Динамические свойства электростанций

Тип	Время готовности к нагрузке
Атомные	1 неделя
Тепловые	8 часов
Гидро	3 минуты

 

Именно необходимостью снятия пиковых нагрузок объясняется строительство ГЭС.

 

 

Назначение

электрических машин и трансформаторов

 

Электрификация — это широкое внедрение в про­мышленность, сельское хозяйство, транспорт и быт электрической энергии, вырабатываемой на мощных электростанциях, объединенных высоковольтными электрическими сетями в энергетические системы.

Электрическая машина представляет собой электромеханическое устройство, осуществляющее взаимное преобразование механической и электри­ческой энергии. Электрическая энергия выраба­тывается на электростанциях электрическими машинами — генераторами, преобразующими меха­ническую энергию в электрическую. Основная часть электроэнергии (до 80 %) вырабатывается на тепло­вых электростанциях.

В процессе потребления электрической энергии проис­ходит ее преобразование в другие виды энергий (тепловую, меха­ническую, химическую). Около 70 % электроэнергии используется для приведения в движение станков, механизмов, транспортных средств, т. е. для преобразования ее в механическую энергию. Это преобразование осуществляется электрическими машинами — электродвигателями.

Электродвигатели широко применя­ют на транспорте в качестве тяговых двигателей, приводящих во вращение колесные пары электровозов, электропоездов, троллей­бусов и др.

Электрическую энергию, вырабатываемую на электростан­циях, необходимо передать в места ее потребления. Передачу электроэнергии на большие расстояния осуществляют при высоком напряжении (до 500 кВ и более), чем обеспечиваются минимальные электрические потери в линиях электропередачи. Поэтому в процессе передачи и распределения электрической энергии приходится неоднократно повышать и понижать напряжение. Этот процесс выполняется посредством электромагнитных устройств, называемых трансформаторами.

Трансформатор не является электрической машиной, так как его работа не связана с преобразованием электрической энергии в механическую и наоборот; он преобразует лишь напряжение электрической энергии.

Трансформатор — это ста­тическое устройство, и в нем нет никаких движущихся частей. Однако электромагнитные процессы, протекающие в трансформаторах, аналогичны процессам, происходящим при работе электрических машин.

Отрасль науки и техники, занимающаяся развитием и произ­водством электрических машин и трансформаторов, называется электромашиностроением. Теоретические основы электромаши­ностроения были заложены в 1821 г. М. Фарадеем, установившим возможность преобразования электрической энергии в механиче­скую и создавшим первую модель электродвигателя. Важную роль в развитии электромашиностроения имели работы ученых Д. Мак­свелла и Э. X. Ленца.

 

 

Дальнейшее развитие идея взаимного преоб­разования электрической и

механической энергий получила в ра­ботах выдающихся русских ученых Б. С. Якоби и М. О. Доливо-Добровольского, которыми были разработаны и созданы конст­рукции электродвигателей, пригодные для практического исполь­зования. Большие заслуги в создании трансформаторов и их прак­тическом применении принадлежат замечательному русскому изобретателю П.Н. Яблочкову. В начале XX столетия были созда­ны все основные виды электрических машин и трансформаторов и разработаны основы их теории.

 

1. Электрические машины - электромеханические преобразователи

В процессе работы электрической машины в режиме генера­тора происходит преобразование механической энергии в элек­трическую. Природа этого процесса объясняется законом элек­тромагнитной индукции:если внешней силой F воздействовать на помещенный в магнитное поле проводник и перемещать его (рисунок 1), например, слева направо перпендикулярно вектору индук­ции В магнитного поля со скоростью v, то в проводнике будет на­водиться электродвижущая сила Е (ЕДС), В:

(1)

где - магнитная индукция, Тл;

- активная длина проводника, т.е. длина его части, находящейся в магнитном поле, м;

- скорость движения проводника, м/с.

Рисунок 1 – «Элементарный генератор»

Для определения направления ЭДС следует воспользоваться правилом «правой руки» (рисунок 2).

Если концы проводника замкнуты на внешнее сопротивление R (потребитель), то под действием ЭДС в проводнике возникнет ток такого же направле­ния. Таким образом, проводник в магнитном поле можно рассматри­вать в этом случае как элементар­ный генератор.

В результате взаимодействия тока I с магнитным полем возника­ет действующая на проводник элек­тромагнитная сила, Н:

(2)

 

Направление электромагнитной силы можно определить по правилу «левой руки» (рисунок 3). В элементарном генераторе сила является тормозящей по отношению к движущей силе F.

Рисунок 2 - Правило «правой руки»

Рисунок 3 – Правило «левой руки»

При равномерном движении проводника

(3)

Умножив обе части равенства на скорость движения проводника, получим

(4)

Подставим в формулу (4) формулу (2):

(5)

Левая часть равенства определяет значение механической мощности, затрачиваемой на перемещение проводника в магнит­ном поле; правая часть — значение электрической мощности, раз­виваемой в замкнутом контуре электрическим током I. Знак равен­ства между этими частями показывает, что в генераторе механическая мощность, затрачиваемая внешней силой, преобра­зуется в электрическую.

 

Если внешнюю силу к проводнику не прикладывать, а от ис­точника электроэнергии подвести к нему напряжение так, чтобы ток в проводнике имел направление, указанное на рисунке 4, то на проводник будет действовать только электромагнитная сила . Под действием этой силы проводник начнет двигаться в маг­нитном поле. При этом в проводнике индуцируется ЭДС с направ­лением, противоположным напряжению U. Таким образом, часть напряжения U, приложенного к проводнику, уравновешивается ЭДС Е, наведенной в этом проводнике, а другая часть составляет падение напряжения в проводнике:

(6)

где - электрическое сопротивление проводника, Ом.

Умножим обе части равенства (6) на ток :

(7)

Подставляя в формулу (7) формулу (1), получим:

(8)

Или, согласно выражению (2), получим:

(9)

Из этого равенства следует, что электрическая мощность, поступающая в проводник, частично преобразуется в механиче­скую, а частично расходуется на покрытие электрических потерь в проводнике. Следовательно, проводник с током, по­мещенный в магнитном поле, можно рассматривать как элемен­тарный электродвигатель.

Рисунок 4 – «Элементарный двигатель»

 

 

Рассмотренные явления позволяют сделать вывод:

а) для любой электрической машины обязательно наличие электропро­водящей среды (проводников) и магнитного поля, имеющих воз­можность взаимного перемещения;

б) при работе электрической машины как в режиме генератора, так и в режиме двигателя од­новременно наблюдаются индуцирование ЭДС в проводнике, пересекающем магнитное поле, и возникновение силы, дейст­вующей на проводник, находящийся в магнитном поле, при про­текании по нему электрического тока;

в) взаимное преобразова­ние механической и электрической энергий в электрической машине может происходить в любом направлении, т. е. одна и та же электрическая машина может работать как в режиме двигате­ля, так и в режиме генератора; это свойство электрических ма­шин называют обратимостью.Принцип обратимости электри­ческих машин был впервые установлен русским ученым Э. X. Ленцем.

 

 

2. Классификация электрических машин

Электрические машины в зависимости от отрасли и цели применения подразделяются:

1) электромашинные преобразователи - электрические машины, служащие для преобразования пере­менного тока в постоянный или же для преобразования тока промышленной частоты в ток более высокой частоты;

2) электромашинные усилители - электрические машины, используемые для усиления мощ­ности электрических сигналов;

3)синхронные компенса­торы - электрические машины, используемые для повышения коэффициента мощности потребителей электроэнергии;

4)индукционные регуля­торы - электрические машины, служащие для регулирования напряжения переменного тока.

Микромашиныв устройствах автоматики и вычислительной техники применяют в качестве:

1) тахогенераторов - для преобразования частоты вращения в элек­трический сигнал

2) сельсинов, вращающихся трансформаторов - для получения электрических сигналов, пропорциональных углу поворота вала и т. п.

 

КОЛЛЕКТОРНЫЕ МАШИНЫ

 

2.1 Устройство коллекторных машин постоянного тока

В настоящее время электромашиностроительные заводы изготовляют электрические машины постоянного тока, предназначенные для работы в самых различных отраслях промышленности, поэтому отдельные узлы этих машин могут иметь разную конст­рукцию, но общая конструктивная схема машин одинакова. Неподвижная часть машины постоянного тока называется статором, вращающая часть - якорем.

Устройство коллекторной машины представлено на рисунке 5.

Рисунок 5 - Устройство коллекторной машины

 

Статор состоит из станины 8 и главных полюсов 6. Ста­нина 8 служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода, так как через нее замыкается магнитный поток машины. Станину изготовляют из стали — ма­териала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. В нижней части станин имеются лапы 11 для крепления машины к фундаментной плите. По окружности станины расположены отверстия для крепления сердечников главных полюсов 6. Обычно станину делают цельно из стальной трубы, либо сварной из листовой стали, за исключением машин с весьма большим наружным диаметром, у которых станину делают разъемной, что облегчает транспортировку и мон­таж машины.

 

 

ТРАНСФОМАТОРЫ

 

3.1 Назначение и области применения трансформаторов

Трансформаторомназывают статическое элек­тромагнитное устройство, имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством явления электро­магнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока.

В зависимости от назначения трансформаторы разделяют:

- силовые трансформаторы общего на­значения, применяются в линиях передачи и распределения электроэнергии, а также в различных электроуст­ройствах для получения требуемого напряжения (изме­няют значения переменного напряжения и тока, при этом число фаз, форма кривой напряжения (тока) и частота остаются неизменными);

- трансформаторы специального назначения характе­ризуются разнообразием рабочих свойств и конст­руктивного исполнения (печные и сварочные трансформаторы, трансформаторы для устройств автоматики (пик-трансформаторы, импульсные, умножители частоты и т.п.), испытательные и измерительные трансфор­маторы).

При изучении данного раздела будем иметь в виду силовые трансформаторы общего назначения.

 

3.2 Принцип действия трансформаторов

Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопро­вода (сердечника), выполненного из ферромагнитного материала (обычно листовая электротехническая сталь), и двух обмоток, рас­положенных на стержнях магнитопровода (рисунок 6 ). Одна из обмоток, которую называют первичной, присоединена к источнику переменного тока Г на напряжение . К другой обмотке, называемой вторичной, подключен потребитель .Первичная и вто­ричная обмотки трансформатора не имеют электрической связи друг с другом, и мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем. Магнитопровод, на котором располо­жены эти обмотки, служит для усиления индуктивной связи между обмотками.

Рисунок 6 – Электромагнитная схема трансформатора

Действие трансформатора основано на явлении электромаг­нитной индукции. При подключении первичной обмотки к источ­нику переменного тока в витках этой обмотки протекает перемен­ный ток , который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сце­пляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и индуци­рует в них ЭДС:

в первичной обмотке ЭДС самоиндукции , В:

(10)

во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции , В:

(11)

где и — число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

При подключении нагрузки к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС в цепи этой обмотки созда­ется ток , а на выводах вторичной обмотки устанавливается на­пряжение . В повышающих трансформаторах > , а в пони­жающих < .

Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более вы­соким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения(ВН); обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения, — обмоткой низшего напряжения (НН).

На рисунке 7показано изображение однофазного трансфор­матора на принципиальных электрических схемах.

Рисунок 7 – принципиальная схема трансформатора

Трансформаторы обладают свойством обратимости:один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повы­шающего и понижающего. Но обычно трансформатор имеет определенное назначение: либо он повышающий, либо — по­нижающий.

Классифицируют трансформаторы по нескольким признакам:

по назначению — силовые общего и специального на­значения, импульсные, для преобразования частоты и т. д.;

по виду охлаждения — с воздушным (сухие транс­форматоры) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждени­ем;

по числу трансформируемых фаз — однофазные и трехфазные;

по форме магнитопровода — стержневые, броневые, бронестержневые, тороидальные;

по числу обмоток на фазу - двухобмоточные, многообмоточные.

 

3.3 Устройство трансформаторов

 

Современный трансформатор состоит из различных конструк­тивных элементов: магнитопровода, обмоток, вводов, бака и др. Магнитопровод с насаженными на его стержни обмотками состав­ляет активную частьтрансформатора. Остальные элементы трансформатора называют неактивными(вспомогательными) час­тями.

 

 

a. Автотрансформаторы

Автотрансформатор — это такой вид трансформатора, в кото­ром помимо магнитной связи между обмотками имеется еще электрическая связь (рисунок 8).

Рисунок 8 – Электромагнитная схема однофазного понижающего автотрансформатора

Рассмотрим подробнее работу понижающего автотрансформа­тора. Обмотка одновременно является частью первичной об­мотки и вторичной обмоткой. В этой обмотке проходит ток . Для точки а запишем уравнение токов:

(12)

или

(13)

Проходная мощность автотрансформатора представляет собой всю передаваемую мощность из первичной цепи во вторичную:

(14)

 

Автотрансформатор по сравнению с трансформатором равной мощ­ности обладает следующими преимущества­ми:

- меньшим расходом активных материалов (медь и электротехническая сталь),

- более высоким КПД,

- меньшими размерами и стоимостью.

У автотрансформаторов большой мощности КПД достигает 99,7%.

 

Силовые автотрансформаторы широко применяют в линиях пере­дачи и распределения электроэнер­гии для связи сетей смежных на­пряжений, например 110 и 220, 220 и 500 кВ и др. Такие автотрансфор­маторы обычно выполняют на большие мощности (до 500 МВА и выше). Обмотки трехфазных авто­трансформаторов обычно соединя­ют в звезду.

Автотрансформаторы приме­няют в электроприводе переменного тока для уменьшения пусковых токов двигателей значительной мощности, а также для регулировки режимов работы электрометаллургических печей. Автотрансформаторы малой мощности применяют в устройствах радио, связи и автоматики.

Широко распространены автотрансформаторы с перемен­ным коэффициентом трансформации. В этом случае автотрансформатор снабжают устройством, позволяющим регулировать ве­тчину вторичного напряжения путем изменения числа витков. Осуществляется это либо переключателем, либо с помощью скользящего контакта (щетки), перемещаемого непо­средственно по зачищенным от изоляции витками обмотки. Такие автотрансформаторы, называемые регуляторами напряжения, могут быть однофазными и трехфазными.

 

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

 

5.1 Принцип действия синхронного генератора

Для изучения принципа действия синхронного генератора воспользуемся упрощенной моделью синхронной машины (рисунок 9).

Рисунок 9 - Упрощенная модель синхронной машины

Неподвижная часть машины, называемая статором,представляет собой полый шихтованный цилиндр 1 (сердечник статора) с двумя продольными пазами на внутренней поверх­ности. В этих пазах расположены стороны витка 2, являющегося обмоткой статора.Во внутренней полости сердечника статора расположена вращаю­щаяся часть машины — ротор,представляющий собой постоянный магнит 4 с полюсами N и S, за­крепленный на валу 3. Вал ротора посредством ре­менной передачи механически связан с приводным двигателем (на рисунке не показан). В реальном синхронном генераторе в качестве приводного дви­гателя может быть использован двигатель внутрен­него сгорания либо турбина. Под действием вра­щающего момента приводного двигателя ротор генератора вращается с частотой против часовой стрелки. При этом в обмотке статора в соответствии с явлением электромагнитной индукции наводится ЭДС, направление которой показано на рисунке стрелками. Так как обмотка статора замкнута на на­грузку 7, то в цепи этой обмотки появится ток I.

В процессе вращения ротора магнитное поле по­стоянного магнита также вращается с частотой , а поэтому каждый из проводников обмотки статора попеременно оказывается то в зоне северного (N) магнитного полюса, то в зоне южного (S) магнитно­го полюса. При этом каждая смена полюсов сопро­вождается изменением направления ЭДС в обмотке статора. Таким образом, в обмотке статора синхрон­ного генератора наводится переменнаяЭДС, а по­этому ток I в этой обмотке и в нагрузке Zтакже пе­ременный.

Частота ЭДС синхронного генератора (Гц) прямо пропор­циональна частоте вращения ротора (об/мин), которую принято называть синхронной частотой вращения:

(15)

Где р — число пар полюсов; в рассматриваемом генераторе

два полюса, т. е. р = 1.

Для получения промышленной частоты ЭДС (50 Гц) ротор та­кого генератора необходимо вращать с частотой об/мин.

 

 

В энергетических установках по производству электроэнергии переменного тока в качестве первичных (приводных) двигателей синхронных генераторов применяют в основном три вида двигателей: паровые турбины, гидравлические турбины либо двигатели внутреннего сгорания (дизели). Применение любого из перечисленных двигателей принципиально влияет на конструкцию синхронного генератора.

Если приводным двигателем является гидравлическая турбина, то синхронный генератор называют гидрогенератор. Гидравлическая турбина обычно развивает небольшую частоту вращения (60—500 об/мин), поэтому для получения переменного тока промышленной частоты (50 Гц) в гидрогенераторе применяют ротор с большим числом полюсов.

 

Паровая турбинаработает при большой частоте вращения, поэтому приводимый ею во вращение генератор, называемый турбогенератором, является быстроходной синхронной машиной. Роторы этих генераторов выполняют либо двухпо­люсными ( об/мин), либо четырехполюсными ( об/мин).

 

 

Включение генераторов на параллельную работу

На электрических станциях обычно устанавли­вают несколько синхронных генераторов, включае­мых параллельно для совместной работы (рисунок 10). Наличие нескольких генераторов вместо одного суммарной мощности дает преимущества, объяс­няемые теми же соображениями, которые были изложены применительно к параллельной работе трансформаторов.

Рисунок 10 - Включение синхронных генераторов на параллельную работу

При включении синхронного генератора в сеть на параллельную работу необходимо соблюдать следующие условия: ЭДС генератора в момент подключения его к сети должна быть равна и проти­воположна по фазе напряжению сети ( ), частота ЭДС генератора должна быть равна часто­те переменного напряжения в сети ; порядок следо­вания фаз на выводах генератора должен быть таким же, что и на зажимах сети.

Приведение генератора в состояние, удовлетво­ряющее всем указанным условиям, называют син­хронизацией.Несоблюдение любого из условий син­хронизации приводит к появлению в обмотке статора больших уравнительных токов, чрезмерное значение которых может явиться причиной аварии.

Включить генератор в сеть с параллельно рабо­тающими генераторами можно или способом точной синхронизации, или способом самосинхронизации.

 

Синхронные компенсаторы применяют также для стабилиза­ции

напряжения в сети при передаче энергии по линиям большой протяженности.

При больших индуктивных нагрузках напряжение в конце линии (у потребителей) оказывается намного меньше, чем в начале; при малых нагрузках, наоборот, под влиянием емкост­ных сопротивлений линии напряжение в конце линии может даже повышаться по сравнению с напряжением в начале. Если же в конце линии (у потребителей) включить СК, работающий при больших нагрузках с перевозбуждением и при малых нагрузках с недовозбуждением, то это позволит поддерживать напряжение в конце линии практически неизменным.

 

Рисунок 11 – Применение синхронного компенсатора для повышения коэффициента мощности сети

 

 

Синхронные компенсаторы — это электрические машины большой мощности: от 10 до 160 тыс. кВА. Выполняют их обыч­но с горизонтальным расположением вала на напряжение от 6,6 до 16 кВ, частотой 50 Гц.

 

С полным основанием можно считать, что сегодня технический и культурный уровень развития государства определяется количеством электроэнергии, вырабатываемой на душу населения.

Почти вся электрическая энергия (на долю химических источников приходится незначительная часть) вырабатывается электрическими ма­шинами. Но электрические машины могут работать не только в генера­торном режиме, но и в двигательном, преобразуя электрическую энергию в механическую. Обладая высокими энергетическими показателями и меньшими, по сравнению с другими преобразователями энергии, расхо­дами материалов на единицу мощности, экологически чистые электроме­ханические преобразователи имеют в жизни человеческого общества ог­ромное значение.

Особенностью развития электромашиностроения в настоящий пери­од является то, что дальнейшее наращивание выпуска электрических ма­шин происходит с учетом жестких требований экономии материалов, электроэнергии и трудовых ресурсов. Создание более экономичных, ме­нее металлоемких и более технологичных электрических машин является первостепенной задачей.

 

 

Основные понятия и определения:

Системой ЭС называют совокупность устройств для производства, передачи и распределения эл. энергии.

Системой ЭС предприятий называют системы для обеспечения работы приемников эл, энергии (освещение, двигатели механизмов, эл. печи, сварка, электролиз и т.д.)

Приемник эл, энергии – устройство, в котором эл. энергия используется в производственных или бытовых целях.

Качество эл. энергии определяется показателями:

1. отклонение частоты от номинала

2. отклонение напряжения от номинала

3. размахом колебания частоты

4. размахом изменения напряжения

5. коэффициентом не симметрии

6. не синусоидальностью напряжения

Таким образом понижение качества эл. энергии приводит к возникновению массового брака или к авариям.

При разработке системы ЭС решаются задачи:

1. Выбор рационального числа ступеней трансформации напряжения

2. Выбор рациональных напряжений

3. Выбор рационального размещения подстанции

4. Выбор рационального числа и мощности трансформатора

5. Выбор рационального сечения проводов и жил кабелей

6. Выбор рациональных средств компенсации реактивной мощности

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: