СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕРИИ ВТЕ, ВТП

Тиристорные возбудители серии ВТЕ, ВТП предназначены для питания обмоток возбуждения синхронных двигателей мощностью до 12500 кВт., автоматически регулируемым постоянным током, при их прямом и реакторном пуске, синхронной работе и в аварийных режимах.

Возбудители удовлетворяют требованиям ГОСТ 24688-81, ГОСТ 18142.1-82 и могут быть использованы взамен выпрямителей серий ТВ-320, ТВ-400, ТВ-600, ТВУ, ВТЭ-320, ТЕ8-320, В-ТПЕ8, В-ТПП8, КТЭС.

Возбудители выпускаются на номинальные токи 200, 320, 400, 630, 800 и 1000 А, номинальные напряжения от 24 до 300 В. Возбудители на токи 200, 320 и 400 А, имеют естественное воздушное охлаждение, а на токи 630, 800 и 1000 А - принудительное воздушное от встроенных вентиляторов.

ПРЕИМУЩЕСТВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

легко перепрограммируемые при наладке структуры систем автоматического регулирования;

стабилизация тока возбуждения в ручном режиме;

регулирование напряжения статора;

регулирование cos ? в узле нагрузки;

регулирование реактивного тока статора;

двухпроводные интерфейсы для внешних средств автоматизации и диагностики;

режим автоматического опробования перед включением;

проверка цепей защиты от перенапряжений;

проверка исправности силовых цепей.

разветвленная система защит;

встроенная система диагностики и записи «аварийного следа»;

любая объектная ориентация по требованию Заказчика.

УСТРОЙСТВО

Питание ВТЕ, ВТП (далее «возбудитель») может осуществляться от одного ввода напряжением ~380 В, 50 Гц. Предусмотрена также возможность питания средств управления от отдельного ввода. Для управления цепями включения и выключения масляными выключателями предусмотрен ввод напряжения = 220 (110) В. Схема и состав релейно-коммутационной части возбудителя определяется требованиями конкретного объекта применения.

Выпрямитель возбудителя выполнен по трехфазной мостовой схеме с одним тиристором в плече. Параллельно нагрузке (обмотке возбуждения синхронного двигателя) через бесконтактный ключ на тиристорах, подключено пусковое сопротивление, предназначенное для асинхронного пуска и снижения до допустимой величины перенапряжений, возникающих в обмотке ротора при асинхронных режимах работы двигателя. Причем включение тиристоров ключа осуществляется как от микропроцессорной системы управления в режиме пуска, так и непосредственно от возникающих на обмотке возбуждения перенапряжений.

Микропроцессорная система управления осуществляет управление всем комплексом аппаратуры возбудителя начиная от приема внешних и внутренних дискретных и аналоговых сигналов и заканчивая выдачей управляющих потенциальных и импульсных сигналов, а также индикацию с помощью встроенного пультового терминала (ПТ) всех режимов работы возбудителя.

Перед включением на рабочий режим возбудителя производится режим опробования, при котором проверяется:

исправность цепей защиты ротора от перенапряжений путем подачи импульсов напряжения реальной величины и фиксация срабатывания тиристоров ключа в обоих направлениях;

исправность преобразователя и внешних силовых цепей.

Возбудители имеют рабочие режимы автоматического и ручного управления током возбуждения. Переключение с режима на режим осуществляется без отключения возбудителя переключателем, установленным на двери преобразователя. Там же установлены измерительные приборы (ток статора, ток возбуждения, напряжение возбуждения, cos ?) и пультовый терминал, с помощью которого можно осуществлять выбор структуры системы автоматического регулирования, изменение параметров регуляторов и уставок системы управления и защит. Эти же процедуры можно осуществлять и с помощью ПЭВМ, для чего разработан комплекс сервисного программного обеспечения, значительно облегчающий и ускоряющий процесс наладки.

В режиме ручного управления возбудитель обеспечивает:

автоматическую подачу возбуждения в функции скольжения ротора в диапазоне 1-5% с выбором оптимальной полуволны тока ротора при прямом или реакторном пуске синхронного двигателя;

регулировку напряжения возбуждения в интервале от 0,1 до 2,0 номинального;

ограничение напряжения возбуждения по минимуму от 0 до 0,5 номинального, тока возбуждения по максимуму до 1,75 номинального;

форсировку возбуждения по напряжению кратностью не менее 2,0 номинального при номинальном напряжении питающей сети и «форсировочном» токе кратностью 1,75 номинального;

ограничение тока ротора при перегрузке по время – токовой характеристике;

защиту от внутренних коротких замыканий в преобразователе, от внешних коротких замыканий на стороне постоянного тока;

гашение поля при нормальных и аварийных отключениях двигателя переводом преобразователя в инверторный режим;

защиту синхронного двигателя от потери возбуждения и от затянувшегося пуска со временем срабатывания до 30с. В режиме автоматического управления возбудитель, кроме вышеперечисленного обеспечивает автоматическое регулирование тока возбуждения по напряжению статора, cos ? в узле нагрузки или реактивному току статора.

СТРУКТУРА УСЛОВНОГО ОБОЗНАЧЕНИЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОНСТРУКЦИИ

Конструктивно возбудитель выполнен в виде шкафа с двухсторонним обслуживанием. Органы управления, измерительные приборы и лампы сигнализации расположены на двери шкафа. Охлаждение тиристоров естественное или принудительное (ВТЕ, ВТП) воздушное. Подвод кабелей внешних подключений осуществляется через отверстия в днище шкафа, уплотненные гермовводами. Для крепления кабелей предусмотрены скобы. Силовой преобразовательный трансформатор устанавливается отдельно.

Габариты шкафа ВТЕ (ВТП) (ШхВхГ) мм. – 800 (1000) х 2000 (2150) х 600.

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Таблица 1. Основные технические данные систем возбуждения синхронных двигателей

Наименование параметра	Значение
1. Входное питающее напряжение трехфазное, В	380 +10/-15 %
2. Частота входного напряжения, Гц	50 ± 2 %
3. Кратность форсировки по напряжению, о. е.	2,0 Uн
4. Кратность форсировки по току не менее, о.е	1,75 Iн
5. Оперативное напряжение постоянного тока, В	220 (110) +10 /-15 %
6. Коэффициент полезного действия, не менее	0,95
7. Степень защиты	IP21…IP54 (по заказу)
8. Срок службы не менее, лет	15
9. Среднее время восстановления не более, мин.	40
10. Помехоустойчивость	удовлетворяет всем требованиям стандартов
11. Способ гашения поля	инверторный

УСЛОВИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Таблица 2. Условия окружающей среды

Синхронная машина в обычном исполнении состоит из неподвижной части - статора, в пазах которого помещается трехфазная обмотка, и вращающейся части - ротора с электромагнитами, к обмотке которых подводится постоянный ток при помощи контактных колец и наложенных на них щеток (рис. 1). Статор синхронной машины ничем не отличается от статора асинхронной машины. Ротор её выполняется или явнополюсным (с выступающими полюсами, рис. 1), или неявнополюсным (цилиндрический ротор, рис. 2).

Рис. 1 Явнополюсная синхронная машина (2 p = 8). Рис. 2 Неявнополюсная синхронная машина (2 p = 2).

В зависимости от рода первичного двигателя, которым приводится во вращение синхронный генератор, применяются названия: паротурбинный генератор или сокращенно турбогенератор (первичный двигатель - паровая турбина), гидротурбинный генератор или сокращенно гидрогенератор (первичный двигатель - гидравлическая турбина) и дизель-генератор (первичный двигатель - дизель). Турбогенераторы - быстроходные неявнополюсные машины, выполняемые в настоящее время, как правило, с двумя полюсами. Турбогенератор вместе с паровой турбиной, с которой он механически соединяется называется турбоагрегатом.

Гидрогенераторы - в обычных случаях тихоходные явнополюсные машины, выполняемые с большим числом полюсов и с вертикальным валом

Дизель-генераторы представляют собой в большинстве случаев машины с горизонтальным валом. Синхронные машины небольшой мощности иногда выполняются с неподвижными электромагнитами, помещенными на статоре, и обмоткой переменного тока, заложенной в пазы ротора, изготовленного из листовой электротехнической стали; в этом случае обмотка переменного тока соединяется с внешней цепью через контактные кольца и щетки.

Ту часть синхронной машины, в обмотке которой наводится э. д. с. , называют якорем. Электромагниты (полюсы) вместе с замыкающим их ярмом образуют полюсную систему; ее называют индуктором. В синхронных машинах обычной конструкции статор служит якорем, ротор - полюсной системой. Основные преимущества конструкции с вращающимися полюсами заключаются в том, что здесь возможно осуществить более надежную изоляцию обмотки неподвижного якоря, более просто, без скользящих контактов соединить ее с сетью переменного тока.

Устройство скользящих контактов для подвода постоянного тока в обмотке электромагнитов, называемой обмоткой возбуждения, не представляет затруднений, так как мощность, подводимая к этой обмотке, составляет небольшую долю [(0, 3 - 2)%] номинальной мощности машины. Кроме того, нужно отметить, что в современных мощных турбогенераторах, работающих с частотой вращения 3000 об/мин, окружная частота ротора достигает 180 - 185 м/сек; при такой частоте не представлялось бы возможным выполнить вращающийся якорь, собранный из тонких листов, механически достаточно прочным.

Ротор современного турбогенератора выполняется из цельной стальной поковки, высокого качества. Катушки обмотки возбуждения закладываются в пазы, выфрезерованные на внешней поверхности ротора, и закрепляются в пазах прочными металлическими клиньями. Лобовые части обмотки возбуждения закрываются кольцевыми бандажами, выполненными из особо прочной стали. Ток для питания обмотки возбуждения синхронная машина получает обычно от небольшого генератора постоянного тока, помешенного на общем валу с ней или механически с ней соединенного. Такой генератор называется возбудителем. В случае мощного турбогенератора вал возбудителя с валом турбо генератора соединяется при помощи полуэластичной муфты.

В синхронных генераторах применяют два основных способа возбуждения: независимое (рис. а.) и самовозбуждение (рис. б.)

При независимом возбуждении обмотка возбуждения питается от генератора постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения, расположенного на валу ротора синхронного генератора и вращающегося вместе с ним (большой мощности). При самовозбуждении питание обмотки возбуждения осуществляется самим синхронным генератором через выпрямитель (малой и средней мощности).

При помощи первичного двигателя роториндуктор вращается. Магнитное поле находится на роторе и вращается вместе с ним, поэтому скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля – отсюда название синхронная машина.

При вращении ротора магнитный поток полюсов пересекает статорную обмотку и наводит в ней ЭДС по закону электромагнитной индукции: E = 4, 44*f*w*kw*Ф, где: f – частота переменного тока, Гц; w – количество витков; kw – обмоточный коэффициент; Ф – магнитный поток. Частота индуктированной ЭДС (напряжения, тока) синхронного генератора: f =p *n/60, где: р – число пар полюсов; n – скорость вращения ротора, об/мин.

Заменив в: E = 4, 44*(п*р/60)*w*kw*Ф и, определив что: 4, 44*(р/60)*w*kw – относится к конструкции машины и создаёт конструктивный коэффициент: C = 4. 44*(р/60)*w*kw. Тогда: Е = СЕ*n*Ф. Таким образом, как и у любого генератора, основанного на законе электромагнитной индукции, индуктированная ЭДС пропорциональна магнитному потоку машины и скорости вращения ротора.

Синхронные машины применяются также в качестве электрического двигателя, особенно в установках большой мощности (свыше 50 к. Вт)

Для работы синхронной машины в режиме двигателя обмотку статора подключают к трёхфазной сети, а обмотку ротора к источнику постоянного тока. В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля машины с постоянным током обмотки возбуждения, возникает вращающий момент М, который увлекает его со скоростью магнитного поля.

Для включения генератора в сеть необходимо: одинаковое чередование фаз в сети и генераторе; равенство напряжения сети и ЭДС генератора; равенство частот ЭДС генератора и напряжения сети; включать генератор в тот момент, когда ЭДС генератора в каждой фазе направлена встречно напряжению сети. Невыполнение этих условий ведёт к тому, что в момент включения генератора в сеть возникают токи, которые могут оказаться большими и вывести генератор из строя.

Электроприводы с синхронными двигателями можно разделить на три класса из условий формирования нагрузок: электроприводы с неизменной или медленно меняющейся нагрузкой, электроприводы с пульсирующей нагрузкой, электроприводы с резкопеременной нагрузкой. Основные технические характеристики синхронных электроприводов в зависимости от типа возникающей нагрузки приведены в табл. 6.1.

Как следует из табл. 6.1, в электроприводах с пульсирующей и резкопеременной нагрузкой необходимо осуществлять автоматическое регулирование возбуждения синхронного двигателя. Системы автоматического регулирования возбуждения обеспечивают устойчивую работу синхронного двигателя при набросах нагрузки или при снижении напряжения питающей сети. В этих случаях системы автоматического регулирования возбуждения увеличивают ток возбуждения, благодаря чему увеличивается максимальный момент синхронного двигателя. Кроме того, изменение тока возбуждения синхронного двигателя позволяет регулировать реактивную мощность статорной цепи двигателя.

Таблица 6.1

Типы нагрузок	Механизмы	Диапазон мощностей	Автоматическое регулирование тока возбуждения
Неизменная	Вентиляторы Воздуходувки Компрессоры	Юч-ЮОО кВт	Не требуется
Пульсирующая	Станки-качалки Поршневые компрессоры		Необходимо
Резкоперсменная	Дробилки Мельницы Прокатные станы Ножницы Пилы	1004-10000 кВт	Необходимо

Возможность регулирования реактивной мощности в цепи статора синхронного двигателя путем изменения его тока возбуждения иллюстрируется векторными диаграммами, приведенными на рис. 6.14.

Рис. 6.14. Векторные диаграммы синхронного двигателя при разных токах обмотки возбуждения: а - ток возбуждения меньше номинального; б - ток возбуждения равен номинальному; в - ток возбуждения больше номинального

Векторная диаграмма рис. 6.14, а соответствует току обмотки возбуждения меньше номинального, при этом вектор тока статора /, отстает от вектора напряжения сети LJ X на угол ср. Реактивная мощность активно-индуктивная. При увеличении тока возбуждения (рис. 6.14, б) ЭДС Е } , наводимая в обмотках статора, увеличивается и может достигнуть такого значения, при котором ток статора /, будет совпадать по фазе с напряжением (/, то есть costp = 1. Реактивная мощность равна нулю. Если ток обмотки возбуждения еще увеличить, то вектор тока статора /, будет опережать по фазе вектор напряжения 6/, (работа с опережающим coscp) и синхронный двигатель будет эквивалентен активно-емкостной нагрузке, включенной параллельно с сетью (рис. 6.14, в).

На рис. 6.15 приведены ^/-образные характеристики. Они показывают зависимость тока статора /, синхронного двигателя от тока возбуждения / в при различных нагрузках на валу двигателя (М с! При численных значениях параметров 67-образные характеристики позволяют правильно выбрать ток возбуждения, для того чтобы обеспечить необходимый режим работы синхронного двигателя.

В настоящее время на практике применяются системы автоматического регулирования возбуждения. В зависимости от схемных решений системы автоматического регулирования тока возбуждения могут выполнять следующие основные функции:

• обеспечивать устойчивую работу синхронного двигателя при заданных режимах нагрузки;
• поддерживать оптимальное напряжение в узле нагрузки, к которому подключен синхронный двигатель;
• обеспечивать минимум потерь энергии в синхронном двигателе и системе электроснабжения.

Рис. 6.15.

При выборе схем автоматического регулирования тока возбуждения руководствуются следующими положениями:

• в электроприводах с неизменной нагрузкой и незначительными колебаниями напряжения питающей сети установка устройств автоматического регулирования тока возбуждения, как правило, не предусматривается;
• в электроприводах с пульсирующей нагрузкой или ударной нагрузкой необходима установка устройств автоматического регулирования тока возбуждения. Ток возбуждения таких двигателей регулируется в функции активного тока статора, что позволяет значительно повысить перегрузочную способность двигателя, а в ряде случаев уменьшить его установленную мощность;
• при работе синхронного двигателя с резкопеременной нагрузкой также необходима установка устройств автоматического регулирования тока возбуждения, однако в этом случае система регулирования должна реагировать не только на изменение нагрузки, но также и на скорость этого изменения.

Простейшая схема системы автоматического регулирования тока возбуждения для электроприводов с пульсирующей нагрузкой приведена на рис. 6.16. Система позволяет обеспечить возбуждение синхронного двигателя во всех штатных режимах его работы. При изменении нагрузки на валу двигателя возрастает и ток обмотки статора /, что

приводит к росту сигнала положительной обратной связи по току U oc[

и, как следствие, - к увеличению напряжения управляемого выпрямителя и росту тока возбуждения синхронного двигателя.

Рис. 6.16.

Учитывая пропорциональность между ЭДС и магнитным потоком Ф, а следовательно, и током обмотки возбуждения / в, уравнение (1.71) можно записать в следующем виде:

где к в - коэффициент пропорциональности между потоком Ф и током возбуждения 1 а.

Анализ (6.10) показывает, что увеличение тока возбуждения вызывает рост максимального момента синхронного двигателя. Следовательно, автоматическая регулировка возбуждения приводит к повышению динамической устойчивости синхронного двигателя при изменении нагрузки на его валу и демпфированию качания ротора.

Поддерживать оптимальное напряжение в узле нагрузки, к которому подключен синхронный двигатель, также возможно с помощью систем автоматического регулирования тока возбуждения.

Для улучшения показателей работы разветвленной промышленной сети производят компенсацию реактивной мощности путем установки синхронных двигателей или синхронных компенсаторов . На рис. 6.17 показана схема узла нагрузки, к которому подключены потребители, генерирующие и потребляющие реактивную мощность.

Рис. 6.1 7.

Индуктивный реактивный ток / р равен сумме реактивных токов п

потребителей (трансформаторов; асинхронных двигателей; двигателей постоянного тока, питающихся от регулируемых преобразователей) и определяется по выражению

где / . - реактивный ток /-й нагрузки.

Для полной компенсации реактивной мощности в сети необходимо выполнить условие

Реактивный ток синхронной машины, необходимый для компенсации падения напряжения сети:

где Х п - эквивалентное фазное реактивное сопротивление сети с учетом всех потребителей:

AU C - падение напряжения сети; - фазное напряжение сети;

- суммарное фазное сопротивление всех потребителей электрической энергии, кроме синхронного двигателя; р, - электрическая проводимость участка цепи; U, t - линейное напряжение сети; S K с -

мощность короткого замыкания сети.

Современные системы автоматического регулирования тока возбуждения синхронных двигателей, предназначенных для компенсации реактивной мощности, строятся по принципу подчиненного регулирования координат и предусматривают регулирование трех переменных: тока возбуждения, падения напряжения на эквивалентном фазном реактивном сопротивлении сети, реактивного тока статора синхронного двигателя. Функциональная схема такой системы приведена на рис. 6.18.

Рис. 6.18.

Внутренний контур обеспечивает регулирование тока возбуждения с помощью регулятора тока возбуждения РТВ. Заданием на ток возбуждения синхронного двигателя является выходной сигнал U pj регулятора

реактивного тока РРТ. Из этого сигнала вычитается напряжение обратной связи по току возбуждения синхронного двигателя. Выходной сигнал?/ ртв регулятора тока возбуждения воздействует на управляемый

выпрямитель УВ, изменяя ток возбуждения / в синхронного двигателя.

Регулятор реактивного тока входит во второй контур - контур регулирования реактивного тока I . На его входе суммируются сигналы

отрицательной обратной связи по реактивному току (7 орт и сигнал задания на реактивный ток - с выхода регулятора напряжения PH.

На входе регулятора напряжения PH суммируются сигналы отрицательной обратной связи по напряжению U on . Обратная связь по напряжению сформирована из реактивного тока и эквивалентного фазного сопротивления сети: U 0H = I Х С1 . Регулятор напряжения адаптивный, пропорционального типа, изменяющий коэффициент усиления при снижении напряжения питающей среды ниже (0,8 -ь 0,85) U H .

Передаточные функции контуров регулирования и регуляторов токов получены при следующих основных допущениях:

Насыщение магнитной цепи синхронного двигателя не учитывается;

Управляемый выпрямитель - апериодическое звено первого порядка с передаточной функцией

где к. ш - коэффициент усиления управляемого выпрямителя (тиристорного преобразователя); - постоянная времени запаздывания

тиристорного преобразователя; т в - число пульсаций напряжения тиристорного преобразователя за период напряжения питающей сети; со е -

угловая частота питающей сети, равная 314,15 с" 1 , при частоте питающей сети / с =50Гц; все постоянные времени фильтров и малые инерционности суммируются и заменяются одной постоянной времени.

Передаточные функции регуляторов в соответствии с модульным оптимумом:

Регулятор тока возбуждения

Регулятор реактивного тока

где Т - постоянная времени контура регулирования тока возбуждения; 7j ipp - постоянная времени контура регулирования реактивного тока; к яп - коэффициент передачи датчика тока возбуждения; R B - активное сопротивление обмотки возбуждения синхронного двигателя; к яря - коэффициент передачи датчика реактивного тока; к ся - коэффициент передачи синхронного двигателя, управляемого по цепи обмотки возбуждения изменением напряжения.

Компенсация форсирующего звена 7^ ртв р +1 в числителе передаточной функции регулятора тока возбуждения W pTB (p) выполняется внутри объекта регулирования - синхронного двигателя. Таким образом, в контуре регулирования реактивного тока не оказывается постоянной времени, которую требуется компенсировать, поэтому выполнение регулятора с пропорционально-интегральной характеристикой позволяет ликвидировать недостаток системы подчиненного регулирования.

Использование синхронного двигателя с автоматической регулировкой возбуждения позволяет поддерживать на заданном уровне реактивную мощность и напряжение в узле нагрузки. Задание в автоматический регулятор возбуждения на генерирование реактивной мощности является величиной переменной, зависящей от параметров и загрузки питающей сети.

Синхронными машинами называют устройства частота вращения ротора, в которых она всегда равна или же кратна аналогичному показателю магнитного поля внутри воздушного зазора, которое создается за счет тока проходящего по якорной обмотке. В основе работы данного типа машин лежит принцип электромагнитной индукции.

Возбуждение синхронных машин

Возбуждение синхронных машин может производиться за счет электромагнитного воздействия или же постоянного магнита. В случае с электромагнитным возбуждением применяется специальный генератор постоянного тока, который и питает обмотку, в связи со своей основной функцией данное устройство получило название возбудитель. Стоит отметить, что система возбуждения также делится на два вида по способу воздействия – прямой и косвенный. Прямой метод возбуждения подразумевает, что вал синхронной машины напрямую соединен механическим способом с ротором возбудителя. Косвенный же метод предполагает, что для того чтобы заставить ротор вращаться используется другой двигатель, например асинхронная электромашина.

Наибольшее распространение сегодня получил именно прямой метод возбуждения. Однако в тех случаях, когда предполагается работа системы возбуждения с мощными синхронными электромашинами применяют генераторы независимого возбуждения, на обмотку которых ток подается с другого источника постоянного тока, называемого подвозбудителем. Несмотря на всю громоздкость, данная система позволяет добиться большей стабильности в работе, а также более тонкой настройки характеристик.

Устройство синхронной машины

У синхронной электрической машины существует две основных составляющих части: индуктор (ротор) и якорь (статор). Самой оптимальной и потому распространенной на сегодняшний день является схема, когда якорь располагают на статоре, в то время как индуктор располагается на роторе. Обязательным условием для функционирования механизма является наличие между этими двумя частями воздушной прослойки. Якорь в данном случае представляет собой неподвижную часть устройства (статор). Он может состоять как из одной, так и из нескольких обмоток, в зависимости от необходимой мощности магнитного поля, которое он должен создавать. Сердечник статора, как правило, набирается из отдельных тонких листов электротехнической стали.

Индуктор в синхронных электрических машинах представляет собой электромагнит, при этом концы его обмотки выводятся непосредственно на контактные кольца на валу. Во время работы индуктор возбуждается постоянным током, благодаря которому ротор и создает электромагнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем якоря. Таким образом, благодаря постоянному току, возбуждающему индуктор, достигается постоянная частота вращения магнитного поля внутри синхронной машины.

Принцип действия синхронных машин

В основе принципа работы синхронной машины лежит взаимодействие двух типов магнитных полей. Одно из этих полей образуется якорем, другое же возникает вокруг возбуждаемого постоянным током электромагнита – индуктора. Непосредственно после выхода на рабочую мощность магнитное поле создаваемое статором и вращающееся внутри воздушной прослойки, сцепляется с магнитными полями на полюсах индуктора. Таким образом, для того чтобы синхронная машина достигла рабочей частоты вращения, требуется определенное время на ее разгон. После того как машина разгоняется до необходимой частоты, на индуктор подается питание от источника постоянного тока.

При рассмотрении принципа действия синхронного генератора было установлено, что на роторе синхронного генератора расположен источник МДС (индуктор), создающий в генераторе магнитное поле. С помощью приводного двигателя (ПД) ротор генератора приводится во вращение с синхронной частотой n 1 . При этом магнитное поле ротора также вращается и, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней ЭДС.

Синхронные двигатели конструктивно почти не отличаются от синхронных генераторов. Они также состоят из статора с обмоткой и ротора. Поэтому независимо от режима работы любая синхронная машина нуждается в процессе возбуждения - наведения в ней магнитного поля.

Основным способом возбуждения синхронных машин является электромагнитное возбуждение, сущность которого состоит в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения. При прохождении по этой обмотке постоянного тока возникает МДС возбуждения, которая наводит в магнитной системе машины магнитное поле.

До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.1, а), обмотка возбуждения которого (ОВ) получала питание постоянного тока от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронной машины и якоря возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронной машины поступает через контактные кольца и щетки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя (r 1) и подвозбудителя (r 2).

В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах большой мощности -- турбогенераторах -- иногда в качестве возбудителя применяют генераторы переменного тока индукторного типа (см. § 23.6). На выходе такого генератора включают полупроводниковый выпрямитель.

Рис. 1.1.

Регулировка тока возбуждения синхронного генератора в этом случае осуществляется изменением возбуждения индукторного генератора.

Получила применение в синхронных генераторах бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе.

В качестве возбудителя и в этом случае применяют генератор переменного тока (рис. 1.1, 5), у которого обмотка 2, в которой наводится ЭДС (обмотка якоря), расположена на роторе, а обмотка возбуждения 1 расположена на статоре. В результате обмотка якоря возбудителя и обмотка возбуждения синхронной машины оказываются вращающимися, и их электрическое соединение осуществляется непосредственно, без контактных колец и щеток. Но так как возбудитель является генератором переменного тока, а обмотку возбуждения необходимо питать постоянным током, то на выходе обмотки якоря возбудителя включают полупроводниковый преобразователь 3, закрепленный на валу синхронной машины и вращающийся вместе с обмоткой возбуждения синхронной машины и обмоткой якоря возбудителя. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя осуществляется от подвозбудителя (ПВ) -- генератора постоянного тока.

Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронной машины позволяет повысить ее эксплуатационную надежность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в том числе гидрогенераторах (см. § 1.2), получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.2, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь (ПП) преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного магнетизма магнитопровода машины.

Рис. 1.2.

На рис. 1.2, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подается в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора побуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на выходе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты БЗ, обеспечивающий защиту обмотки возбуждения и тиристорного преобразователя ТП от перенапряжений и токовой перегрузки.

В современных синхронных двигателях для возбуждения применяют тиристорные возбудительные устройства, включаемые в сеть переменного тока и осуществляющие автоматическое управление током возбуждения во всевозможных режимах работы двигателя, в том числе и переходных. Такой способ возбуждения является наиболее надежным и экономичным, так как КПД тиристорных возбудительных устройств выше, чем у генераторов постоянного тока. Промышленностью выпускаются тиристорные возбудительные устройства на различные напряжения возбуждения с допустимым значением постоянного тока 320 А.

Наибольшее распространение в современных сериях синхронных двигателей получили возбудительные тиристорные устройства типов ТЕ8-320/48 (напряжение возбуждения 48 В) и ТЕ8-320/75 (напряжение возбуждения 75 В). Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5% полезной мощности машины (меньшее значение относится к машинам большой мощности).

В синхронных машинах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, когда на роторе машины располагаются постоянные магниты. Такой способ возбуждения дает возможность избавить машину от обмотки возбуждения. В результате конструкция машины упрощается, становится более экономичной и надежной. Однако из-за дефицитности материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничивается лишь машинами мощностью не более нескольких киловатт.