Файл: Содержание введение принцип работы синхронных генераторов.docx

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………..3

1 ПРИНЦИП РАБОТЫ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ……………...…...5

1.1 Системы возбуждения бесщёточных синхронных генераторов………...11

1.2 Судовой бесщёточный синхронный генератор……………………………11

2 УСТРОЙСТВО СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ………………………..16

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………30

СПИСК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ ………………………………31

ВВЕДЕНИЕ

Судовые генераторы – основные источники электроэнергии. При увеличении нагрузки на генератор ток растёт, а напряжение падает. Основное требование к генераторам поддержание постоянства основных параметров при изменении нагрузки в широких пределах.

В качестве генераторов на судах используются генераторы постоянного и переменного тока. Выбор рода тока определяется потребностями потребителей.

Генераторы с независимым и параллельным возбуждением имеют достаточно жёсткую внешнюю характеристику. Данные типы генераторов используется в качестве возбудителей для синхронных генераторов, в гребных электроустановках и системах управления типа Г-Д.

Основными генераторами электростанций постоянного тока обычно являются генераторы смешанного возбуждения, которые наряду с параллельной обмоткой возбуждения имеют ещё и последовательную обмотку. Эти генераторы имеют наиболее жесткую внешнюю характеристику. Не нуждаются в дополнительных регуляторах так как последовательная обмотка обеспечивает некоторую стабилизацию напряжения. При увеличении нагрузки, увеличивается ток последовательной обмотки, магнитный поток которой, компенсирует размагничивающее действие реакции якоря и уменьшение магнитного потока за счёт уменьшения тока возбуждения.

На современных судах в качестве генераторов в основном используются генераторы трёх фазного переменного тока.

Судовые СГ выполняют на напряжения 400 и 230 В, с соединением обмоток статора соответственно по схемам "звезда" и "треугольник", в диапазоне мощностей 30-3000 кВт при номинальном коэффициенте мощности соsφ = 0,8. Частоты вращения генераторов составляют 500, 750,1000, 1500 и 3000 об/мин. Изоляция обмоток генераторов классов В, Р и Н. Режим работы СГ всех типов продолжительный (S1).

В зависимости от типа и мощности СГ при номинальных напряжении, частоте и рабочей температуре выдерживают перегрузку по току 10 % номинального в течение 60-120 мин, 25 % в течение 10-30 мин, 50 % в течение 1-5 мин. Без механических и тепловых повреждений генераторы выдерживают 3-фазное КЗ в течение 5-10 с, при этом ударный ток КЗ не превосходит 14-17-кратного значения амплитуды номинального тока, а установившийся ток КЗ составляет не менее 3- 4-кратного значения номинального тока.

1 ПРИНЦИП РАБОТЫ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Генерирование и распределение электрической энергии на современных судах, как правило, осуществляется на переменном токе. Даже в тех случаях, когда значительную часть судовой электрической нагрузки составляют потребители постоянного тока, их питание обеспечивается преобразователями переменного тока в постоянный. Поэтому, основным типом современных судовых источников электрической энергии являются источники переменного тока.

На судах отечественного морского флота используется несколько серий судовых синхронных генераторов с мощностями в диапазоне от десятков киловатт до единиц мегаватт: МСК, МСС, ГСС, ГМС, ТМВ и др., которые выполняются на напряжение 230 или 400 В с частотой 50 Гц. Номинальные частоты вращения генераторов могут быть 500, 750, 1000, 1500 и 3000 об/мин. Общий вид судового синхронного генератора показан на рис 1.1.


Рисунок 1.1 — Общий вид судового синхронного генератора
На судах широкое применение получили трехфазные синхронные генераторы (СГ), чаще всего с самовозбуждением или независимым возбуждением (при небольшой мощности синхронного генератора). Во втором случае в качестве возбудителя чаще всего применяются генераторы постоянного тока, соединенные по валу с генерирующим агрегатом, с помощью эластичной муфты. Наибольшее применение получили СГ следующих серий: МС, МСК, МСС, ГМС, ОС, СБГ.

Судовые синхронные генераторы принципиально не отличаются от генераторов, устанавливаемых на береговых электростанциях Приводной двигатель ПД вращает ротор генератора, на котором расположена обмотка возбуждения ОВ. Во вращающуюся обмотку возбуждения через подвижные контакты, образованные щетками и контактными кольцами, поступает постоянный ток — ток возбуждения  . Этот ток, проходя по обмотке возбуждения, создает основной магнитный поток машины  , вращающийся вместе с обмоткой возбуждения. На статоре расположена трехфазная обмотка, к которой подключается нагрузка генератора. В результате взаимодействия магнитного поля с проводниками статорной обмотки в ее фазах индуктируются три симметричные ЭДС  ,  ,  , сдвинутые по фазе друг относительно друга на угол 2π/3. Эти ЭДС обеспечивают на зажимах генератора (и нагрузки) трехфазное напряжение (линейные напряжения  ,  ,  ), которое в свою очередь обусловливает трехфазный ток (линейные токи  ,  ,  ). Это можно рассмотреть на рис 1.2


Рисунок 1.2 — Принципиальные схемы возбуждения синхронных генераторов
Статорная обмотка судовых генераторов соединяется звездой или треугольником. Нейтральная точка звезды изолируется, так как нейтрального провода в СЭЭС нет. Изоляция нейтральной точки в судовых генераторах обусловлена главным образом требованиями техники безопасности.

Судовые синхронные генераторы бывают брызгозащищенного или водозащищенного типа. Конструкция подшипников должна обеспечивать надежную длительную работу при предельно допустимых кренах, дифферентах и вибрациях. Напряженный температурный режим в судовых машинных отделениях требует принудительного охлаждения генераторов. Обычно применяется воздушное охлаждение с помощью крыльчатки, укрепленной на валу самого генератора (самовентиляция). В большинстве случаев охлаждение современных синхронных генераторов происходит по замкнутому циклу: нагретый в машине воздух поступает в водяной воздухоохладитель, где охлаждается и затем вновь подается в генератор. Воздухоохладитель обычно располагается над генератором и крепится на наружной стороне его корпуса. Такая система вентиляции сложнее и дороже, чем вентиляция по разомкнутому циклу, но она обеспечивает более комфортные условия работы в машинном отделении (не происходит выброса горячего воздуха в помещение), предотвращает загрязнение внутренних поверхностей генератора парами нефтепродуктов и пылью, что повышает его надежность и долговечность, и практически не зависит от температуры воздуха в машинном отделении.

В некоторых типах генераторов, в частности в генераторах серии ТК2, применяется жидкостное охлаждение обмоток, являющееся более сложным, но и более эффективным, чем воздушное, и способствующим улучшению массогабаритных показателей генераторов.

Обычно у судовых генераторов, так же, как и у общепромышленных, трехфазная обмотка переменного тока располагается на статоре, а обмотка постоянного тока (обмотка возбуждения) — на роторе. Однако есть типы судовых генераторов малой мощности (например, серии ЕСС), у которых принято обратное расположение обмоток (такие генераторы называются обращенными).

Важнейшим фактором, влияющим на все характеристики генератора, в том числе и на его конструкцию, является способ возбуждения генератора — способ получения, регулирования и передачи в обмотку возбуждения тока возбуждения.

До середины 60-х годов основным вариантом системы возбуждения судовых генераторов была схема независимого возбуждения, при которой в качестве источника постоянного напряжения использовался электромашинный генератор постоянного тока (возбудитель В). Возбудитель устанавливался на общем валу с синхронным генератором и приводился во вращение от общего приводного двигателя. Якорная обмотка возбудителя питала обмотку возбуждения генератора Мощность возбудителя составляла 1,5—4 % мощности синхронного генератора. Этот способ возбуждения имеет существенные недостатки. Главный из них — низкая надежность возбудителя (коллекторная машина). Как показывает практика эксплуатации СЭЭС, большая часть аварий генераторных агрегатов происходит из-за повреждений возбудителя. Кроме того, несмотря на незначительность мощности возбудителя, по сравнению с мощностью синхронного генератора, массо-габаритные характеристики заметно ухудшаются из-за возбудителя. Особенно возрастает длина агрегата.

В настоящее время судовые генераторы с возбудителем постоянного тока уже не выпускаются, но на судах постройки 50—60-х годов такие генераторы (главным образом, серии МС) продолжают работать.

Более совершенной является система самовозбуждения, отличающаяся тем, что для возбуждения генератора используется небольшая часть (

2—5 %) электрической энергии, вырабатываемой этим же генератором. Поскольку для возбуждения требуется постоянный ток, а генератор дает переменный, то возникает необходимость в промежуточном преобразовательном звене — выпрямителе. Один из основных элементов системы — выпрямитель — выполняется на полупроводниковых вентилях (диодах, тиристорах) и обладает достаточно высокой надежностью, малой массой и габаритами, что и определяет широкое применение этого способа возбуждения на судах.

---

Обычно элементы системы самовозбуждения (автоматического регулирования напряжения) располагаются над статором генератора рядом с воздухоохладителем

Для обеспечения начального возбуждения используется дополнительный источник постоянного напряжения (например, аккумуляторная батарея), который на время запуска (порядка секунд) подключается к обмотке возбуждения. После того, как на зажимах генератора появляется напряжение, этот источник уже не нужен и его отключают.

Начальное возбуждение практически может быть обеспечено и без дополнительного источника постоянного напряжения за счет остаточной ЭДС, индуктируемой в статорной обмотке остаточным магнитным потоком ротора. В подавляющем большинстве судовых синхронных генераторов с самовозбуждением процесс начального возбуждения при пуске генератора обеспечивается именно за счет остаточной ЭДС.

Перспективной системой возбуждения синхронных генераторов, которую уже начали использовать на судах, является бесщеточная система независимого возбуждения. Генераторы с такой системой возбуждения получили название бесщеточных синхронных генераторов (БСГ).

В настоящее время предложено много вариантов схем возбуждения БСГ Для возбуждения используется электромашинный возбудитель — синхронный генератор, имеющий две трехфазные обмотки переменного тока: одна расположена на статоре, другая — на роторе. Статорная обмотка возбудителя получает питание от синхронного генератора. Переменное напряжение, снимаемое с роторной обмотки, подается на выпрямитель, который нагружен на обмотку возбуждения синхронного генератора.

Основное достоинство такой системы возбуждения – отсутствие щеточного аппарата (контактных колец и щеток), что повышает удобство эксплуатации и надежность подачи питания в обмотку возбуждения.

1.1 Системы возбуждения бесщёточных синхронных генераторов

Системы возбуждения, используемые в настоящее время на судах действующего флота, являются замкнутыми комбинированного типа прямого действия с амплитудно-фазовым компаундированием. В качестве объекта управления в основном применяется надежный бесщеточный синхронный генератор с предвозбудителем или без него.

1.2 Судовой бесщёточный синхронный генератор

Одним из основных недостатков при обслуживании судовых синхронных генераторов является наличие щёточно-кольцевого аппарата. Этот узел наиболее изнашивается в процессе работы. Большое количество пыли от угольных щёток загрязняет обмотки, создавая проводниковые мосты между токоведущими частями синхронного генератора и корпусом: ухудшается изоляция генератора, уменьшая срок их службы, требуется внеочередной ремонт с полной разборкой.

---

Всё это отсутствует у бесщёточных синхронных генераторов. Возбуждение СГ осуществляется небольшим по размерам возбудителем переменного тока, состоящим из трёхфазной обмотки, расположенной на роторе генератора и электромагнитных полюсов, находящихся на статоре рядом со статорной обмоткой основной машины. Обмотка возбуждения возбудителя питается постоянным током от автоматического регулятора напряжения. Трёхфазный переменный ток, генерируемый в роторной обмотке, выпрямляется трёхфазным выпрямителем, расположенным на роторной обмотке возбудителя и поступает на роторную обмотку возбуждения генератора. Выпрямительное устройство бесщёточного генератора состоит из кремниевых диодов, соединённых по трёхфазной мостовой схеме, регулируемого балластного резистора и сглаживающего конденсатора.

Бесщёточный синхронный генератор состоит из следующих компонентов, где:

G — статорная обмотка, выходная;

F G — роторная обмотка возбуждения генератора;

Si — блок вращающихся кремниевых выпрямителей;

E — роторная обмотка возбудителя, выходная;

F E — статорная обмотка возбуждения;

EVA — внешний реостат задающего напряжения;

AVR — автоматический регулятор напряжения (АРН).

Статорная обмотка синхронного генератора уложена в пазы железа статора и представляет собой три обмотки, соединенные звездой.

Конструктивно БСГ объединён с возбудителем переменного тока и вращающимся выпрямительным устройством в один агрегат. Отличительной особенностью БСГ является отсутствие контактных колец и щёток.

Возбудитель представляет собой обращённый трёхфазный синхронный генератор, у которого обмотка возбуждения является неподвижной и питается непосредственно от автоматического регулятора напряжения. В некоторых рассматриваемых далее системах возбуждения и регулирования напряжения генераторов (например,“ TAIYO ”, “ MITSUBISHI ”) обмотка возбуждения возбудителя состоит из двух частей: основной и управляемой от A РН , что обеспечивает более надёжное начальное возбуждение. Трёхфазная роторная обмотка возбудителя, соединённая звездой подключена к роторной обмотке генератора через трёхфазный блок вращающихся кремниевых выпрямителей, который находится между этими двумя обмотками, ближе к возбудителю, на специально смонтированном изоляционном кольце. Кольцо и вентили вращаются вместе с роторами генератора и возбудителя и размещены на общем валу.

Трёхфазный переменный ток, генерируемый при вращении в роторной обмотке возбудителя, выпрямляется трёхфазным кремниевым выпрямителем, расположенным на роторной обмотке возбудителя, и постоянное напряжение поступает на роторную обмотку генератора. Расположение вращающихся выпрямителей на роторной обмотке возбудителя удобно как для воздушного охлаждения, так и проведения обслуживания и ремонтных работ при проверке и замене вентилей.

---

В дополнение к кремниевому выпрямителю параллельно выходному напряжению подключается сглаживающий конденсатор и разрядный резистор для предотвращения обмотки возбуждения и конденсатора от пробоя.

Благодаря такой конструкции, исчезает необходимость в контактных кольцах и щётках для подвода тока к обмотке возбуждения генератора. Таким образом, возбудитель совместно с AРН позволяет поддерживать напряжение генератора с заданным отклонением при малых и больших нагрузках и обеспечивает защиту от короткого замыкания. Отсутствие щёточной аппаратуры значительно повышает надёжность БСГ, сокращает трудозатраты на обслуживание ввиду отсутствия угольной пыли на обмотках. Они также могут применяться и на высоких частотах вращения первичных двигателей, чем обеспечивается более надёжное возбуждение.

У БСГ, также, как и у обычных синхронных генераторов, имеется демпферная обмотка. Она находится на явных полюсах ротора и имеет вид широких медных шин, соединенных в беличью клетку. Назначением демпферной обмотки является предотвращение колебаний напряжения ввиду резкого изменения нагрузки при параллельной работе генераторов, а также ограничение повышения третьей гармоники напряжения с увеличением нагрузки.

В результате совместных усилий обмоток статора генератора и возбудителя создаётся результирующая магнитодвижущая сила, а, следовательно, и поток возбуждения, обеспечивая реакцию ротора и падение напряжения в обмотке статора генератора во всех режимах работы – от холостого хода до номинальной нагрузки.

Возбудитель переменного тока представляет собой обращённый синхронный генератор роторного типа. Ротор установлен на том же валу, что и ротор генератора и представляет собой трехфазную обмотку переменного тока. Нагрузкой возбудителя является обмотка возбуждения статора, поэтому необходим возбудитель переменного тока высокой частоты: чем выше частота, тем больше возбуждение. Однако высокая частота стремится увеличить потери в железе. Так как увеличение числа полюсов пропорционально увеличению частоты, то частота особенно ограничивается при использовании на низкой частоте вращения с точки зрения экономичности конструкции. В основном, для возбудителя переменного тока принята частота 60 Гц.

Кремниевый выпрямитель возбудителя переменного тока. Учитывая электрические и механические свойства, кремниевый выпрямитель для бесщёточного синхронного генератора должен быть высоконадежным, небольших габаритов и массы.

---

Он состоит из кремниевой части, которая закреплена вертикально на тонкой пластине основания, для надежного контакта пластины, основания и элемента, и питающего провода. Этот силовой тип контакта кремниевого элемента выпрямителя использует свою огромную силу, когда она приложена вертикально вместе с давлением по направлению к пластине основания и проявляет великолепные характеристики, учитывая такие механические недостатки как внешнее давление, центробежная сила, вибрация системы в действии. Все главные части кремниевого элемента типа P-N перехода помещены в кожух, в котором находится инертный газ, на работу которого не влияют окружающие атмосферные условия.

В дополнение к кремниевому выпрямителю параллельно подключены конденсатор и резистор для предотвращения от чрезмерного напряжения обмоток, предохраняя их от пробоя. При сборке вышеупомянутых компонентов FUJI El. произвел тщательную проверку их механической силы и местоположения, минимизируя пространство для установки, добиваясь однородной и эффективной вентиляции.

По габаритам БСГ сохранил те же размеры что и обычные СГ.

В настоящее время бесщеточные синхронные генераторы успешно используются на судах в качестве основных и аварийных источников электроэнергии.

Для предотвращения возникновения токов на валу генератора, появляющихся благодаря разбалансу магнитного сопротивления магнитных цепей, используются изоляторы на боковых крышках, как показано на рис. 1.2. Напряжение на валу для генераторов повышенных напряжений и частот обычно составляет 1 В и менее, и реже несколько вольт. Значение сопротивления изолятора должно быть 1-3 кΩ. Если масляная пленка с принудительной смазкой местами исчезает, это может привести к поломке подшипника или аварии генератора в целом.

В основном БСГ не требует особых трудозатрат на обслуживание. Достаточно почаще менять фильтры на воздухозаборах.
Таким образом, БСГ обеспечивает максимум надежности при минимуме трудозатрат на обслуживание.

2 УСТРОЙСТВО СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Синхронные генераторы со смешенным возбуждением с полупроводниковыми выпрямителями Особенностью синхронных генераторов, отличающих их от генераторов постоянного тока с точки зрения возбуждения, является то, что в обмотках статора синхронного генератора индуктируется переменное напряжение, в то время как для питания обмотки возбуждения его требуется постоянный ток. Это существенно усложняет задачу осуществления самовозбуждения машин переменного тока. Однако современное развитие полупроводниковых селеновых выпрямителей, освоенных промышленностью и обладающих уже в настоящее время достаточно высокими техническими показателями, реальные перспективы получения в ближайшие годы промышленных образцов еще более совершенных выпрямителей —

---