її кінці приєднують до трьох контактних кілець 11, розташованих на валу і ізольованих одне від одного і від вала. Для здійснення електричного контакту з обмоткою обертового ротора в двигуні передбачений струмознімний апарат 12, що складається з щіток і щіткотримачів. Щіткотримачі укріплені на ізольованій частині пальця, металевий кінець якого угвинчений у прилив підшипникового щита.

Рисунок 5.18 Короткозамкнений ротор: обмотка "біляча клітка"

Рисунок 5.19 Будова трифазної асинхронної машини з фазним ротором: 1, 7 - підшипники; 2, 6 - підшипникові щити; 3 - корпус; 4 - осердя статора з обмоткою; 5 - осердя ротора; 8 - вал; 9 - коробка виводів; 10 - лапи; 11 - контактні кільця; 12 - струмозміниий апарат

Асинхронні машини з фазним ротором мають більш складну конструкцію і менш надійні, але мають кращі регулювальні властивості, ніж машини з короткозамкненим ротором.

Фізична суть електромагнітних взаємодій в АГ, співвідношення основних параметрів, схема заміщення і векторна діаграма мають багато спільного з АД, тому доцільно розпочати вивчення АГ з опису роботи асинхронної машини в руховому режимі.

Обертове магнітне поле статора (рис. 5.20) перетинає провідники обмоток та індукує у них ЕРС: в обмотці фази статора - ЕРС самоіндукції (яка направлена зустрічно прикладеної до обмотки напрузі й обмежуючому значенні струму в обмотці) і в обмотці ротора - ЕРС взаємоіндукції (як у первинній і у вторинної обмотках трансформатора). Напрямок ЕРС визначається за правилом правої руки (з урахуванням напрямку руху провідника щодо ліній поля) і зазначені в провідниках А-Х і а-х на рис. 5.20. Якщо коло обмотки ротора замкнуто через пусковий реостат (а в короткозамкненому роторі вона завжди замкнута за допомогою замикаючих кілець), в обмотках ротора виникає змінний струм , активна складова котрого збігається з напрямком ЕРС . На провідники ротора зі струмом діють електромагнітні сили , напрямок яких визначається правилом лівої руки. Сукупність сил усіх провідників ротора створює загальний електромагнітний момент , його напрямок збігається з напрямком обертання магнітного поля. Якщо обертаючий електромагнітний момент більше моменту опору робочої машини (РМ) на валу , ротор почне обертатися. Таким чином, електрична енергія, що надходить в обмотку статора з мережі, перетвориться в механічну на валу двигуна.

Чим більше частота обертання ротора , тим повільніше магнітне поле обертається щодо ротора (); у випадку збігу цих частот обертове поле не перетинає обмотку ротора й у них не індукується ЕРС (), а, отже, і не створюється обертаючий момент (, , )*

У АД обертальний момент , урівноважується моментом опору виконавчого механізму. Чим більше , тим більшим має бути , який зростає тільки за рахунок збільшення струму ротора, а

Рисунок 5.20 Взаємодія обертаючого поля з обмотками статора (1) та ротора (2) асинхронного двигуна

асинхронний машина двигун ротор

струм при постійності опорів обмотки пропорційний ЕРС ротора, яка залежить від швидкості перетину провідників ротора обертовим магнітним полем. Отже, чим більший момент опору , тим меншою має бути швидкість обертання ротора, і навпаки.

Відношення

або (5.22)

називають ковзанням асинхронної машини. Ця величина дозволяє оцінити різницю частот обертання магнітного поля (синхронна швидкість) і ротора (р - число пар полюсів поля; - частота мережі).

Ковзання асинхронного двигуна в процесі експлуатації може змінятися від 0 до 1, що відповідає частоті обертання ротора від я, до 0. При цьому () відповідає режиму холостого ходу, коли ротор двигуна не випробує протидіючих моментів, авідповідає режиму короткого замикання, коли протидіючий момент приводного механізму перевищує обертаючий момент і тому ротор двигуна нерухомий ().

Обертове магнітне поле статора, що перетинає обмотку ротора зі швидкістю

 (5.3)

Частота ЕРС і струмів, що наводяться цим полем в обмотці ротора,

(5.23)

тобто пропорціональна ковзанню.

Магнітне поле, що створюється МРС обмотки ротора, обертається відносно ротора зі швидкістю

(5.24)

Сумарна швидкість обертання поля ротора відносно нерухомого статора визначається сумою

(5.25)

тобто магнітне поле ротора обертається в статорі з тією ж швидкістю і в тому ж напрямку, шо і магнітне поле статора. Отже, вони нерухомі відносно друг друга. Це виконується у любому режимі роботи AM - у двигунному, генераторному, гальмівному.

Внаслідок обертання магнітного поля його силові лінії перетинають провідники обмоток статора і ротора і наводять в кожній фазі в обмотці статора з числом витків ЕРС самоіндукції, діюче значення якої:

(5.26)

а в кожній фазі обмотки обертального ротора, з числом витків w2 ЕРС взаємоіндукції, діюче значення якої:

(5.27) або

де та - число послідовно з'єднаних витків обмотки фази статора та ротора; та - обмоткові коефіцієнти статора та ротора, відповідно, обумовлені типом і параметрами обмоток; - ЕРС, що наводиться у фазі обмотки нерухомого ротора; - частота струму, що наводиться в нерухомому роторі.

Для кола обмотки фази статора асинхронного двигуна, включеного в мережу з напругоюрівняння електричного стану за другим законом Кірхгофа:

Або

(5.28)

де і - падіння напруги відповідно на активному і індуктивному опорах фази обмотки статора.

Для кола обмотки фази ротора, що обертається, рівняння електричного стану за другим законом Кірхгофа;

(5.29)

де і - падіння напруги на активному і індуктивному опорах фази ротора, що обертається.

У загальному випадку параметри обмотки статора асинхронної машини відрізняються від параметрів обмотки ротора, унаслідок чого ЕРС, струм і інші електричні величини обмоток значно відрізняються друг від друга. Для полегшення вивчення робочих процесів і розрахунку характеристик асинхронних двигунів (як і для трансформаторів) параметри обмотки ротора приводять до параметрів обмотки статора, тобто обмотку ротора з числом фаз , числом витків однієї фази w2 й обмотковим коефіцієнтом заміняють обмоткою з , і Таким чином, замість реального асинхронного двигуна розглядають еквівалентний, котрий називають приведений. Однак приведення параметрів обмотки ротора не повинне відбитися на його енергетичних показниках: усі потужності (електромагнітна, активна, реактивна, потужність втрат) і фазові зсуви векторів ЕРС і струмів ротора, після приведення, повинні залишатись такими ж, що і до приведення. Перерахування реальних параметрів обмотки ротора на приведені виконується по формулах:

(5.30)

Зручною для практичного застосування є Г-подібна схема заміщення АД (рис. 5.21), у якої намагнічуючий контур () винесений на вхідні затискачі схеми заміщення. Розрахунок параметрів робочого контуру Г-подібної схеми заміщення потребує уточнення, що досягається введенням у розрахункові формули коефіцієнта , який представляє собою відношення напруги мережі до ЕРС статора при ідеальному холостому ході (). Так як в цьому режимі струм холостого ходу асинхронного двигуна дуже малий, товиявляється лише трохи більше, ніж ЕРС , а їхнє відношення мало відрізняється від одиниці.

Рисунок 5.21 Г-подібна схема заміщення асинхронного двигуна

Електромагнітна потужність АД, що передається із статора в ротор електромагнітним шляхом, на підставі схеми заміщення (рис. 5.21) може бути записана у виді

(5.31)

Величина електромагнітного моменту визначається із співвідношення

(5.32)

де - кутова швидкість обертання магнітного поля.

Струм ротора

(5.33)

Тому

(5.34)

Таким чином, обертальний момент АД пропорційний квадрату напруги фази, що підводиться, і складним чином залежить від ковзання і параметрів статора і ротора. Залежність , що називається механічною характеристикою, показана на рис. 5.22, а. Частіше механічну характеристику асинхронної машини зображують в координатах(рис. 5.22, б).

Рисунок 5.22 Механічна характеристика асинхронної машини

Якщо ротор AM, підключеної до мережі, за допомогою додаткового приводного двигуна привести в обертання у напрямку обертання поля статора зі швидкістю , то ЕРС в роторі змінить свій напрям на протилежний в порівнянні із руховим режимом. Внаслідок цього змінить свій напрям і струм ротора (його активна складова ), отже, змінить напрям і струм статора , а це означає, що зміниться напрям перетворення енергії і AM стане віддавати активну потужність в мережу, тобто працювати в режимі генератора - перетворювати механічну енергію, що підводиться до валу, в електричну. Напрям електромагнітного моменту також змінюється на зворотний - він стає гальмівним і урівноважує обертальний момент приводного двигуна (вітродвигуна).

Ковзання у генераторному режимі

(5.35)

і теоретично може змінюватися в межах . На практиці, проте, висока швидкість недопустима, як за умовами механічної міцності, так і з міркувань обмеження втрат.

З точки зору збереження номінального ККД і обмеження нагріву номінальне ковзання АГ повинне відповідати номінальному ковзанню АД і складає залежно від типу і потужності AM. Для асинхронного генератора справедливі такі ж схеми заміщення, що і для асинхронного двигуна. Параметри схеми заміщення, коефіцієнти приведення і визначаються так само, як і в режимі двигуна.

На рис. 5.23 показана схема заміщення АГ використовувана при розрахунках, в якій вітка намагнічування винесена на затиски. Поправочний коефіцієнт враховує зміни параметрів схеми заміщення АГ при винесенні вітки намагнічування, визначається із співвідношення , мало відрізняється від одиниці і складає

Щоб зменшити погрішність при визначенні струму , в контур намагнічування Г-подібної схеми заміщення вводять опір або тільки .

Рисунок 5.23 Схема заміщення асинхронного генератора

Характер зміни струму статора для широкого діапазону зміни ковзання AM приведений на рис. 5.24. Струм холостого ходу, що є майже чисто реактивним, складає . У тихохідних машинах (із швидкістю обертання 375 об/хв і менш) він може досягати .

Струм при ковзанні дорівнює пусковому и складає .

Рисунок 5.24 Зміна струму статора асинхронної машини

Максимальний електромагнітний момент для режиму генератора і ковзання, що відповідає йому, і розраховуються по співвідношенням

(5.36)

(5.37)

Рисунок 5.25 Векторна діаграма асинхронного генератора

Векторна діаграма для асинхронного генератора приведена на рис. 5.25. На діаграмі струм ротора зрушений по відношенню до ЕРС на кут , вектор струму статора , як і в руховому режимі, визначається векторною сумою

(5.38)

і внаслідок повороту струму (разом з ЕРС ) майже на 180° також обертається за годинниковою стрілкою, при цьому кут , а активна складова струму статора

(5.39)

і потужність

(5.40)

що символізує зміну знаку активної складової струму статора (в порівнянні з АД) і напряму потоку потужності - механічна потужність перетвориться в електричну і віддасться в мережу.

Величина реактивної потужності АГ визначається із співвідношення

(5.41)

та складається з реактивної потужності, необхідної для створення основного магнітного поля,

(5.42)

і потужності, що приходиться на потоки розсіяння обмоток статора і ротора:

(5.43)

Реактивна складова струму статора

(5.44)

і реактивна потужність Q під час переходу асинхронної машини з двигунного в генераторний режим зберігають свої знаки. Це означає, що асинхронний генератор споживає з мережі реактивну потужність і індуктивний струм. Тому асинхронний генератор може працювати тільки на мережу, яка має джерела реактивної потужності.

Размещено на Allbest.ru