Электрооборудование и принципиальные схемы ДЭС
Синхронные генераторы
Генераторы с машинной системой возбуждения в качестве возбудителя имеют генератор постоянного тока, связанный с валом генератора текстропной (ременной) передачей или фланцем. Обычно возбудитель имеет мощность, равную 1,5-2,5% номинальной мощности генератора ДЭС.
Рис.1. Принципиальная схема генератора с машинной системой возбуждения.
На рис.1 изображена принципиальная электрическая схема генератора с машинной системой возбуждения. Схема состоит из генератора 1, возбудителя 2 и реостатов регулирования напряжения 3.
В станине статора в специальных пазах уложена обмотка статора 4, концы которой 20 выведены в коробку выводов генератора. Ротор генератора состоит из железного сердечника с намотанной на нем обмоткой возбуждения 5. Концы обмотки 5 выведены на контактные кольца 7 и через щеточную систему и провода 6 — в коробку выводов возбудителя 8.
Полюсы возбудителя представляют собой сердечники с намотанной на них обмоткой возбуждения 11 и имеют слабое остаточное намагничивание. Поэтому в межполюсном пространстве всегда имеется магнитное поле. Концы 10 и 12 обмотки 11 заведены в коробку выводов 8. При помощи токосъемных щеток с коллектора 21 снимается постоянное напряжение (выводы 9 и 13 возбудителя). При пуске двигатель (дизель) вращает вал генератора 1 с ротором и соединенный с ними якорь возбудителя. При этом обмотки якоря возбудителя пересекают магнитное поле, создаваемое полюсами возбудителя в межполюсном пространстве, и в них индуктируется переменная электродвижущая сила (ЭДС).
С помощью коллектора ЭДС преобразуется в напряжение постоянного тока, и по обмотке возбуждения возбудителя 11 пройдет ток, что вызовет в свою очередь усиление магнитного поля в межполюсном пространстве, и, следовательно, в обмотке якоря возбудителя начнет индуктироваться большая ЭДС. Этот процесс будет продолжаться до получения на зажимах возбудителя напряжения, обусловленного сопротивлением 14 в цепи обмотки возбуждения возбудителя. Обмотка возбуждения генератора 5, соединенная с обмоткой якоря возбудителя, является ее нагрузкой. При протекании тока по обмотке возбуждения генератора 5 создается магнитное поле, которое замыкается через сердечник (станину) статора. Ротор генератора вращается, магнитное поле пересекает неподвижную статорную обмотку 4 и индуктирует в ней переменную ЭДС, которая снимается с концов 20 в коробке выводов генератора.
С помощью реостатов 14, 15, 17 (в неавтоматическом режиме, контакт 18 замкнут) или, изменяя сопротивление угольного столба 19 (в автоматическом режиме, контакт 16 замкнут), можно регулировать напряжение на якоре возбудителя и тем самым изменять напряжение на выводах статорной обмотки генератора.
Генераторы имеют встроенные (ДГС) или выносные возбудители (ПС-93-4 и СГД). Машинный возбудитель усложняет конструкцию генератора, увеличивает его размеры и массу, кроме того, коллектор и щетки имеют повышенную повреждаемость, поэтому генераторы с машинным возбуждением заменяют генераторами со статической системой возбуждения.
Техническая характеристика генераторов с машинной системой возбуждения приведена в табл.1.
Технические характеристики генераторов ДЭС с машинной системой возбуждения
Серия ДГС состоит из четырех типоразмеров: 81-4; 82-4; 91-4, 92-4. Первая цифра обозначает габарит (ВОСЬмой или девятый), вторая — длину (первая или вторая), третья — количество полюсов (четыре). Генераторы имеют две формы исполнения: М101 — на лапах с двумя одинаковыми подшипниковыми щитами, соединение с двигателем при помощи эластичной муфты или ременной передачи и М202 — на лапах с двумя подшипниковыми щитами, один из которых имеет фланец, соединение с двигателем только эластичной муфтой.
Все типоразмеры ДГС имеют одинаковое устройство, но отличаются размерами статора, ротора, диаметром корпуса, сечением и количеством витков провода, размерами пазов. Возбудители применяются типов ВС-13/7 и ВС-13/11, они отличаются длиной активных частей.
Статор 2 генератора ДГС-82-4/М201 (рис.2) состоит из чугунной литой станины, сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки. В полузакрытые овальной формы пазы статора уложена катушечная двухслойная обмотка из круглого обмоточного провода. Обмотка удерживается в пазах клиньями.
Ротор генератора 3 состоит из цельнокованого вала, к средней часта которого привернуты полюсы, набранные из листовой стали. На изолированные полюсы намотаны катушки медного изолированного провода прямоугольного сечения. Концы обмотки ротора присоединены к двум контактным кольцам 10, расположенным внутри подшипникового щита. Контактные кольца изготовлены из меди и надеты на изолированную миканитом чугунную втулку. Узел контактных колец посажен на вал ротора.
Рис.2. Синхронный генератор ДГС-82-4/М201.
Подшипниковые щиты 1 и 4 чугунные. Для прохождения охлаждающего воздуха в щитах имеются окна, защищенные с боков и снизу предохранительными решетками Подшипники генератора закрыты крышками. Наружные крышки чугунные, внутренние стальные. Наружное кольцо роликоподшипника заключено в ступицу щита.
Для добавления смазки роликоподшипника у генератора исполнения М201 имеется маслоход, ввинченный в ступицу щита, у генератора исполнения М101 — два болта, ввинченных в наружную крышку щита. Смазку добавляют в подшипники через маслоход, ввинченный в капсулу подшипника, или отодвинув наружную крышку при снятом возбудителе.
Траверса контактных колец 10 укреплена на внутренней стороне капсулы и имеет на каждом пальце два латунных щеткодержателя с щетками ЭГ-4Э.
Для охлаждения отдельных узлов генератора предусмотрена аксиальная система вентиляции Центробежный вентилятор 11 укреплен на валу со стороны привода. Поток охлаждающего воздуха засасывается вентилятором по двум параллельным путям: окна переднего щита каналы между пакетом железа статора и станиной — пространство между лобовой частью обмотки статора и диском вентилятора, возбудитель — окна капсулы шарикоподшипника — междуполюсное пространство ротора.
Якорь 13 возбудителя ВС-13/7 5 посажен на выступающий конец вала генератора и закреплен болтом, коллектор 15 — на втулку якоря.
Волновая обмотка якоря 14 из круглого провода пропитывается изоляционным лаком лаком. Секции удерживаются в пазах при помощи бандажей из стальной проволоки или стеклобандажной ленты. Станина возбудителя 5 чугунная, а сердечники полюсов 12 собраны из листовой стали и изолированы.
Обмотки полюсов 17 из круглого провода намотаны на сердечник и пропитаны изоляционным лаком. Полюсы прикреплены к станине болтами.
Траверса коллектора 6 представляет собой металлическое кольцо, имеющее четыре пальца из пластмассы, на котором укреплено по два латунных щеткодержателя 16.
Генераторы имеют две коробки выводов: для выводов обмотки статора 8 и для выводов обмотки возбудителя и ротора 9. Клеммные коробки состоят из доски зажимов, чугунного корпуса и крышки.
В передвижных станциях применяется генератор ПС-93-4 мощностью 75 кВт (рис.3). Он имеет 9-й габарит, 3-ю габаритную длину и четыре полюса. Возбудитель размещается сверху, на корпусе генератора, что делает более удобной компоновку электростанции. Генератор соединяется с возбудителем типа ВС-13/9 с помощи клиновидных ремней.
Рис.3. Генератор ПС-93-4 с возбудителем ВС-13/9.
1 — задний подшипниковый щит; 2 — коробка выводов генератора;
3 — коробка выводов возбудителя; 4 — корпус возбудителя; 5 — корпус генератора;
6 — боковые плоскости с отверстиями для крепления генератора.
Стальная станина статора имеет боковые плоскости 6 с отверстиями для крепления генератора. Сердечник набран из листов электротехнической стали и покрыт специальным лаком. Крепление сердечника к ребрам станины аналогично креплению ДГС, а пазы имеют прямоугольную открытую форму. В пазах укладывается обмотка статора из неизолированного провода прямоугольного сечения, изолированная слоями миканита и пропитанная компаундом. Пазы закрываются специальными гетинаксовыми клиньями. Выводы обмотки статора заведены в коробку выводов генератора.
Ротор генератора выполнен из стального вала, на котором укреплены полюсы, набранные из листовой стали. На изолированные полюсы намотаны катушки из медного провода, выводы которых присоединены к контактным кольцам.
Генератор охлаждается с помощью воздуха, который аксиальным вентилятором прогоняется между полюсам ротора и лобовыми частями статорной обмотки и выбрасывается наружу через окна в заднем подшипниковом щите.
Серия СГД имеет три типоразмера: 11, 12, 13 и обозначается СГД-13-42-12. Первые две цифры обозначают габарит генератора (11, 12, 13) , вторая группа цифр — длину активной части статора в сантиметрах (24, 36, 46 и т. д.), третья группа — число полюсов генератора (4, 10, 12). Генераторы большой мощности имеют обозначение, например, СГД-625-1500, где первая группа цифр обозначает мощность генератора в киловольт-амперах, а вторая — число оборотов генератора минуту.
Генераторы имеют одинаковое устройство и различаются только размерами, сечением проводов и количеством витков. С генераторами этой серии применяют возбудители серий ВС, П-70 (71, 72) и ВСМ-21/12. Возбудитель, установленный на корпусе генератора, соединяется с генератором текстропной передачей.
Рис.4. Синхронный генератор СГД-400-1000.
Статор генератора СГД-400-1000 (рис.4) имеет сварную стальную станину 8 с окнами для входа и выхода воздуха, рамы для подъема машины и два бруска для установки возбудителя. Сердечник статора 9 набран в пакеты из лакированных с обеих сторон колец, штампованных из листовой электротехнической стали толщиной 0,5 мм и имеющих прямоугольные пазы.
В пазы заложены двухслойная обмотка 6 из прямоугольной обмоточной меди. Витковая и корпусная изоляции выполнены из стекломикаленты. Закрывают пазы стеклотекстолитовые клинья.
Ротор генератора выполнен с явно выраженными полюсами, остов ротора 3 набран из штампованных листов стали и насажен на вал генератора 2. Обмотки полюсов 4, расположенные на изолированных сердечниках 5, изготовлены из неизолированной шинной меди и имеют изоляцию из асбестовой бумаги, покрываемой сверху лаком. Успокоительная обмотка состоит из медных стержней и расположена в башмаках полюсов. Выводы обмотки ротора с помощью кабеля присоединены к контактным кольцам 28.
Постоянный ток подается в обмотку ротора с помощью контактной траверсы с щетками 27.
Шкив генератора 29 с помощью клиноременной передачи 23 и шкива возбудителя 24 вращает вал возбудителя 13.
Центробежный вентилятор 7, закрепленный на втулке вала ротора, обеспечивает аксиально-радиальную вентиляцию генератора. Подшипниковые щиты 1 и кожух 25 закрывают корпус генератора.
Станина возбудителя типа П-70 15 выполнена сварной из листовой стали, на ней болтами укреплена магнитная система, состоящая из четырех главных и четырех добавочных полюсов. Сердечники главных полюсов 17 собраны из штампованных листов электротехнической стали и стянуты стальными заклепками в пакеты, сердечники добавочных полюсов 16 стальные, массивные. На сердечнике главных полюсов установлены катушки последовательной обмотки 19 и катушки шунтовой обмотки 18.
Катушка последовательной обмотки состоит из одного витка неизолированной ленточной меди, а катушка шунтовой обмотки изготовлена из прямоугольной меди. Обе катушки обмотаны снаружи стекломикалентой и пропитаны лаком. Катушки добавочных полюсов 14 также изготовлены из неизолированной ленточной меди, изолированы стекломиканитом и пропитаны лаком. На вал якоря возбудителя 13 насажен пакет якоря 26, состоящий из штампованных листов электротехнической стали и имеющий открытые пазы прямоугольной формы для укладки обмотки якоря. Обмотка якоря состоит из катушек, выполненных из прямоугольной меди, изолированных стекломикалентой, уложенных в открытые пазы железа якоря и закрепленных бандажами из стальной луженой проволоки.
Коллектор 12 собран из отдельных медных пластин, изолированных друг от друга прокладками из миканита, а выводные концы обмоток секции якоря впаяны в шлицы коллекторных пластин. Коллектор в собранном виде посажен на вал возбудителя. Над коллектором укреплены щетки, установленные в обоймы траверсы возбудителя 11. Подшипниковые щиты 10, 20 и крышка 22 крепятся к станине и закрывают возбудитель.
Вентиляция возбудителя аксиальная. Напор воздуха для вентиляции создается центробежным вентилятором возбудителя 21.
Генераторы со статической системой возбуждения.
В этих генераторах статическая система, состоящая из неподвижных элементов (силового трансформатора, выпрямителей и т.д.), преобразует переменный ток на выводах генератора в постоянный для питания обмотки возбуждения и регулирования напряжения генератора.
Рис.5. Принципиальная схема генератора со статической системой возбуждения.
Схема генератора со статической системой возбуждения (рис.5) состоит из обмоток статора 1, обмоток ротора 2 и статической системы возбуждения (блока возбуждения и блока управления). Блок возбуждения состоит из силового трансформатора 3, селеновых выпрямителей 4, блока конденсаторов 5 и силовых выпрямителей питания 6. Элементы блока возбуждения смонтированы на литом основании, которое крепится к станине генератора и закрывается сверху колпаком.
Блок управления 7 состоит из переключателей работы П5, резистора уставки напряжения РУ и отдельно стоящих резисторов для регулирования статизма 8. С помощью блоков 7 и 8, установленных на отдельном щите, управляют выходными параметрами генератора. Принцип работы генератора аналогичен работе генератора с машинной системой возбуждения, за исключением работы статической системы.
Для поддержания напряжения на выводах генератора неизменным при любой нагрузке необходимо, чтобы ток возбуждения генератора изменялся в соответствии со значением и характером его нагрузки. В статической системе возбуждения (рис.5) использован принцип фазового компаундирования. В обмотке W2 компаундирующего трансформатора 3 и селеновых выпрямителях происходит сложение и выпрямление двух составляющих тока возбуждения: от обмотки W1 пропорциональной напряжению генератора, и от обмотки Wc, пропорциональной току генератора, сдвинутых относительно друг друга под углом, зависящим от характера нагрузки (cosφ).
Система статического возбуждения автоматически обеспечивает изменение тока возбуждения при изменении значения и характера нагрузки генератора. Так как выпрямители 4 имеют нелинейное сопротивление, что не обеспечивает начального самовозбуждения, в системе предусмотрен резонансный контур, образованный емкостью Хс конденсаторов С4-С6, подключенных к обмотке Wд, и индуктивностью рассеяния XL первичной обмотки Wi. Специальным подбором параметров при частоте 50 Гц обеспечивают XL=Xc тогда ток возбуждения уже не будет зависеть от сопротивления выпрямителей 4 и обмотки возбуждения в процессе начального самовозбуждения.
Параметры трансформатора 3 обеспечивают стабильность напряжения генератора при cosφ от 0,4 до 1,0 с точностью ±5%.
Для более точной стабилизации напряжения (±3%) служит специальная обмотка управления Wy, в которую подается постоянный ток. При протекании постоянного тока по обмотке Wy образуется магнитный поток, который замыкается по сердечнику трансформатора 3. С изменением протекающего по обмотке Wy постоянного тока изменяется постоянный магнитный поток сердечника 3 и, следовательно, ток возбуждения генератора в обмотке W2. Так как обмотка Wy питается постоянным током от двух последовательно встречных источников: выпрямителя 4 (ток Iв пропорционален напряжению возбуждения генератора) и выпрямителя питания 6 через резистор РУ и сопротивление статизма СС1 (ток Iвп не зависит от нагрузки и неизменен для любого режима), то Iу=Iвп-(-Iв) и, следовательно, напряжение возбуждения генератора будет увеличиваться с ростом нагрузки.
При нагрузке с меньшим cosφ напряжение возбуждения возрастает больше, чем при нагрузках с большим cosφ, и, следовательно, ток подмагничивания трансформатора 3 (Iвп>Iв) при реактивных нагрузках генератора будет уменьшаться больше, чем при активных. Благодаря этому осуществляется коррекция параметров системы фазового компаундирования и достигается большая точность регулирования напряжения генератора по нагрузке, чем при неуправляемом варианте фазового компаундирования.
Уставку напряжения генератора регулируют резистором РУ, включенным последовательно в цепь обмотки Wy, а составляющую тока управления Iв можно корректировать резистором СС1.
Статическая система возбуждения обладает следующими достоинствами: отсутствием движущихся частей, высокой механической прочностью конструкций, надежностью и высокой точностью регулирования напряжения, небольшими эксплуатационными затратами.
Для начального возбуждения генераторы могут иметь резонансную систему с конденсаторами (генераторы типов ДГФ, ЕСС, ГСФ-100-БК, ОС, ГСС-104-4Б), или аккумуляторную батарею (ЕСС-5, ГСФ-100М, ГСФ-200), или генератор начального возбуждения (СГДС-11-46-4), или трансформатор напряжения (ЕСС-5). Принцип работы статической системы возбуждения одинаков для всех типов генераторов, за исключением схем начального возбуждения.
Техническая характеристика генераторов со статической системой возбуждения приведена в табл.2.
Технические характеристики генератора ДЭС
со статической системой возбуждения
Серия ДГФ состоит из двух типоразмеров 82-4Б и 83-4Б (8-й габарит, 2-я или 3-я условная длина, четырехполюсный). Исполнение генераторов фланцевое, защищенное, с самовентиляцией, на двух щитовых подшипниках.
Рис.6. Синхронный генератор ДГФ-82-4Б.
Генератор ДГФ-82-4Б (рис.6) состоит из статора, ротора, системы возбуждения и двух подшипниковых щитов.
Статор состоит из чугунной станины на двух лапах, сердечника 5 и обмотки 2, ротор генератора — из вала 1, сердечника 9 с обмоткой возбуждения 8, контактных колец 7. Сердечник ротора собирается из листов электротехнической стали, а обмотка ротора намотана прямоугольными проводами. Катушки полюсов соединяются между собой последовательно. Ротор уравновешивается креплением балансировочных грузов к балансировочному кольцу с одной стороны и к воронке вентилятора — с другой.
Задний щит фланцевый, литой, чугунный, имеет два окна, закрытых съемными заглушками (через них открывается доступ к крышке роликоподшипника для его осмотра и пополнения смазки). Система статического возбуждения (3, 4, 6) установлена в верхней части генератора отдельным блоком и закрыта крышкой.
Серия ЕСС состоит из двух модификаций. У генераторов модификации ЕСС точность регулирования напряжения ±2%, что обеспечивает надежную параллельную работу. Генераторы модификации ЕСС-5 имеют упрощенную схему автоматического регулирования и точность регулирования напряжения ±5%, недостаточную для надежной параллельной работы.
У генераторов ЕСС в исполнении MI01 оба подшипниковых щита одинаковы, а в исполнении М201 один из подшипниковых щитов имеет фланец и допускает соединение с двигателем только эластичной муфтой. Генераторы серии ЕСС-5 выпускают только исполнения М101. Серии ЕСС и ЕСС-5 имеют несколько типоразмеров. Например, обозначение ЕСС-82-4/М101 расшифровывается: генератор серии ЕСС, 8-го габарита, 2-й длины, четырехполюсный, на лапах с двумя подшипниковыми щитами.
Генератор ЕСС устроен аналогично генератору ДГФ, а генераторы серии ЕСС-5 имеют кроме основной обмотки статора еще и дополнительную трехфазную обмотку, которая вкладывается в полузакрытые пазы статора и служит для питания схемы возбуждения.
Рис.7. Принципиальная схема генератора ЕСС-5 с начальным возбуждением.
При пуске генератора ЕСС-5 (рис.7) за счет остаточного магнетизма в полюсах ротора 2 в основной 1 и дополнительной 4 обмотках, выведенных на доску зажимов 5, индуктируется ЭДС. Значение ЭДС дополнительной обмотки оказывается недостаточным для открытия выпрямителей 3 и самовозбуждения генератора. Поэтому для обеспечения начального возбуждения применяют два способа.
От аккумуляторной батареи 6-24 В (рис.7,б) подается кратковременный импульс постоянного тока на обмотку ротора. Импульс подается кнопкой 12 через токоограничивающий резистор 11 от источника постоянного тока 13.
От трансформатора начального возбуждения 7 (рис.7,а) через выключатель 8 подается остаточная ЭДС основной обмотки, которая, складываясь с ЭДС дополнительной обмотки, открывает выпрямители 3 и возбуждает генератор. Регулирование напряжения осуществляется с помощью стабилизирующего устройства, состоящего из компаундирующих трансформаторов 10, резисторов 6 и реостатов уставки 9.
Когда ток нагрузки генератора проходит по первичным обмоткам трансформатора 10, то в его вторичной обмотке индуктируется ЭДС, которая вызывает протекание тока по вторичным обмоткам трансформатора 10 и резисторам 6. Резистор 6 включен последовательно в цепь дополнительной обмотки возбуждения 4. Электродвижущая сила, создаваемая на резисторе 6 током нагрузки, и ЭДС дополнительной обмотки геометрически суммируются и вызывают в обмотке возбуждения увеличение тока.
Следовательно, этот ток будет пропорционален току нагрузки генератора и позволит поддерживать напряжение на выводах генератора постоянным. Реостат уставки 9 позволяет изменять напряжение генератора в пределах ±5% номинального значения.
Генераторы серии ГСФ имеют мощность 100 и 200 кВт, исполнение фланцевое, защищенное, на двух щитовых подшипниках, соединение с двигателем с помощью муфты и фланцевого подшипникового щита.
Устройство и принцип работы генератора ГСФ и генератора ДГФ аналогичны. Начальное возбуждение у генераторов ГСФ-200 и ГСФ-100М осуществляется подачей импульса постоянного тока от аккумуляторной батареи; начальное возбуждение генератора ГСФ-100 БК осуществляется с помощью резонансной системы с конденсаторами.
Генераторы серии ОС имеют мощность 8, 16, 30 и 60 кВт и две модификации, которые обеспечивают точность регулирования напряжения ±2 или ±5%.
Генераторы серии ОС выпускаются в исполнении M201 имеют несколько типоразмеров. Условное обозначение этих генераторов аналогично обозначению генератора ЕСС. Конструкция генератора бесстанинная. Пазы статора открытые, обмотка выполнена из готовых секций с изоляцией класса В из кремнийорганической резины. Ротор гребенчатый с демпферами, катушки ротора съемные. Статическая система возбуждения на полупроводниках для автоматического регулирования напряжения размещена непосредственно на генераторе.
В ДЭС используется только четырехполюсный генератор ГСС-104-4Б 10-го габарита и 4-й габаритной длины.
Исполнение генератора брызгозащищенное, с самовентиляцией, на двух щитовых подшипниках. Генератор сопрягается с приводным двигателем эластичной муфтой. Устройство и принцип действия этого генератора аналогичны устройству и принципу действия генератора.
Серия СГДС имеет устройство, аналогичное устройству генератора СГД, но обмотка возбуждения питается от статической системы самовозбуждения, состоящей из трансформаторов фазового компаундирование блока силовых выпрямителей, отдельного выпрямителя и генератора начального возбуждения Работа системы возбуждения этого генератора аналогична работе статической системы возбуждения других генераторов.
Источник