Асинхронных генераторов

Для питания энергией высокоскоростных асинхронных двигателей при частотах до 500 Гц используют многополюсные синхронные или индукторные генераторы, для нагревательных установок и высокоскоростных асинхронных двигателей при частотах до 8000 Гц — специальные индукторные генераторы. Переменный ток высокой частоты (от тысяч до нескольких сотен миллионов герц) для радиотехнических и других установок получают с помощью ламповых или полупроводниковых генераторов. Принцип действия генераторов основан на возникновении синусоидальных колебаний в контуре с емкостью и индуктивностью.

Двигатели постоянного тока применяют на транспорте для привода некоторых металлорежущих станков, прокатных станов, подъемно-транспортных машин, экскаваторов и т. д. Одной из главнейших причин применения двигателей постоянного тока вместо наиболее широко распространенных асинхронных двигателей (см. гл. 10) является возможность плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне и получения желаемых механических характеристик п(М) (см. § 9-18).

В последнее время для изоляции обмоток асинхронных двигателей низкого напряжения применяют лавсан с электроизоляционным картоном, для двигателей высокого напряжения — пленки на слюдяной основе. На 10.2 изображены разрезы пазов с обмоткой статоров асинхронных двигателей низкого (д) и высокого (о) напряжения.

Из выражения (10.9) следует, что частота вращения магнитных полей всех двухполюсных асинхронных двигателей, включенных в промышленную сеть, составляет

Потери момента АМмех для асинхронных двигателей средней и большой мощности относительно малы, и'ими обычно пренебрегают. В практических расчетах часто принимают, что

10.14. ПУСК АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются двигатели с фазным ротором.

10.39. Устройство однофазных асинхронных двигателей с ко-роткозамкнутым витком (а) и с пусковой обмоткой (б)

Неподвижная часть машины, называемая статором ( 11.1,и), состоит из стального или чугунного корпуса /, в котором закреплен цилиндрический сердечник 2 статора. Для уменьшения потерь на пере-ма! ничивание и вихревые токи его набирают из листов электротехнической стали. В пазах сердечника статора уложена трехфазная обмотка 3, выполняемая так же, как и обмотка статора асинхронных двигателей. Сердечник статора в совокупности с обмоткой статора называется якорем машины. В подшипниковых щитах, прикрепленных с торцевых сторон к корпусу, либо в стояках, закрепленных на фундаменте, расположены подшипники, несущие вал 4 вращающейся части машины — ротора или индуктора. Синхронные генераторы гидроэлектростанций выполняют обычно с вертикальным расположением вала. На валу размещен цилиндрический сердечник 7 ротора, выполняемый из сплошной стали. В пазах сердечника ротора уложена обмотка возбуждения 8, питаемая постоянным током. Для присоединения обмотки возбуждения к внешней электрической цепи на валу укрепляют эда изолированных друг от друга и от вала контактных кольца б, к которым пружинами прижимаются неподвижные щетки 5. Обмотка 8 служит для возбуждения основного магнитного поля машины.

11.12. СРАВНЕНИЕ СИНХРОННЫХ И АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Асинхронный пуск синхронных двигателей несколько сложнее пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. В отношении пусковых свойств асинхронные двигатели с фазным ротором имеют весьма существенные преимущества перед синхронными двигателями.

Недостаток ЭМ переменного тока состоит в сравнительно большом внутреннем индуктивном сопротивлении взаимной индукции обмоток возбуждения и якоря, что обусловливает существенное падение напряжения при питании активно-индуктивных нагрузок в ударных режимах генераторов и режимах динамического торможения. Кроме того, в отсутствие полупроводниковых преобразователей затрудняется регулирование синхронных ЭМ с постоянными магнитами и асинхронных ЭМ. Для самовозбуждения автономных асинхронных генераторов требуется применение конденсаторов значительной емкости, увеличивающих габариты и массу установки ЭМН.

Намагничивающий ток /^, необходимый для создания магнитного потока, как и в двигательном режиме, поступает из сети в обмотку статора. Обычно ток /^ составляет 25—50% от /н, поэтому необходимо, чтобы синхронные генераторы, работающие параллельно с асинхронным, отдавали ему мощность возбуждения, составляющую 25— 50% мощности асинхронного генератора. Вследствие этого общий коэффициент мощности сети ухудшается, что является существенным недостатком асинхронных генераторов, ограничивающим область их применения.

При применении асинхронных генераторов в автономных энергетических установках в качестве источника реактивной мощности используются конденсаторы ( 3.85).

Значительные габариты конденсаторов и громоздкие схемы регулирования ограничивают применение асинхронных генераторов в автономных системах. Схемы с синхронными генераторами находят большее применение.

Магнитный поток Фт создается в асинхронном генераторе намагничивающим током /от. Для этого используются синхронные генераторы, с которыми асинхронный генератор работает совместно на внешнюю сеть. Так как ток 1т составляет 25—45% от /н и подводится к генератору под напряжением сети, то мощность возбуждения (в киловольт-амперах) составляет от мощности генератора те же 25—45%. Другими словами, если на станции установлены 2—4 асинхронных генератора равной мощности, то для их возбуждения должен быть целиком использован один синхронный генератор той же мощности, что и каждый из асинхронных. Напомним, что мощность возбуждения крупного синхронного генератора меньше 1%. Такая разница в мощности возбуждения, которая оказывается не в пользу асинхронного генератора, составляет его существенный недостаток по сравнению с синхронным генератором. Кроме того, ток 1т отстает от напряжения практически на 90°. Следовательно, параллельная работа асинхронных генераторов с синхронными приводит к значительному понижению cos ф последних, даже если внешняя нагрузка является чисто активной.

В настоящее время в связи с усовершенствованием линейных и нелинейных конденсаторов, развитием полупроводниковой техники, увеличением частоты вращения первичных двигателей (газотурбинных и др.) создаются условия для применения асинхронных генераторов в качестве автономных источников переменного тока как в общепромышленных энергоустановках, так и в специальных энергетических системах с повышенной частотой тока.

В соответствии с этим емкость С можно разбить на две части: постоянную СТ, необходимую для самовозбуждения генератора в режиме холостого хода, и переменную Сн, необходимую для компенсации нагрузки. На 8.3 приведены зависимости емкости (мкФ) на 1 кВт активной мощности от созфг для генератора с напряжением на емкости 220 В при частоте 50 и 400 Гц. Величина cos r= = 0,8). Поэтому в качестве асинхронных генераторов желательно иметь высокоскоростные машины. Емкость Сн зависит от характера нагрузки. Например, для компенсации нагрузки генератора мощностью 10 кВт, работающего при /i = 400 Гц, требуется емкость 60 мкФ при со8фн=0,8 и 40 мкФ при созфн=0,9.

8.3. Зависимость удельной емкости конденсаторов от cos фг для автономных асинхронных генераторов

При частоте 50 Гц и частоте вращения 3000 об/мин суммарная масса асинхронного генератора совместно с устройством для возбуждения несколько меньше, чем у синхронного генератора ( 8.8,6). При меньшей частоте вращения снижается созф и применение асинхронных генераторов становится экономически нецелесообразным. При частоте 400 Гц и частоте вращения 3000 об/мин масса асинхронного генератора значительно снижается, а при больших частотах вращения (6000... 8000 об/мин) асинхронные генераторы с конденсаторным возбуждением в 1,5 ...2,1 раза легче синхронных генераторов обычного исполнения и в 3... 5 раз легче индукторных. КПД асинхронных и синхронных генераторов с учетом устройств для их возбуждения примерно одинаков. Отметим высокую надежность асинхронных генераторов, что особенно важно при высоких частотах вращения; эти машины не требуют защиты от коротких замыканий, так как в этом режиме они развозбуждаются. Исследования показали, что асинхронные генераторы можно сравнительно легко включать на параллельную работу, даже при значительной разнице в их частотах вращения. При этом в сети устанавливается частота, равная среднему значению частот параллельно включенных генераторов.

Во всех этих устройствах регулирования и релейной защиты все шире используются полупроводники, интегральные микросхемы и элементы цифровой вычислительной техники. В этом смысле рассматриваемые устройства приближаются по своей конструкции к аналоговым и цифровым машинам. Большие возможности новых устройств не только меняют эксплуатационные свойства основных агрегатов, но и открывают новые пути применения. Так, например, в настоящее время вновь поднимается вопрос об использовании асинхронных и синхронно-асинхронных генераторов.

Для улучшения качества электроэнергии при ее рекуперации в сеть промышленного предприятия можно использовать электромашинные стенды с нагрузочными устройствами в виде синхронных, асинхронных генераторов и т. д. Решить вопрос о применимости тех или иных стендов можно только после тщательного их сравнения. Вопрос рекуперации электроэнергии можно рассматривать еще и с позиции использования возвращаемой электроэнергии по определенному графику с учетом особенностей технологического процесса производства предприятия, баланса активных и реактивных мощностей.