Синхронды машиналар

Жоспары:

 

 

1. Синхронды машиналар
2. Синхронды машиналардың құрылысы.
3. Синхронды машинаның статоры.
4. Синхронды машиманың роторы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Синхронды машиналар

 

Синхронды машиналар электр энергиясының генераторы ретінде де, қозғалтқыштар ретінде де қолданылады. Дегенмен, ол ЭҚК үшфазалы жүйесінің электро механикалық көзі ретінде кеңірек тараған. Дүние жүзінде электр энергиясын өндіруді айнымалы тоқтың синхронды машинасы-үш фазалы синхронды генератор атқарады. Синхронды айналысқа түсетін алғашқы қозғалтқыштың түріне қарай, турбоге-нераторлар (механикалық энергия көзі бу трибунасы), гидрогене-раторлар (механикалық энергия көзі гидравликалық турбиналар) және дизельгенераторлар (механикалық энергия көзі-іштен жанатын қозғалтқыш-дизель). Жылу электр станцияларында (ЖЭС) және атом электр станцияларында (АЭС) турбогенераторлар, ал гидросанцияларда (ГЭС)~гидрогенераторлар орнатылады. Дизель генераторлар негізінде жұмысында электр энергиясы апатты жағдайда да болмай қалуы тиіс нысандарда қосалқы энергия көзі (банктер, әскери нысандар және т.б.) ретінде қолданылады. Аз және орташа ауқымды электр энергияларын тұтынатын жерлерде, оларды пайдалану, асинхронды қозғалтқыштарды пайдалануға қарағанда экономикалық жағынан тиімділігіне қарамастан, синхронды машиналар қозғалтқыш ретінде сиректеу қолданылады. Сондықтан қозғалтқыштар, арнайы жасалатындарынан басқа, қуаттылығы 100 кВт және одан жоғары етіп конструкцияланады. Қуаттылығы жоғары синхронды қозғалтқыштар (СҚ) қуат коэффициенті (Созср) және пайдалы әсер коэффиценті (ПӘК) сондай-ақ олардың тұтыну кезіндегіі (желідегі) кернеудің төмендеуіне аса сезімтал еместігі-нен_? асинхронды қозғалтқыштармен бәсекелесе алады. Синхронды қозғалтқыштардың айналдыру моменттері бірінші дәрежелі кернеуге (М 3II), ал АҚ-екінші дәрежелі кернеуге пропорцианал (МЕІЯ) ал технологиялық жұмыс тәртібінің сапасына әсер етеді.

Синхронды машиналардың құрылысы.

Синхронды генератор мен  синхронды қозғалтқыштар құрылысы жағынан бірдей болғандықтан, олардың  құрылыстарын бірге қарастырамыз, Синхронды  машина (генератор мен қозғалтқыш) үшфазалы орамалы статордан және тұрақты қоздырғыш орамасы бар  ротордан тұрады.

Синхронды машинаның  статоры.

 Синхронды машинаның статоры конструкциялық құрылымы жағынан үшфазалы асинхронды козғалтқыштарының статоры мен бірдей. Синхронды машинаның статорының орамасы үшфазалы ЭҚК жүйееін индукциялауға (үшфазалы синхронды генератор) немесе тұрақты айнымалы магнит өрісін туғызуға арналған (үшфазалы синхронды қозғалтқыш). Ол үшфазалы асинхронды қозғалтқыш статорының орамасымен бірдей ( дегенмен, синхронды генераторлардың раторы орамасы тек «жұлдызша» сұлбасымен жалғасады. Синхронды генератордың орамасы «үшбұрыш» сүлбасмен қосылуы ісжүзінде қолданылмайды. Себебі, статор орамасын «үшбұрыштап» қосқанда онда сызықтық кернеу болады, ал «жұлдызшалап» қосқанда фазалық кернеуде болады, ол сызықты кернеуден  аз. Демек, орамаға оқшаулатқышы жұқа өткізгішті қолдануға болады. Ол қуаттылығы бірдей машиналардың тұрқына әсер етеді. Одан басқа, егер синхронды генератордың статоры орамасын «үшбұрыш» сұлбасы бойынша жалғаса, мұндай жағдайда статор орамасында ЭҚКке индукцияланатын магнит ағынының сәл ғана симметрясыздығынан өз-өзіне түйықталған орамада, генератордың бос жүріс жүмысы кезінің өзінде шамасы 3 есе гармоникалық құраушы пайда болып, теңестіруші тоқ өтетін болады_? ол қосымша шығынға соқтырып генератордың қуаты төмендейді. Статор орамасын «жұлдызша» сүлбасы бойынша жалғағанда фазалардың орамалары ажыратұлы болғаңдықтан, жүктемесіз жұмыс кезінде теңестіргіш тоқ болмайды. Синхронды генератордың үшфазалы орамасын «жұлдызша» сұлбасмен жалғағанда, одан бірмезгілде, шамасы жағынан екі түрлі кернеу алуға болады: сызықтық жэне фазалық . Синхронды генератордың үшфазалы орамасын «үшбұрыш « сұлбасы бойынша жалғағанда, синхронды генератор бір шамадағы кернеулі электр энергиясының көзі болады: сызықтық кернеу фазалық кернеуге тең болады.

Синхронды машиманың  роторы.

Статорды машинаның роторы құрылысы бойынша екі нұсқада  орындалады: айқын полюсті және айқындалмаған  полюсті.

Айқын полюсті машинада ротор  полюстері айқын көрінетін, болат  цилиндр Ротордың мұндай конструкциясы  оны полюсінің саны көп етіп конструкциялауға мүмкіндік береді, олардың саны бірнеше  ондыққа жетуі ықтимал. Айқын  полюсті ротор гидрогенераторларға  орнатылады. Гидрогенераторлар роторының  полюс сандары, стандартты жиіліктегі ЭҚКтен электр энергиясын алудыңтехнологиялық процессіне негізделеді. Қазіргі кездегі диаметірі үлкен қуаты гидро-трубиналардың дөңгелектерінің айналу жылдамдығы 100 ай/минтан артпайды. Статор орамасында индукцияланагын ЭҚКтің жиілігі, ротор айналымының жылдамдығына және полюсті жұбының санына байланысты. Бұл байланыс (тәуелділік) мына теңдеумен көрсетіледі:

Гидротрубина дөңгелегінің айналу жылдамдығы төмен кезде және ЭҚК өнеркәсіптік жиілікте өндірілгенде синхронды генератордың айқынполюстері роторының жұп полюстері саны рп= 60150=300 болатындай болуы тиіс. Егер, гидротурбинаның айналу жылдамдығын 100 ай/мин-ке деп алсақ, синхронды  генератордың айқын полюсті ротордың жұп полюстері саны р=3000/100=30, ал полюстер саны  тең болуы тиіс. Синхронды  машинаның қоздыру орамасы тұрақты  тоқтың магнит өрісін тудыруға арналған. Айқын полюсті ротордың қыздыру  орамасы, цилиндр, шарғы түрінде  жасалып полюстер өзектеріне орналасады. Шарғы арнайы түрдегі полюстік үштықтармен бекітіледі.

Айқындалмаған полюсті роторларда қоздыру орамасы, ротор бетінің 2/3 фрезделіп жасалған бойлық ойықтарықтар да жанасу шеңбері бар асинхронды қозғалтқыш раторы орамасы сияқты орналасады. Айқындалмаған полюсты ротордың қоздыру орамасының орамдары, ойықтарда мықты металл сыналарымен бекітілді. Қоздыру орамасының алдыңғы бөлігі ротордың қазіргі қуатты турбогенера-торларда, секундына 200м және одан жоғары жылдамдықпен айна-луы кезінде олардың жарылып кетпеуі үшін, аса бекем болатын сымдардан даярланған шеңбер белбеулермен бекітеледі.

Синхронды генератордың бос жүріс жумысы.

Синхронды генератордың роторы сырттай механикалық энергия  көздерінен айналады (бугидротурбина немесе іштен жанатын қозғалтқыш). Ротордың магнит полюстері туғызған магнит өрісі (немесе қоздыру  орамасы, осы тұрқты ЭҚК көзше қосқанда) ротормен бірге аиналып, статор орамаларына  еніп, косинусойда заңы бойынша өзгертуді; және оның әр орамасында синусойда  тәрізді айныма-лы ЭҚК е_в-ні индукциялайды, ол электромагниттік индукция заңына сәйкес келеді:

мүндағы  статор орамасы орамында индукцияланған ЭҚК-інің тербелмелі шарықгау (амплитуда) мәні. Синхронды генератор статоры орамасының орамасында индукцияланған ЭҚК-інің әсеретуші мәні екенін ескере отырып, мына теңдеумен өрнектеледі:

Синхронды генератор статорының бір шарғысы үшін фазалық ораманың орам саны у онда индукцияланатьш  ЭҚК мәндерінің қосындысы былай  анықталады:

Іс жүзінде статор фазасының  орамалары бірнеше шарғыдан тұрады, олардың жақтары статордың ішкі беттерінде өздерінің аумағындағы  ойықтарда, бірқалыпты таралып орналасады . Онда индукцияланатын ЭҚКтер фаза бойынша, бір-біріне қарағанда,  бұрышына ығысады да, мынаған теңеледі:

мұндағы і_с-ойықтық бөліну (көрші ойықтар арасының қашықтығы)

а-ойықтық ЭҚК-тің векторлық  дийграммасындағы көрші шарғылар жақтарындағы ЭҚК-тің векторлар арасындағы, электрлік  градуспен алынған ығысу бұрьш  р-синхронды генератордың роторының  жұп полюстер саны; 2_пс-синхронды генератор статорының ойықтар саны; т-синхронды генератор статорының полюстік бөлінуі: мұндағы О_с-статордың ішкі диамметрі.

Мұндай ораманың фазалық  ЭҚК шамасы ойықтық ЭҚК-і векторлық  диаграммасындағы векторлар жиынтығы ретінде анықталады, ол көрсетілген.

Синхронды генератордың жүктемеленгендегі жүмысы.

Синхронды үшфазалы генератордың қысқыштарын жүктемемен жалғастырғанда, жоғарыда атап өтілгендей, оның статоры  орама-сынан тоқ өтеді және айналмалы  магнит ағыны пайда болады. Со нымен, жүктемесіз жұмыс жасаған кездегі  машинаға полюстерді қоздыру орамасында пайда болған бір ғана магаит өрісі  әсер ететін болса, жүктелген кезде, полюстердің айнымалы магнит өрісіне  статор орамасының айнымалы магнит өрісі  қосылады. Машинаның қорытынды магнит өрісі осы екі магнит өрісінің өзара бірлесе әрекеттесуінен пайда  болады.

Ротор полюстерінің магнит өрісі түрақты тоқтан, ал статор орамасының магнит өрісі айнымалы тоқтан туындауына қарамастан, ол екеуі бір  жылдамдықпен және бір бағытта айналатын  тұрақты магнит өрісі сияқты өзара  бірлесе әрекеттесетін болады. Шын  мәнінде, полюстер магнит өрісі пайда  болуы табиғатынан тұрақты бола тұра, ротордың айналу жылдамдығымен  айналып, статор орамасында жиілігі айнымалы үшфазалы ЭҚК-ті индукциялайды, ол қосылған жүктеме бар кезінде, шамасы тұрақты және орама бойымен п_с=рп/60 жылдамдықпен айналатын магнит өрісін тудыратын, үшфазалы айнымалы тоқты шақырадыпен п_с=рп/60-ті салыстыра отырып, п =п_с деп аламыз былайша айтқанда, статор орамасымен полюстердің қоздырғыш орамасының магнит ағындары бірдей. Сонымен, екі магнит ағыны да бірдей жылдамдықпен айналып синхронды генератордың  тәртібіне қарамастан, бір-біріне қарағанда қозғалыссыз қалады. Бір магнит өткізгіште екі магнит өрісінің болуы, олардың «якорь реакциясы» деп аталатын, бірлесіп қимылдауына және синхронды машинаның бірегей қорытыңдылаушы магнит өрісін  пайда болуына сөзсіз әкеледі. Синхронды машина үшін «якорь реакциясы» деу тұрақты тоқ машиналарына ғана келеді оны дұрысында «статор реакциясы» деп атауы оң болар еді, шындығында, статор орамасының магнит ағыны статор полюстері орамасының магнит өрісімен «реакцияға» түседі. Якорь сөзі теңіз терминдерінен ауысқан және магнит полюстерінің түрі теңіз якорын еске түсіретін роторды солай атаған. Сондықтан синх-ронды машинаның статорын якорь деп атау заңсыз. Жалпы жағдайда, машинаның қорытындылаушы магнит өрісі Ф ротор полюстері Ф мен статор орамасы Ф магнит өрістерінің векторлық жиынтығымен анықталады:

Ф=Ф_р+Ф_с

Бұл өзараәрекеттесуі физикалық  жағынан өте күрделі процесс. Ол ротордың магнит полюстерінің синхронды  машиналардың ста-торы орамасының біліктеріне  қарай орналасуы мен олар арқылы өтетін, уақыт жағынан алғанда, онда индукцияланған ЭҚК пен таза активті  жүктеме кезінде үйлесетін, индуктивті жүктеме кезін-де одан қалып қоятын немесе сиымдылық жүктеме кезінде озатын тоқтардың сипаттамасына тәуелді. Статор орамасына индуктив-ті жүктеме түскенде статор магнит ағынының «реакцияеы» магнитсіздендіруші, сиымдылық тоғында-магниттеуші, ал активті-де-полюстың бір жағынан магнитгеуші және екінші жағынан, сол полюсті, магнитсіздендіргіші болады. Активті индуктивті жүктеме болған кезде, синхронды генератор статоры орамасының магнит ағыны Ф_с уақыт жағынан ротор полюстерінің магнит өрістерінен Ө бұрышына;, сондай-ақ статор орамасының қысқыштарындағы кернеуде индукцияланған ЭҚК Е қарағанда, қалып қоятын болады. Уақыттың жылжуына машинаның қорытыңдылаушы магнит өрісі білігі мен ротор полюстері арасындағы кеңістікте жылжу бұрышы сэйкес келеді.

Еркін жүктемелеу жағдайында статор орамасындағы тоқ I кер-неудің І  уақыт жағынан ф бұрышына және ротор полюстерінің магнит өрісі йндукіщялаған ЭҚК Е-ден  бұрышына жылжыған болса, статордың магнит өрісінен екі құраушыға жіктеуге болады:

-  ротор магнит полюсінің  бойлық білігі бойымен;

- ротор магнит полюсінің  көлденең білігі бойымен.

Мұнда магнит полюстері бойымен  кететін білікті бойлық деп, ал оған перпендикуляр өсті- көлденең деп  атау қабылданған. Соларға тура келетін  магнит ағындарының тоқгар мен ЭҚК-тердің құраушыларына сәйкес индекс алады: й-бойының  және ц-көлденең. Сонымен ротор полюстерінің магнит ағындарына Ф_р қарағанда уақыт жағынан жылжыған статор орамасының магнит ағынын Ф_с бойлық Ф_са жэне көлденең Ф_с қараушылардан тұратын, өзара бірі-мен бірі байланысқан деп қарап, өрнегін былай жазуға болады:

\|/ бұрышы ЭҚК пен статор  орамасы тоғы векторлары арасындағы  жылжу бұрышы болып табылады. Бойлық біліктегі магнит ағыны  Ф_са магнитсіздендіргіш (активті-индуктивті жүктемеде) немесе магниттендіргіш (активті-сыйымдылық жүктемеде) магнит өрісін ротор айналымы бағытына, ал көлденең білік бойындағы магнит ағыны Ф_сч кері бағытқа қарай жылжытады. Синхронды машинаның магнит ағындарын бойлық жэне көлденең құраушыларға жіктеуді 1895 жылы француз электртехнигі А. Блондель алғаш ұсынған, ол екі "реакция" әдістемесі деп аталады. Айқын полюсті синхронда машиналардың жұмыс тәртіптеріне талдау жасағанда, кеңінен қолданады. Айқын полюсті машиналардың жұмысын зерттеу француздың басқа бір электр-технигі А.Потье 1900 жылы ұсынған әдістемелікке негізделеді .

 

 

 

 

 

 

 

Синхронды   машинаның   электрлік   тепе-теңдігінің

тендеулері.

Жалпы синхронды машиналардың және жекелеп алғанда, генераторлардың  жұмысын зерттеу, асинхронды маши-налардың жұмыс тәртібіне талдау жасауға  қарағанда, айтарлықтай қиыншылықтармен  байланысты. Бұл электромагниттік процесстердің күрделілігіне байланысты. Ол әртүрлі екі магнит ағындарының ротор магнит полюстерінің, айнымалы магнит өрісінің әсер етуінен пайда болған, статордың үшфазалық орамасының синусоидты тоқтарыңың өзара бірлесе әрекеттесуіне байланысты. Айқын көрінетін полюстері бар роторлардың құрылысы ауа саңнлаулауларының айқын көрінетін бір тегіс еместігіне, ол синх-ронды машинаның магнит өткізгіштерінің магнит кедергілерінің бірдей болмауына соқтырады. Құрылысы мұндай ротордың  өзара индукциялануы процесс барысында оның айналуына байланысты, белгілі периодтылықпен, шамасы жағынан, өзгеріп отырады. Дегенмен, инженерлік тәжрибеде ротор полюстерінің қоздыру орамалары арқылы тұрақты тоқ өткенде болатын процесстерді ойша дерексіз-дендіруге толығымен болады, ол үшін "статор реакциясы" өрісімен шашырау өрісі бір-бірінен және ротор полюстерінің магнит өрісінен, тәуелсіз өмір сүреді деп есептеу керек. Сонда, статор орамасының өрісінің толық ағын тізбекгін алып, синхронды индуктивті кедергі деп аталатын, бір ғана индуктивті кедергіні қарастыруға болады. Синхронды машиналарда өтетін электрофизикалық процесстер, оның роторының конструкциялық орындалуына сәйкес айтарлықгай тәуелді болады. Айқын  полюсті роторлы синхронды машинаның жұмыс процессі, ауа саңылауындағы түрі ЭҚК-пен статор орамасы тоғының арасындағы бұрыштың ЧР өзгеруімен бірге өзгеріп тұратын, индукция қисығының айқын көрінетін синусойдалық сыздығына байланысты бірқатар ерекшеліктермен сипатталады. Сондықтан, айқын полюсті және айқьщдалмаған полюсті роторлы синхронды машиналардьщ жұмыс тэртібін зерттеуді бөліп қарау, әдістемелік көзқарас тұрғысынан, орынды .

Айқын емес полюсті  синхронды машиналардың электрлік  тепе-теңдік теңдеуі.

Цилиндр пішінді ротордың арасындағы айқындалмаған полюсті  синхронды машиналардың ауа саңылаулары  мен ондағы магнит ағындарын бойлық және көлденең құраушылары деп білудің  қажеті жоқ. Ендеше статор орамасының синхронды индуктивті кедергісін, индуктивті екі кедергінің қосындысы деп  қарауға болады:

Х-Х+Х,                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   'мұндағы Х-статор орамысының синхронды индуктивті кедергісі; Х_ос-статор орамасының негізіі магнит ағынан Ф_с пайда болған ин-дуктивті кедергісі; Х-статор орамасының шашыранды магнит ағынынан Ф₁₅ пайда болған шашыранды индуктивті кедергі. Демек, егер ротор полюстерінің магнит ағындары Ф статор орамасында ЭҚК Е-ні индукциялайтын болса, онда, статор орамасының негізгі магнит ағыны Ф_с шашыранды ағынмен бірге Ф_1б, синхронды машинаның синхронды индуктивті кедергісінің шамасын қамтамасыз етеді. Кейбір шектеулерді ескере отырып, айқындалмаған полюсті синхронды машина статоры орамасының электрлік тепе-теңдік теңдеуін, былай жазүға болалы: