Synchrone machines — motoren, generatoren en compensatoren

Synchrone machines zijn elektrische wisselstroommachines waarin de rotor en het magnetische veld van de statorstromen synchroon draaien.
Driefasige synchrone generatoren zijn de krachtigste elektrische machines. Het eenheidsvermogen van synchrone generatoren bij waterkrachtcentrales is 640 MW en bij thermische centrales - 8 - 1200 MW. In een synchrone machine is een van de wikkelingen aangesloten op een wisselstroomnet en de andere wordt bekrachtigd door gelijkstroom. De wisselstroomwikkeling wordt de ankerwikkeling genoemd.
De ankerwikkeling zet al het elektromagnetische vermogen van de synchrone machine om in elektrisch vermogen en vice versa. Daarom wordt het meestal op een stator geplaatst, die een anker wordt genoemd. De excitatiespoel verbruikt 0,3 - 2% van het geconverteerde vermogen, daarom bevindt deze zich meestal op een roterende rotor, die een inductor wordt genoemd, en wordt het lage excitatievermogen geleverd door sleepringen of contactloze excitatie-apparaten.

Het magneetveld van het anker roteert met een synchrone snelheid n1 = 60f1 / p, rpm, waarbij p = 1,2,3 … 64, etc. is het aantal poolparen.
Met industriële netwerkfrequentie f1 = 50 Hz, een aantal synchrone snelheden op verschillend aantal polen: 3000, 1500, 1000, enz.). Aangezien het magnetische veld van de inductor stationair is ten opzichte van de rotor, moet de rotor voor de continue interactie van de velden van de inductor en het anker met dezelfde synchrone snelheid draaien.

Constructie van synchrone machines
De stator van een synchrone machine met een driefasige wikkeling verschilt niet qua constructie asynchrone machinestator, en de rotor met een opwindende spoel is van twee typen: prominente pool en impliciete pool. Bij hoge snelheden en een klein aantal polen worden rotoren met impliciete polen gebruikt omdat ze een duurzamere structuur hebben, en bij lage snelheden en een groot aantal polen worden rotoren met opvallende polen van modulaire constructie gebruikt. De sterkte van dergelijke rotoren is minder, maar ze zijn gemakkelijker te vervaardigen en te repareren. Schijnbare poolrotor:

Ze worden gebruikt in synchrone machines met een groot aantal polen en een dienovereenkomstig lage n. Waterkrachtcentrales (hydrogeneratoren). frequentie n van 60 tot enkele honderden omwentelingen per minuut. De krachtigste hydrogeneratoren hebben een rotordiameter van 12 m met een lengte van 2,5 m, p - 42 en n = 143 rpm.
Indirecte rotor:

Wikkeling - diameter d = 1,2 - 1,3 m in de rotorkanalen, de actieve lengte van de rotor is niet meer dan 6,5 m. TPP, NPP (turbinegeneratoren). S = 500.000 kVA in één machine n = 3000 of 1500 tpm (1 of 2 poolparen).
Naast de veldspoel bevindt zich een demper of dempingsspoel op de rotor, die wordt gebruikt voor het starten in synchrone motoren. Deze spoel is gemaakt vergelijkbaar met een kortsluitspoel van een kooianker, alleen van een veel kleinere doorsnede, aangezien het hoofdvolume van de rotor wordt ingenomen door de veldspoel.Bij rotoren met niet-uniforme polen wordt de rol van de demperwikkeling gespeeld door de oppervlakken van de massieve tanden van de rotor en de geleidende wiggen in de kanalen.
Gelijkstroom in de bekrachtigingswikkeling van een synchrone machine kan worden geleverd door een speciale gelijkstroomgenerator die op de as van de machine is geïnstalleerd en de exciter wordt genoemd, of door het lichtnet via een halfgeleidergelijkrichter.
Zie ook over dit onderwerp:
Doel en opstelling van synchrone machines

Hoe synchrone turbo's en hydrogeneratoren werken

Een synchrone machine kan werken als een generator of als een motor. Een synchrone machine kan als motor werken als driefasige netstroom wordt geleverd aan de statorwikkeling. In dit geval draagt ​​het statorveld, als gevolg van de interactie van de magnetische velden van de stator en de rotor, de rotor met zich mee. In dit geval draait de rotor in dezelfde richting en met dezelfde snelheid als het statorveld.

De generatormodus van synchrone machines is de meest voorkomende, en bijna alle elektrische energie wordt opgewekt door synchrone generatoren.Synchrone motoren worden gebruikt met een vermogen van meer dan 600 kW en tot 1 kW als micromotoren. Synchrone generatoren voor spanningen tot 1000 V worden gebruikt in eenheden voor autonome voedingssystemen.

Eenheden met deze generatoren kunnen stationair en mobiel zijn. De meeste units worden gebruikt met dieselmotoren, maar ze kunnen worden aangedreven door gasturbines, elektromotoren en benzinemotoren.

Een synchrone motor onderscheidt zich alleen van een synchrone generator door een aanloopdempingsspoel, die voor goede starteigenschappen van de motor moet zorgen.

Schema van een zespolige synchrone generator.Dwarsdoorsneden van de wikkelingen van één fase (drie in serie geschakelde wikkelingen) worden getoond. De wikkelingen van de andere twee fasen passen in de vrije sleuven die in de afbeelding worden weergegeven. De fasen zijn in ster of driehoek geschakeld.

Generatormodus: de motor (turbine) laat de rotor draaien, waarvan de spoel constant van spanning wordt voorzien? er is een stroom die een permanent magnetisch veld creëert. Het magnetische veld roteert met de rotor, passeert de statorwikkelingen en induceert een EMF van dezelfde grootte en frequentie maar verschoven met 1200 (symmetrisch driefasensysteem).

Motormodus: de statorwikkeling is aangesloten op een driefasig netwerk en de rotorwikkeling op een gelijkstroombron. Als gevolg van de interactie van het roterende magnetische veld van de machine met de gelijkstroom van de excitatiespoel, ontstaat een koppel Mvr, dat de rotor aandrijft om te roteren met de snelheid van het magnetische veld.

Mechanisch kenmerk van een synchrone motor - afhankelijkheid n (M) - is een horizontale doorsnede.

Educatieve filmstrip - "Synchronous Motors", geproduceerd door de Educational Materials Factory in 1966.
Je kunt hem hier bekijken: Filmstrip «Synchronous Motor»

Toepassing van synchrone motoren Het massale gebruik van asynchrone motoren met een aanzienlijke onderbelasting bemoeilijkt de werking van voedingssystemen en stations: de vermogensfactor in het systeem neemt af, wat leidt tot extra verliezen in alle apparaten en lijnen, evenals tot onvoldoende gebruik ervan in termen van actief vermogen. Daarom werd het gebruik van synchrone motoren noodzakelijk, vooral voor mechanismen met krachtige aandrijvingen.

Synchrone motoren hebben een groot voordeel ten opzichte van asynchrone motoren, namelijk dat ze dankzij DC-bekrachtiging kunnen werken met cosphi = 1 en geen reactief vermogen van het netwerk verbruiken, en tijdens bedrijf, wanneer ze te opgewonden zijn, geven ze zelfs reactief vermogen aan de netwerk. Als gevolg hiervan wordt de arbeidsfactor van het netwerk verbeterd en worden de spanningsval en verliezen daarin verminderd, evenals de arbeidsfactor van de generatoren die in energiecentrales werken.

Het maximale koppel van een synchrone motor is evenredig met U, en voor een asynchrone motor U2.

Daarom behoudt de synchroonmotor bij het dalen van de spanning een hogere belastbaarheid. Bovendien maakt het gebruik van de mogelijkheid om de bekrachtigingsstroom van synchrone motoren te verhogen het mogelijk om hun betrouwbaarheid te vergroten in het geval van noodspanningsdalingen in het netwerk en om in deze gevallen de bedrijfsomstandigheden van het voedingssysteem als geheel te verbeteren. Door de grotere luchtspleet zijn de extra verliezen in het staal en in de rotorkooi van synchrone motoren kleiner dan die van asynchrone motoren, waardoor het rendement van synchrone motoren meestal hoger is.

Aan de andere kant is de constructie van synchrone motoren ingewikkelder dan inductiemotoren met eekhoornkooien, en bovendien moeten synchrone motoren een exciter of ander apparaat hebben om een ​​gelijkstroomspoel te leveren. Hierdoor zijn synchrone motoren in de meeste gevallen duurder dan asynchrone kooiankermotoren.

Tijdens de werking van synchrone motoren deden zich aanzienlijke moeilijkheden voor bij het starten ervan.Deze moeilijkheden zijn reeds overwonnen.

Starten en toerentalregeling van synchrone motoren zijn ook moeilijker. Het voordeel van synchrone motoren is echter zo groot dat het bij hoge vermogens raadzaam is om ze overal te gebruiken waar frequent starten en stoppen en snelheidsregeling niet vereist zijn (motorgeneratoren, krachtige pompen, ventilatoren, compressoren, molens, brekers, enz.). ).

Zie ook:

Typische schema's voor het starten van synchrone motoren

Elektromechanische eigenschappen van synchrone motoren

Synchrone compensatoren

Synchrone compensatoren zijn ontworpen om de arbeidsfactor van het netwerk te compenseren en het normale spanningsniveau van het netwerk te handhaven in gebieden waar consumentenbelastingen geconcentreerd zijn. De overbelaste werking van de synchrone compensator is normaal wanneer deze blindvermogen aan het net levert.

In dit opzicht worden compensatoren, evenals condensatorbanken die dezelfde doeleinden dienen, geïnstalleerd op consumentenonderstations, ook reactieve stroomgeneratoren genoemd. In periodes van verminderde gebruikersbelasting (bijvoorbeeld 's nachts) is het echter vaak nodig om synchrone compensatoren te gebruiken en in onderexcitatiemodus, wanneer ze inductieve stroom en reactief vermogen van het netwerk verbruiken, omdat in deze gevallen de netwerkspanning de neiging heeft om verhogen, en om het op een normaal niveau te houden, is het noodzakelijk om het netwerk te belasten met inductiestromen, die extra spanningsdalingen veroorzaken.

Hiertoe is elke synchrone compensator uitgerust met een automatische excitatie- of spanningsregelaar, die de grootte van de excitatiestroom regelt zodat de spanning op de klemmen van de compensator constant blijft.