Подборский, Э. Н

Синхронные машины

Электрические машины

Э.Н. Подборский

Учебное пособие

Абакан-2013

УДК 621.395.661.1

ББК З1.261.8

П44

Рецензенты:

А. Г. Никифоров – канд. техн. наук, директор ОАО «Телецентр»;

А.Д. Макаревич – канд. техн. наук, доцент, начальник отдела разрешительной деятельности Госкомэкологии Хакасии

П44 Электрические машины. Синхронные машины: Учеб. пособие /

Э. Н. Подборский; Сиб. федер. ун-т, ХТИ – филиал СФУ. –

Абакан: РИО ХТИ – филиала СФУ, 2013, –с.

В учебном пособии изложены вопросы теории электромеханического преобразования энергии в синхронных машинах, анализируются их эксплуатационные характеристики. Экспериментальная часть позволит студентам глубже освоить теоретический материал по разделу «Синхронные машины». Учебное пособие предназначено студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 140200.62 «Электроэнергетика».

УДК 621.395.661.1

ББК З1.261.8

© Подборский Э. Н., 2013

© ХТИ – филиал СФУ, 2013

Введение

Производственная деятельность человека невозможна без применения электрической энергии, основная часть которой производится с помощью синхронных генераторов. В 1876 г. русским ученым Н. П. Яблочковым были разработаны первые образцы однофазных синхронных генераторов для питания дуговых ламп. Первый трехфазный синхронный генератор был изобретен выдающимся русским электротехником М. О. Доливо-Добровольским.

Основная принципиальная схема синхронных машин с тех пор осталась неизменной, но совершенствовалась их конструкция: помимо воздушного стали использоваться водородное и водяное охлаждение, существенно возросла мощность. Начиная с 20-х годов нашего столетия создаются синхронные машины систем автоматики и их разнообразные модификации.

В 1959 г. ЛПЭО «Электросила» с участием ряда организаций и институтов были созданы первые в мировой практике синхронные гидрогенераторы мощностью 50 MB , содержащие две взаимно перпендикулярные обмотки возбуждения, что существенно повысило маневренность и устойчивость синхронных генераторов. Впоследствии такие машины получили название асинхронизированных. В 1981 – 1984 гг. Харьковским заводом «Электротяжмаш» был создан асинхронизированный турбогенератор мощностью 200 мВт. В 1986 г. японской фирмой «Хитачи» разработан и изготовлен асинхронизированный генератор-двигатель мощностью 22 мВт для гидроаккумулирующей электростанции.

С конца 60-х годов в России и за рубежом проводились научно-исследовательские работы и были созданы опытные образцы синхронных генераторов, в которых используется явление сверхпроводимости. В перспективе на основе этого явления могут быть созданы сверхпроводниковые синхронные генераторы чрезвычайно больших мощностей (свыше 2000 мВт).

В настоящее время создана строгая и хорошо проработанная теория синхронных машин, разработаны основы их проектирования. В развитие теории и практики синхронных машин внесли большой вклад советские ученые и инженеры: М. М. Ботвинник, А. А. Горев, А. И. Важнов, В. А. Веников, А. И. Вольдек, А. И. Глебов, Я. Б. Данилевич, А. В. Иванов-Смоленский, И. Е. Овчинников, Е. Я. Казовский, И. П. Копылов, М. П. Костенко, Р. А. Лютер, Г. А. Сипайлов, И. М. Постников, Г. М. Хуторецкий, В. В. Хрущев, Ф. М. Юферов и др.

Значительные работы в области синхронных машин выполнены за рубежом Л. Дрейфусом, Р. Парком, Ч. Конкордия, Р. Ранкиным, М. Лившицем и др.

Конструкция синхронных генераторов определяется в основном типом первичного двигателя. В зависимости от этого различают турбогенераторы, устанавливаемые на тепловых и атомных электростанциях (привод от паровой или газовой турбины), гидрогенераторы, устанавливаемые на гидростанциях (привод от гидравлической турбины), а также дизель-генераторы, приводимые во вращение двигателем внутреннего сгорания в передвижных энергоустановках.

Увеличение потребления электроэнергии вызвало необходимость включения синхронных генераторов на параллельную работу, создания крупных электростанций, состоящих из множества синхронных генераторов, укрупнения единичной мощности этих генераторов.

Развитие тепловых и атомных электростанций в последние десятилетия характеризуется установкой на них блоков и соответственно турбогенераторов больших единичных мощностей (300, 500, 800, 1000, 1200 мВт) и увеличением мощностей самих электростанций. Создан и успешно эксплуатируется на Костромской ГРЭС турбогенератор мощностью 1200 мВт, а мощности тепловых электростанций возросли до 6000 мВт (Сургутская).

Развитие гидроэнергетики характеризуется строительством крупных ГЭС с агрегатами большой единичной мощности. В России работают такие мощные ГЭС, как Братская – 4500 МВТ, Красноярская – 6000 МВт, строятся Бурейская и Богучанская.

Значительное удаление районов относительно дешевых энергоресурсов от центров потребления электроэнергии требовали интенсивного развития электрических сетей.

Синхронные генераторы обычно выполняют на номинальные напряжения 10 – 24 кВ и через повышающие (генераторные) трансформаторы подключают к электрическим сетям различной протяженности с напряжением 110, 220, 330, 500, 750 и 1150 кВ переменного тока. Причем чем больше протяженность линии электропередачи, тем выше её класс напряжения.

Намечены перспективы развития и совершенствования синхронных генераторов электростанций. Основу развития наиболее мощных тепловых электростанций составят турбогенераторы мощностью 800 мВт, а атомных – турбогенераторы мощностью 1000 мВт.

На теплоэлектроцентралях будут внедряться двухполюсные турбогенераторы мощностью 200 и 300 мВт. Отказ от заполнения их водородом и от применения горючих масел обеспечит их взрыво-безопасность и снизит до минимума возможности возникновения пожаров. Перспективными в этом отношении являются турбогенераторы с полностью водяным охлаждением. Несколько генераторов такого типа мощностью 60 и 800 мВт уже работают в России и за рубежом. В целях упрощения конструкции и снижения затрат на создание и эксплуатацию начаты разработки турбогенераторов мощностью до 200 мВт с полностью воздушным охлаждением. Они будут удобны для газотурбинных установок, работающих с малым числом часов использования при частых пусках и остановах.

В области гидроэнергетики для гидроаккумулирующих электростанций разрабатываются обратимые двигатель-генераторы мощностью 400 – 600 мВт, для ряда ГЭС разрабатываются горизонтальные капсульные гидроагрегаты мощностью 50 мВт. В последние годы существенно расширена программа создания гидрогенераторов для малых гидроэлектростанций мощностью от десятков киловатт до нескольких мегаватт. Для регулирования реактивной мощности в электросетях используются синхронные компенсаторы мощностью 50, 100

160 MB А. Наиболее мощный из известных синхронных компенсатоов (250 MB А) создан шведской фирмой АСЕА.

Во всем мире получают развитие работы в области создания генераторов для ветроэлектрических установок, где предполагается применение синхронных машин с преобразователями частоты. Широкое применение в народном хозяйстве получили синхронные двигатели. Их мощность измеряется от нескольких десятков ватт до десятков мегаватт, а частота вращения – от нескольких до десятков тысяч оборотов в минуту.

В последние годы большое внимание уделяется синхронным двигателям с преобразователями частоты. Такие комплексы позволяют экономично регулировать частоту вращения различных механизмов. Широкие работы в этом отношении развернулись за рубежом на фирмах «Сименс», АЕГ, «Браун Бовери», «Тошиба» и др. Синхронные двигатели малой мощности с регулированием частоты вращения или углового положения ротора часто используются в системах автоматики.

В учебной программе по электрическим машинам запланированы, в частности, лекции и лабораторные занятия. В соответствии с этим в данном пособии изложена теория синхронных машин.

При подготовке бакалавров по направлению «Электроэнергетика» уделяется серьезное внимание не только изучению теоретического курса электрических машин, но и выполнению лабораторных работ, которые являются эффективной формой познавательной деятельности студентов. На лабораторных занятиях студенты активно участвуют в подготовке и проведении экспериментальных исследований под руководством преподавателя. На них студент приобретает необходимые знания, умения и навыки в проведении опытов, самостоятельно оценивает полученные результаты, осваивает правила монтажа и эксплуатации экспериментальных установок. В лабораториях реализуется один из важнейших принципов учебного процесса – связь теории с практикой.

В 2008 г. Хакасский технический институт – филиал Сибирского федерального университета приобрёл новую лабораторию электрических машин, состоящую из трёх универсальных стендов. Для внедрения лаборатории в учебный процесс автор разработал лабораторные работы ко всему теоретическому материалу и подготовил к ним методическое обеспечение. При разработке лабораторных работ автор стремился каждый теоретический вопрос по возможности закрепить экспериментами в соответствующей лабораторной работе.

В предлагаемом учебном пособии уделено должное внимание организации учебных занятий в лаборатории и порядку выполнения отдельных лабораторных работ, описано устройство универсальной лабораторной установки, типовое оборудование, измерительные приборы, аппараты, изложены правила техники безопасности при выполнении лабораторных работ.

В каждой лабораторной работе сформулированы цель ее постановки, описаны электрические схемы для проведения экспериментов, даны методические указания к проведению опытов и обработке результатов.

Дата добавления: 2014-11-29