Расчет и анализ установившихся режимов работы электрических машин (стр. 2 из 7)
Рис. 1.4. Концентрическая (а) и дисковая (б) обмотки трансформатора.
Концентрические обмотки в конструктивном отношении разделяются на несколько типов:
- цилиндрические однослойные или двухслойные обмотки (рис. 1.4, а);
- винтовые одно- и многоходовые обмотки (рис. 1.4, б);
- непрерывные обмотки (рис.1.4,в).
Рис. 1.5. Конструкция концентрических обмоток.
1.1.2 Устройство масляного трансформатора
В трансформаторах с масляным охлаждением магнитопровод с обмотками помещен в бак, наполненный трансформаторным маслом (рис. 1.5.). Трансформаторное масло, омывая обмотки 2 и 3 и магнитопровод 1, отбирает от них теплоту и, обладая более высокой теплопроводностью, чем воздух, через стенки бака 4 и трубы радиатора 5 отдает ее в окружающую среду. Наличие трансформаторного масла обеспечивает более надежную работу высоковольтных трансформаторов, так как электрическая прочность масла намного выше, чем воздуха. Масляное охлаждение интенсивнее воздушного, поэтому габариты и вес масляных трансформаторов меньше, чем у сухих трансформаторов такой же мощности.
В трансформаторах мощностью до 20—30 кВА применяют баки с гладкими стенками. У более мощных трансформаторов для увеличения охлаждаемой поверхности стенки бака делают ребристыми или же применяют трубчатые баки. Масло, нагреваясь, поднимается вверх, а охлаждаясь, опускается вниз. При этом масло циркулирует в трубах, что способствует более быстрому его охлаждению.
Для компенсации объема масла при изменении температуры, а также для защиты масла от окисления и увлажнения при контакте с воздухом в трансформаторах применяют расширитель 9, представляющий собой цилиндрический сосуд, установленный на крышке бака и сообщающийся с ним. Колебания уровня масла с изменением его температуры происходят не в баке, который всегда заполнен маслом, а в расширителе, сообщающемся с атмосферой.
В процессе работы трансформаторов не исключена возможность возникновения в них явлений, сопровождающихся бурным выделением газов, что ведет к значительному увеличению давления внутри бака, поэтому во избежание повреждения баков трансформаторы мощностью 1000 кВА и выше снабжают выхлопной трубой, которую устанавливают на крышке бака. Нижним концом труба сообщается с баком, а ее верхний конец заканчивается фланцем, на котором укреплен стеклянный диск. При давлении, превышающем безопасное для бака, стеклянный диск лопается и газы выходят наружу.
В трубопровод, соединяющий бак масляного трансформатора расширителем, помещено газовое реле. При возникновении в трансформаторе значительных повреждений, сопровождаемых большим выделением газов (например, при КЗ между витками обмоток), газовое реле срабатывает и замыкает контакты цепи управления выключателя, который отключает трансформатор от сети.
Рис. 1.6. Устройство трансформатора с масляным охлаждением
Обмотки трансформатора с внешней цепью соединяют вводами 7 и 8. В масляных трансформаторах для вводов используют проходные фарфоровые изоляторы. Такой ввод снабжен металлическим фланцем, посредством которого он крепится к крышке или стенке бака. К дну бака прикреплена тележка, позволяющая перемещать трансформатор в пределах подстанции. На крышке бака расположена рукоятка переключателя напряжения 6.
1.2 Синхронный турбогенератор
1.2.1 Принцип действия синхронного генератора
Для изучения принципа действия синхронного генератора воспользуемся упрощенной моделью синхронной машины (рис.1.6.). Неподвижная часть машины, называемая статором, представляет собой полый шихтованный цилиндр / (сердечник статора) с двумя продольными пазами на внутренней поверхности. В этих пазах расположены стороны витка 2, являющегося обмоткой статора. Во внутренней полости сердечника статора расположена вращающаяся часть машины — ротор, представляющий собой постоянный магнит 4 с полюсами N и S, закрепленный на валу 3. Вал ротора посредством ременной передачи механически связан с приводным двигателем (на рисунке не показан). В реальном синхронном генераторе в качестве приводного двигателя может быть использован двигатель внутреннего сгорания либо турбина. Под действием вращающего момента приводного двигателя ротор генератора вращается с частотой n1против часовой стрелки. При этом в обмотке статора в соответствии с явлением электромагнитной индукции наводится ЭДС, направление которой показано на рисунке стрелками. Так как обмотка статора замкнута на нагрузку Z, то в цепи этой обмотки появится ток i.
В процессе вращения ротора магнитное поле постоянного магнита также вращается с частотой n1, а поэтому каждый из проводников обмотки статора попеременно оказывается то в зоне северного (N) магнитного полюса, то в зоне южного (Ѕ) магнитного полюса. При этом каждая смена полюсов сопровождается изменением направления ЭДС в обмотке статора. Таким образом, в обмотке статора синхронного генератора наводится переменная ЭДС, а поэтому ток i в этой обмотке и в нагрузке Zтакже переменный.
Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе (В)
e=Bδ2lv= Bδ2lπD1n1/60
гдеBδ— магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл; l — активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, м; v = πD1n1/60 — скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с;D1 — внутренний диаметр сердечника статора, м.
Рис. 1.7. Упрощенная модель синхронного генератора
Эта формула показывает, что при неизменной частоте вращения ротора форма кривой переменной ЭДС обмотки якоря определяется исключительно законом распределения магнитной индукции в зазоре. Если бы график магнитной индукции в зазоре представлял собой синусоиду (Bδ = Втахsin α), то ЭДС генератора была бы синусоидальной. Однако получить синусоидальное распределение индукции в зазоре практически невозможно. Так, если воздушный зазор δ постоянен (рис.1.7.), то магнитная индукция Bδв воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (кривая 1), а следовательно, и график ЭДС генератора представляет собой трапецеидальную кривую. Если края полюсов скосить так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен δтах(как это показано на рис.1.7.), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (кривая 2), а следовательно, и график ЭДС, наведенной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде.
 |
Рис. 1.8. Графики распределения магнитной индукции в воздушном зазоре синхронного генератора
Частота ЭДС синхронного генератора f1(Гц) прямо пропорциональна частоте вращения ротора п1(об/мин), которую принято называть синхронной частотой вращения:
f1=рп1/60
Здесь р — число пар полюсов; в рассматриваемом генераторе два полюса, т. е. р=1.
Для получения промышленной частоты ЭДС (50 Гц) ротор такого генератора необходимо вращать с частотой п1= 3000 об/мин, тогда f1 = 1·3000/60 = 50 Гц.
Постоянные магниты на роторе применяются лишь в синхронных генераторах весьма малой мощности, в большинстве же синхронных генераторов для получения возбуждающего магнитного поля применяют обмотку возбуждения, располагаемую на роторе. Эта обмотка подключается к источнику постоянного тока через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, располагаемых на валу и изолированных от вала и друг от друга, и двух неподвижных щеток (рис. 1.8.).
Как уже отмечалось, приводной двигатель (ПД) приводит во вращение ротор синхронного генератора с синхронной частотой п1. При этом магнитное поле ротора также вращается с частотой п1 и индуцирует в трехфазной обмотке статора переменные ЭДС ЕА, ЕВ, Ес, которые, будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на ⅓периода (120 эл. град), образуют трехфазную симметричную систему ЭДС.
С подключением нагрузки в фазах обмотки статора появляются токи 1А, 1В, 1с. При этом трехфазная обмотка статора создает вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора (об/мин): п1 =f160/р.
:Рис. 1.9. Электромагнитная схема синхронного генератора
Таким образом, в синхронном генераторе поле статора и ротор вращаются синхронно, отсюда и название — синхронные машины.
1.2.2 Конструкция синхронного турбогенератора
Конструкция мощных синхронных машин в первую очередь определяется частотой вращения. Неявнополюсные синхронные машины турбогенераторы изготовляются с частотой вращения 3000 об/мин двухполюсном исполнении (р = 1) и 1500 об/мин в четырехполюсном исполнении (р = 2). В синхронных машинах с большим числом полюсов -гидрогенераторах — применяется явнополюсная конструкция ротора.
Турбоагрегат состоит из нескольких машин, соединенных между собой муфтами. Ротор турбогенератора соединяется муфтой с ротором паровой турбины. Таким образом, получается единый блок паровая турбина — турбогенератор