Systèmes d'excitation de moteurs synchrones. Principe de fonctionnement Démarrage de moteur asynchrone

Schéma structurel de la machine. Les machines synchrones sont réalisées avec un induit fixe ou tournant. Pour faciliter l'extraction ou l'alimentation de l'énergie électrique du stator, les machines de grande puissance sont équipées d'un induit fixe (Fig. 1.2, UN)

Puisque la puissance d’excitation est faible par rapport Avec puissance retirée de l'induit (0,3-3%), la fourniture de courant continu à l'enroulement d'excitation à l'aide de deux anneaux ne pose pas de difficultés particulières. Les machines synchrones de faible puissance sont constituées à la fois d'un induit fixe et d'un induit rotatif.

Riz. 1.2 - Schéma de conception d'une machine synchrone

avec ancre fixe et tournante :

1 - induit, 2 - enroulement d'induit, 3 - pôles d'inductance,

4 - enroulement de champ, 5 - anneaux et balais

Une machine synchrone avec un induit tournant et un inducteur fixe (Fig. 1.2, b) appelé converti.

Riz. 1.3 - Rotors synchrones à pôles saillants(UN) et pôle non saillant(6) voitures:

1 - noyau du rotor, 2 - bobinage de champ

Conception du rotor

Conception des rotors. Dans une machine à induit fixe, deux conceptions de rotor sont utilisées : pôle saillant - avec pôles saillants (Fig. 1.3, UN) et pôle implicite - avec pôles implicites (Fig. 1.3, b). Un rotor à pôles saillants est généralement utilisé dans les machines à quatre pôles ou plus. Le bobinage d'excitation est réalisé dans ce cas sous la forme de bobines cylindriques de section rectangulaire, qui sont placées sur les noyaux polaires et renforcées par des pièces polaires. Le rotor, les noyaux polaires et les pièces polaires sont en acier. Les machines de grande puissance à deux et quatre pôles fonctionnant à des vitesses de rotor de 1 500 et 3 000 tr/min sont généralement fabriquées avec un rotor à pôles non saillants. L'utilisation d'un rotor à pôles saillants est impossible en raison des conditions permettant d'assurer la résistance mécanique nécessaire à la fixation des pôles et du bobinage d'excitation. Le bobinage de champ dans une telle machine est placé dans les rainures du noyau du rotor, constitué d'acier forgé massif, et renforcé par des cales non magnétiques. Les parties frontales du bobinage, soumises à d'importantes forces centrifuges, sont fixées à l'aide de bandes d'acier massives. Pour obtenir une répartition de l'induction magnétique proche de la sinusoïdale, le bobinage d'excitation est placé dans des encoches occupant les 2/3 de chaque division polaire.

Riz. 1.4 - Conception d'une machine à pôles saillants :

1 - boîtier, 2 - noyau de stator, 3 - enroulement de stator, 4 - rotor,

5 - ventilateur, 6 - bornes d'enroulement du stator, 7 - bagues collectrices,

8 - brosses, 9 - excitatrice

En figue. 1-4 montre la structure d'une machine synchrone à pôles saillants. Le noyau du stator est assemblé à partir de tôles d'acier électrique isolées et un enroulement d'induit triphasé y est situé. Un bobinage d'excitation est situé sur le rotor.

Les pièces polaires des machines à pôles saillants ont généralement un profil tel que l'entrefer entre la pièce polaire et le stator est minimal sous le milieu du pôle et maximum sur ses bords, ce qui entraîne la courbe de répartition de l'induction dans l'entrefer. se rapproche d'une sinusoïde.

Dans les moteurs synchrones à rotor à pôles saillants, des tiges sont placées dans les pièces polaires démarrage du bobinage(Fig. 1-5), en matériau à résistivité accrue (laiton, etc.). Le même bobinage (de type « cage d'écureuil »), constitué de tiges de cuivre, est également utilisé dans les générateurs synchrones ; ils l'appellent sédatif ou enroulement d'amortisseur, puisqu'il assure un amortissement rapide des oscillations du rotor qui se produisent lors de conditions transitoires de fonctionnement d'une machine synchrone. Si une machine synchrone est réalisée avec des pôles massifs, alors dans ces pôles, lors du démarrage et des modes transitoires, apparaissent des courants de Foucault dont l'action est équivalente à l'action du courant dans les enroulements en court-circuit. L'amortissement des oscillations du rotor lors des processus transitoires est assuré dans ce cas par des courants de Foucault se refermant dans un rotor massif.

Excitation d'une machine synchrone

Excitation d'une machine synchrone. Selon la méthode d'alimentation de l'enroulement d'excitation, on distingue les systèmes d'excitation indépendante et d'auto-excitation. Avec une excitation indépendante, la source d'alimentation de l'enroulement d'excitation est un générateur de courant continu (excitateur) monté sur l'arbre du rotor d'une machine synchrone (Fig. 1.6, UN), ou un générateur auxiliaire séparé entraîné par un moteur synchrone ou asynchrone.

Pendant l'auto-excitation, l'enroulement d'excitation est alimenté à partir de l'enroulement d'induit via un redresseur contrôlé ou non contrôlé - semi-conducteur ou ionique (Fig. 1.6, b). La puissance nécessaire à l'excitation est faible et représente 0,3 à 3 % de la puissance d'une machine synchrone.

Dans les générateurs puissants, parfois, en plus de l'excitatrice, une sous-excitatrice est utilisée - un petit générateur de courant continu qui sert à exciter l'excitatrice principale. Dans ce cas, un générateur synchrone associé à un redresseur à semi-conducteur peut être utilisé comme excitatrice principale. Actuellement, l'alimentation du bobinage d'excitation via un redresseur semi-conducteur monté sur diodes ou thyristors est de plus en plus utilisée aussi bien dans les moteurs et générateurs de petite et moyenne puissance, que dans les puissants turbogénérateurs et générateurs d'hydrogène (système d'excitation à thyristors). Régulation du courant d'excitation je est effectuée automatiquement par des régulateurs d'excitation spéciaux, bien que dans les machines de faible puissance, la régulation soit également utilisée manuellement par un rhéostat connecté au circuit d'enroulement d'excitation.

Récemment, le système d'excitation dit sans balais a commencé à être utilisé dans de puissants générateurs synchrones (Fig. 8-6, V). Avec ce système, un générateur synchrone est utilisé comme excitatrice, dans lequel l'enroulement d'induit est situé sur le rotor et le redresseur est monté directement sur l'arbre.

Riz. 1.5 - Placement du bobinage de démarrage dans les moteurs synchrones :

1 - pôles du rotor, 2 - anneaux de court-circuit, 3 - tiges de cage d'écureuil,

Cosses à 4 pôles

L'enroulement de champ de l'excitateur reçoit l'énergie du sous-excitateur via un régulateur de tension. Avec cette méthode d'excitation, il n'y a pas de contacts glissants dans le circuit d'alimentation de l'enroulement d'excitation du générateur, ce qui augmente considérablement la fiabilité du système d'excitation. S'il est nécessaire de forcer l'excitation du générateur, la tension de l'excitatrice est augmentée et la tension de sortie du redresseur est augmentée.

Le moteur synchrone est excité par une excitatrice à thyristors séparée.

Des appareils statiques sont utilisés pour exciter des machines synchrones. Le moteur conçu est équipé d'une excitatrice à thyristor statique à semi-conducteur. Les avantages des excitateurs à thyristors résident dans leurs petites dimensions et leur poids léger, leur fonctionnement pratique sans inertie, leurs larges capacités de contrôle et la faible puissance requise pour cela, mesurée en watts, et leur rendement élevé.

Les valeurs non standard des tensions d'excitation nominales du SD ont provoqué des tensions non standard du TVU et ont nécessité le développement de transformateurs spéciaux, ce qui a permis de réduire la puissance installée des transformateurs, d'augmenter l'efficacité et le facteur de puissance du TVU.

Les exigences de base suivantes sont imposées aux systèmes d'excitation, auxquelles ils doivent satisfaire :

1) alimentation CC fiable à l’enroulement d’excitation du rotor du moteur dans n’importe quel mode de fonctionnement ;

2) régulation stable du courant d'excitation lorsque la charge du moteur passe de zéro à nominale à un niveau de tension donné ;

3) vitesse suffisante ;

4) stimuler l’excitation ;

5) amortissement rapide du champ magnétique dans le moteur.

En figue. La figure 3 montre le circuit d'excitation d'une excitatrice à thyristors.

Riz. 3 - Circuit d'excitation à partir d'une excitatrice à thyristors

Le système d'excitation se compose des composants principaux suivants : réseau externe Uc, réseau auxiliaire MV, transformateur d'excitation TV, convertisseur à thyristors TP, résistance de protection de démarrage R pz, interrupteur à thyristors TC, régulateur d'excitation automatique ARV, transformateur de tension TN et transformateur de courant TT.

Le courant d'excitation est régulé en modifiant l'angle d'amorçage des thyristors. Lors du démarrage d'un moteur synchrone à vitesse subsynchrone, les thyristors sont déverrouillés selon un angle correspondant à la tension d'excitation plafond. La durée du boost est généralement d'environ 1 s. La tension maximale en régime permanent du pot U de l'excitatrice (plafond) pendant la suralimentation doit être d'au moins 1,4 de la tension d'excitation nominale du moteur synchrone U vn. Pour les gros moteurs, presque toujours U opt = (1,7-2,0) U v.n (surtout avec excitation des thyristors). Le système d'excitation doit être conçu pour une durée de boost de 50 secondes.

L'excitatrice à thyristors contrôle le démarrage et l'arrêt du moteur et il n'y a donc pas besoin de poste de commande. Au démarrage, lorsqu'une force électromotrice alternative est induite dans l'enroulement du rotor, l'enroulement doit être connecté à une résistance pour créer un circuit fermé pour la demi-onde négative du courant. La résistance peut être linéaire ou non linéaire, allumée uniquement au démarrage ou connectée en permanence. Dans ce dernier cas, il protège également les thyristors des surtensions lors des processus transitoires dans le moteur. Lors du démarrage d'un moteur synchrone, le convertisseur à thyristors est verrouillé, l'enroulement d'excitation est connecté à une résistance de décharge via un commutateur à thyristors, composé de deux thyristors dos à dos. Vers la fin du démarrage, lorsque la tension sur l'enroulement du rotor chute, le convertisseur à thyristors est activé et les thyristors clés sont verrouillés.

Commencer

Le processus de démarrage du moteur est très compliqué, car en raison du couple synchrone, il est impossible d'accélérer le rotor d'un état stationnaire à une vitesse synchrone en raison de l'inertie du rotor. Si vous essayez de démarrer le moteur en appliquant simultanément une tension à l'enroulement du stator et à l'enroulement du rotor à partir de l'excitatrice, alors le couple synchrone résultant de l'interaction des champs du rotor et du stator alternera avec une fréquence de 50 Hz. En conséquence, un enroulement de démarrage spécial ou un enroulement d'amortisseur est fourni pour le démarrage, ce qui contribue à amortir le balancement du rotor résultant de processus transitoires. Dans une machine synchrone à pôles apparents, l'enroulement de démarrage est un enroulement à cage d'écureuil court-circuité. Ses tiges sont situées dans les rainures de la pièce polaire. Des segments de pôles adjacents sont également connectés et forment un anneau de court-circuit commun.

Les caractéristiques de démarrage des moteurs synchrones verticaux VDS 375 sont conçues pour démarrer des pompes dans des conditions sévères et sont conçues pour le démarrage de réacteurs à tension réduite.

Le démarrage s'effectue en deux étapes : dans la première, en raison de l'interaction du champ statorique avec l'enroulement de démarrage, un couple asynchrone apparaît, le moteur démarre à une vitesse sous-synchrone ; au second, une tension est appliquée à l'enroulement d'excitation et, sous l'influence d'un couple électromagnétique, la machine est mise en synchronisme.

Le processus de démarrage d'une LED s'accompagne de courants de démarrage importants et d'un échauffement intense des enroulements, en particulier de l'enroulement de démarrage, de sorte que le redémarrage de nombreuses machines puissantes n'est pas autorisé sans refroidissement. Pour les démarrages fréquents, l'enroulement de l'amortisseur doit avoir une conception renforcée, ainsi que la fixation de l'enroulement du stator.

Les machines synchrones sont des dispositifs dont la vitesse du rotor est toujours égale ou multiple d'un indicateur similaire du champ magnétique à l'intérieur de l'entrefer, créé par le courant traversant l'enroulement d'induit. Le fonctionnement de ce type de machine repose sur le principe de l’induction électromagnétique.

Excitation des machines synchrones

Les machines synchrones peuvent être excitées par une action électromagnétique ou un aimant permanent. Dans le cas de l'excitation électromagnétique, un générateur de courant continu spécial est utilisé, qui alimente l'enroulement ; en raison de sa fonction principale, ce dispositif est appelé excitatrice. Il convient de noter que le système d'excitation est également divisé en deux types selon la méthode d'influence - directe et indirecte. La méthode d'excitation directe implique que l'arbre de la machine synchrone soit directement relié mécaniquement au rotor de l'excitatrice. La méthode indirecte suppose que pour faire tourner le rotor, on utilise un autre moteur, par exemple une machine électrique asynchrone.

La méthode la plus utilisée aujourd’hui est la méthode d’excitation directe. Cependant, dans les cas où le système d'excitation est censé fonctionner avec de puissantes machines électriques synchrones, des générateurs d'excitation indépendants sont utilisés, dont les enroulements sont alimentés en courant provenant d'une autre source de courant continu, appelée sous-excitatrice. Malgré son encombrement, ce système permet une plus grande stabilité de fonctionnement, ainsi qu'un réglage plus fin des caractéristiques.

Le dispositif d'une machine synchrone

Une machine électrique synchrone comporte deux composants principaux : un inducteur (rotor) et un induit (stator). Le plus optimal et donc le plus répandu aujourd'hui est le schéma où l'induit est placé sur le stator, tandis que l'inducteur est situé sur le rotor. Une condition préalable au fonctionnement du mécanisme est la présence d'un entrefer entre ces deux pièces. L'induit dans ce cas est une partie fixe de l'appareil (stator). Il peut être constitué d'un ou de plusieurs enroulements, selon la puissance requise du champ magnétique qu'il doit créer. Le noyau du stator est généralement constitué de fines feuilles individuelles d’acier électrique.

L'inducteur des machines électriques synchrones est un électro-aimant dont les extrémités de son enroulement mènent directement aux bagues collectrices de l'arbre. Pendant le fonctionnement, l'inducteur est excité par un courant continu, grâce à quoi le rotor crée un champ électromagnétique qui interagit avec le champ magnétique de l'induit. Ainsi, grâce au courant continu excitant l'inducteur, une fréquence de rotation constante du champ magnétique à l'intérieur de la machine synchrone est obtenue.

Principe de fonctionnement des machines synchrones

Le principe de fonctionnement d'une machine synchrone repose sur l'interaction de deux types de champs magnétiques. L'un de ces champs est formé par l'armature, tandis que l'autre apparaît autour d'un électro-aimant excité par un courant continu - un inducteur. Immédiatement après avoir atteint la puissance de fonctionnement, le champ magnétique créé par le stator et tournant à l’intérieur de l’entrefer s’engrène avec les champs magnétiques aux pôles de l’inducteur. Ainsi, pour qu’une machine synchrone atteigne sa vitesse de fonctionnement, il faut un certain temps pour l’accélérer. Une fois que la machine a accéléré jusqu'à la fréquence requise, l'alimentation est fournie à l'inducteur à partir d'une source CC.

Les machines synchrones utilisent plusieurs systèmes d'excitation.

Système d'excitation de machine électrique avec excitatrice DC (Fig. 1). Ce système utilise un générateur de courant continu (DCG) spécial appelé excitatrice comme source.

Les systèmes d'excitation sont divisés en deux types : directs et indirects. Dans les systèmes à excitation directe, l'induit de l'excitatrice est relié à l'arbre de la machine synchrone. Dans les systèmes à excitation indirecte, l'excitatrice est entraînée par un moteur alimenté par les bus auxiliaires de la centrale électrique ou par un générateur auxiliaire. Le générateur auxiliaire peut être relié à l'arbre d'une machine synchrone ou fonctionner de manière indépendante. Les systèmes directs sont plus fiables, car dans les situations d'urgence dans le système électrique, le rotor de l'excitatrice continue de tourner avec le rotor de la machine synchrone et l'enroulement d'excitation n'est pas immédiatement mis hors tension.

Riz. 1. Système d’excitation de machine électrique : LG L.E.- enroulement d'excitation de l'excitatrice G.E.; R Ш1 - résistance de réglage

Le système d'excitation classique pour machines synchrones est constitué d'une excitatrice sous la forme d'un générateur d'excitation parallèle sur un arbre commun avec une machine synchrone (excitatrice de machine électrique). Dans les machines à basse vitesse d'une puissance allant jusqu'à 5 000 kW, pour réduire le poids et le coût des excitatrices, ces dernières sont parfois reliées à l'arbre d'une machine synchrone à l'aide d'un entraînement par courroie trapézoïdale. Les générateurs d’hydrogène ont également généralement une excitatrice sur le même arbre que le générateur.

Pour amortir le champ magnétique, une machine de suppression automatique de champ (AFC) est utilisée, composée de contacteurs K1, K2 et une résistance de trempe (décharge) R.P.. La suppression de champ est effectuée dans l’ordre suivant. Lorsque le contacteur est allumé K1 le contacteur s'allume K2, fermant l'enroulement d'excitation à une résistance, où R.B.-résistance du bobinage d'excitation. Ensuite le contacteur s'ouvre K1, et le courant dans le circuit d'enroulement d'excitation du générateur commence à diminuer (décroissance) avec une constante de temps ( KG- inductance de l'enroulement d'excitation) conformément à l'équation (Fig. 2).

Le courant d'excitation pourrait être réduit à zéro en éteignant un seul contacteur À 1 sans allumer la résistance d'extinction R. P. Le courant d’excitation disparaîtrait dans ce cas presque instantanément. Mais une coupure instantanée du circuit d'excitation est inacceptable, car en raison de l'inductance élevée de l'enroulement d'excitation, une grande force électromotrice auto-inductive y serait induite, dépassant plusieurs fois la tension nominale, ce qui entraînerait une panne du l'isolation de cet enroulement est possible. De plus, dans le contacteur À 1, lors de la rupture, une grande quantité d'énergie stockée dans le champ magnétique de l'enroulement d'excitation serait libérée et, en raison du grand arc, une destruction des contacts se produirait. Pour les grandes machines, l'atténuation du courant d'excitation en présence d'une résistance d'extinction se produit avec une constante de temps d'environ 1 s.

L'excitation est forcée en shuntant une résistance R Ø1 inclus dans le circuit d'excitation de l'excitatrice.

Riz. 2. Atténuation du courant d'excitation lorsque le champ est éteint

Cependant, de puissants générateurs à basse vitesse avec np=60-150 tr/min, la taille et le coût de l'excitatrice en raison de sa puissance importante et de sa faible vitesse sont importants. De plus, les excitatrices à basse vitesse, en raison de leur grande taille, ont une inertie électromagnétique élevée, ce qui réduit l'efficacité du contrôle automatique et de l'augmentation de l'excitation. Par conséquent, les systèmes d'excitation sont également utilisés sous la forme d'une unité à grande vitesse séparée ( np=750-1500 tr/min), composé d'un moteur asynchrone et d'un générateur DC. Dans ce cas, le moteur asynchrone reçoit l'énergie d'un générateur synchrone auxiliaire spécial situé sur le même arbre que le générateur hydraulique principal et, dans certains cas, des pneus auxiliaires de la station hydraulique ou des bornes du générateur hydraulique principal. Dans ce dernier cas, l'unité d'excitation est soumise à l'influence d'accidents dans le système électrique (courts-circuits, etc.), et donc, pour augmenter sa fiabilité, des moteurs asynchrones d'entraînement sont réalisés avec un couple maximum accru (M max ≥4 Mn) , et parfois ces unités sont également équipées de volants d'inertie. Les unités d'excitation de secours pour les centrales électriques sont également disponibles sous forme d'unités d'excitation séparées, qui servent à sauvegarder les propres excitatrices des générateurs en cas d'accidents et de dysfonctionnements.

Les turbogénérateurs d'une puissance allant jusqu'à P n = 100 MW ont également généralement des excitatrices sous forme de générateurs de courant continu sur leur arbre. Cependant, à Рн > 100 MW, la puissance des excitateurs devient si grande que leur exécution à np= 3000-3600 tr/min, selon les conditions de fiabilité de commutation, cela s'avère difficile voire impossible. Dans ce cas, différentes solutions sont utilisées. Par exemple, les excitatrices à vitesse de rotation sont largement utilisées à l'étranger np=750 - 1000 tr/min, reliés à l'arbre du turbogénérateur à l'aide d'une boîte de vitesses, ainsi que des unités excitatrices avec des moteurs asynchrones recevant l'énergie des bus de la station ou des bornes du générateur.

La puissance de l'excitatrice est généralement égale à 0,3 à 3 % de la puissance du générateur synchrone. Il est entraîné en rotation par l'arbre d'un générateur synchrone. Courant d'excitation d'une grande machine synchrone je B est relativement grand et s'élève à plusieurs centaines, voire milliers d'ampères. Par conséquent, il est régulé à l'aide de rhéostats installés dans le circuit d'excitation de l'excitatrice. L'excitatrice est excitée selon le schéma auto-excitation(Fig.1) ou excitation indépendanteà partir d'un générateur DC spécial appelé sous-excitateur(Fig. 3). Le sous-excitateur fonctionne avec auto-excitation et la résistance de la résistance R Ø2 ne change pas pendant le fonctionnement du générateur.

Riz. 3. Système d’excitation de machine électrique avec sous-excitatrice : LG- bobinage d'excitation d'un générateur synchrone ; L.E.- enroulement d'excitateur G.E.; LA.- enroulement d'excitation du sous-excitateur G.E.A.

Système d'excitation composé avec excitatrice DC (Fig. 4). Dans les systèmes d'excitation modernes, le principe de composition est largement utilisé, c'est-à-dire le changement automatique de la force d'excitation magnétisante lorsque le courant de charge d'un générateur synchrone change. Étant donné que le courant alternatif circule dans l'enroulement d'induit d'une machine synchrone et que le courant continu circule dans l'enroulement d'excitation, les redresseurs à semi-conducteurs sont utilisés dans les circuits de combinaison des machines synchrones.

Dans la figure présentée. 4 diagramme schématique d'un système d'excitation composé avec une excitatrice à courant continu, un enroulement d'excitation d'excitatrice 4 connecté à l'armature de l'excitatrice 3 avec rhéostat 6 et, en plus, aux redresseurs 9, recevoir de l'énergie des transformateurs en série 7. Enroulement à vide du générateur 4 reçoit l'énergie uniquement de l'ancre 3. À mesure que le courant de charge du générateur augmente 1 tension secondaire du transformateur 7 va augmenter, et même à faible charge cette tension redressée par le redresseur 9, est égal à la tension d'enroulement 4. Avec une nouvelle augmentation de la charge, l'enroulement 4 sera alimenté par le transformateur 7 et, par conséquent, le courant dans cet enroulement et le courant d'excitation du générateur augmenteront avec l'augmentation de la charge.

Avec une résistance croissante du rhéostat de réglage 8 tension fournie aux redresseurs 9, et l'effet cumulatif du transformateur 7 augmentera. En cas de court-circuit, le dispositif de mélange force l'excitation.

Riz. 4. Système d'excitation avec composition actuelle

Effet cumulatif du circuit de la Fig. 4 dépend uniquement de la valeur du courant de charge et ne dépend pas de sa phase. Par conséquent, avec une charge inductive, cet effet est plus faible qu’avec une charge résistive. Une telle combinaison est appelée courant, et en même temps la tension est constante. U dans la plage des charges normales, il est possible de maintenir une précision de ± (5-10)%. Une telle précision est insuffisante pour les installations modernes, et donc dans les schémas de la Fig. 4 un correcteur supplémentaire ou un régulateur de tension automatique est utilisé // qui est connecté via un transformateur 10 avec pinces de générateur, ainsi qu'avec un rhéostat d'installation 8. Régulateur 11 réagit aux changements de tension U et du courant / et fournit du courant continu à l'enroulement d'excitation supplémentaire de l'excitatrice 5.

Systèmes d'excitation de vannes peuvent être construits pour une puissance élevée et sont plus fiables que les machines électriques. Il existe trois types de systèmes d'excitation de vannes : auto-excités, indépendants et sans balais.

Dans un système auto-excité (Fig. 6), l'énergie nécessaire à l'excitation d'une machine synchrone est prélevée sur l'enroulement d'induit du générateur principal puis convertie par un convertisseur statique. PU (convertisseur à thyristors) en énergie de courant continu, qui entre dans l'enroulement d'excitation. L'excitation initiale du générateur se produit en raison de la magnétisation résiduelle de ses pôles.

Riz. 6. Système d'excitation des vannes pour un générateur synchrone avec auto-excitation : LG- enroulement d'excitation du générateur ; Unité centrale- dispositif convertisseur avec régulateur de tension ; la télé- un transformateur de tension qui réduit la tension fournie à l'enroulement d'excitation ; TA- transformateur de courant, qui sert à maintenir la tension d'excitation lorsque la charge du générateur change

Dans un système d'excitation de vanne indépendant (Fig. 7) l'énergie d'excitation est obtenue à partir d'un excitateur spécial GN, réalisé sous la forme d'un générateur synchrone triphasé. Son rotor est situé sur l'arbre du générateur principal. La tension alternative de l'excitatrice est redressée et fournie à l'enroulement d'excitation.

Un type de système d’excitation de vanne indépendant est un système d’excitation sans balais. Dans ce cas, un induit d'excitateur AC avec un enroulement triphasé est placé sur l'arbre de la machine synchrone principale.

Riz. 7. Système d'excitation indépendant des vannes : GN - excitateur à courant alternatif (synchrone) ; LN - enroulement d'excitation de l'excitatrice ; GEA - sous-excitateur ;

LA - enroulement d'excitation du sous-excitateur ; PU - dispositif convertisseur avec régulateur de tension

La tension alternative de cet enroulement est convertie en tension constante grâce à un pont redresseur monté sur l'arbre de la machine et directement (sans anneaux) fournie à l'enroulement d'excitation du générateur principal. L'enroulement de champ de l'excitatrice est situé sur le stator et reçoit l'énergie de la sous-excitatrice ou du régulateur de tension.

. Une particularité de ces machines est qu’elles utilisent des aimants permanents pour créer un champ d’excitation magnétique. Des aimants permanents sont le plus souvent placés sur le rotor, rendant la machine sans contact. Les machines synchrones à aimant permanent sont largement utilisées comme petits générateurs de puissance et micromoteurs.

Les inconvénients de telles machines incluent la difficulté de réguler le flux magnétique, le coût élevé, la faible puissance maximale (en raison de la faible résistance mécanique du rotor constitué d'aimants permanents), ainsi que le poids accru des machines de moyenne puissance.

Les générateurs synchrones à aimants permanents sont réalisés avec des puissances ne dépassant pas plusieurs dizaines de kilowatts. Les moteurs synchrones à aimants permanents et démarrage asynchrone se sont généralisés. Les rotors de tels moteurs combinent des éléments d'un moteur synchrone - des aimants permanents et d'un moteur asynchrone - une cage d'écureuil, nécessaire au démarrage.

4. Machines synchrones à excitation par aimant permanent

Une particularité de ces machines est qu’elles utilisent des aimants permanents pour créer un champ d’excitation magnétique. Des aimants permanents sont le plus souvent placés sur le rotor, rendant la machine sans contact. Les machines synchrones à aimant permanent sont largement utilisées comme petits générateurs de puissance et micromoteurs.

Les avantages des machines à aimants permanents sont la simplicité de conception, l'absence de contact glissant, un rendement élevé et un échauffement moindre du fait de l'absence de pertes dans le bobinage : excitation et contact glissant. Un grand avantage de ces machines est aussi l’absence de source de courant continu pour les exciter.

Les aimants permanents peuvent avoir une disposition radiale ou axiale sur le rotor. Dans le premier cas, l'aimant 1 a la forme d'un astérisque (Fig. 7), sur lequel est pressé un paquet d'anneaux en acier 2, dans les rainures desquelles se trouvent les tiges de la cage d'écureuil.

Riz. 7. Moteur synchrone avec une disposition radiale d'aimants permanents sur le rotor : 1 - aimants permanents ; 2 - ensemble rotor ; 3 - stator

Pour réduire les flux de fuite des aimants, des fentes interpolaires sont pratiquées dans l'acier du boîtier annulaire. Dans le deuxième cas, le rotor 2 est situé sur l'arbre, à la manière du rotor d'un moteur asynchrone, et des aimants permanents 1 sont placés sur un ou deux côtés de ce boîtier (Fig. 8). a la particularité qu'en plus du couple du moteur (asynchrone) dans ce cas, un couple de freinage (générateur) apparaît également. Le couple de freinage apparaît à la suite de l'interaction du champ magnétique des pôles excités du rotor avec les courants induits par celui-ci dans l'enroulement du stator 3. Sur la Fig. 9 montre les courbes asynchrones M un, frein M T et les couples moteur M résultants lors du démarrage asynchrone.

Riz. 8. Moteur synchrone avec une disposition axiale d'aimants permanents sur le rotor : I - aimant permanent ; 2 - ensemble rotor ; 3 - stator

Riz. 9. Caractéristiques de démarrage du moteur à aimant permanent

Les caractéristiques de démarrage des moteurs à aimants permanents sont pires que celles des moteurs à hystérésis, mais ils ont de meilleures performances énergétiques, une capacité de surcharge accrue et une stabilité de la vitesse de rotation.

Les caractéristiques du système d'excitation sont déterminées par une combinaison des propriétés de la source d'alimentation de l'enroulement d'excitation et des dispositifs de contrôle automatique. Les systèmes d’excitation doivent fournir :

1) alimentation électrique fiable du bobinage du rotor d'une machine synchrone dans tous les modes, y compris lors d'accidents ;

2) régulation stable du courant d'excitation lorsque la charge change dans les limites nominales ;

3) vitesse suffisante ;

4) forcer l'excitation.

Les systèmes d'excitation sont classés en fonction de la source d'alimentation - l'enroulement d'excitation - en dépendants (auto-excitation) et indépendants. Z dépendant - alimenté par l'enroulement d'induit principal ou supplémentaire du générateur excité. Indépendant est alimenté par d’autres sources (des bus propres à la station, d’une excitatrice ou d’un générateur auxiliaire).

Parmi les systèmes d'excitation indépendants, on trouve :

a) les systèmes d'excitation directe, dans lequel le rotor de l'excitatrice ou du générateur auxiliaire est situé sur le même arbre que le rotor
machine synchrone ou interfacée avec elle par un réducteur de vitesse ;

b) systèmes d'excitation indirecte, dans lequel le rotor de l'excitatrice ou du générateur auxiliaire est entraîné par un moteur synchrone ou asynchrone spécialement installé à cet effet.

Jusque dans les années 60 du siècle dernier, direct systèmes d'excitation de machines électriques, dans lequel l'enroulement d'excitation d'une machine synchrone est alimenté par un générateur collecteur CC - excitatrice (Fig. 24.26, a).

Conformément à GOST 533-76, GOST 5616-81 et GOST 609-75, les turbogénérateurs et générateurs d'hydrogène et les compensateurs synchrones ne peuvent disposer que du système d'excitation directe ou du système d'auto-excitation le plus fiable. Mais les systèmes d'excitation des machines électriques, en raison des conditions de commutation, ne peuvent pas être utilisés dans les turbogénérateurs d'une puissance de 200 MW et plus, dont la puissance d'excitation dépasse 800-1 000 kW.

B. Actuellement, ils sont de plus en plus répandus systèmes d'excitation de vannes. Ils sont utilisés pour les moteurs et générateurs synchrones de faible puissance, ainsi que pour les grands turbogénérateurs, générateurs hydrauliques et compensateurs synchrones, y compris pour les centrales de puissance maximale.

Il existe trois principaux types de systèmes d'excitation de vannes.

1. Système d'excitation de valve indépendant(Fig. 24.26, b), dans lequel le bobinage d'excitation est alimenté à partir d'un générateur synchrone auxiliaire dont le rotor est monté sur l'arbre du générateur principal. Dans ce cas, les circuits redresseurs utilisent des vannes à semi-conducteurs (diodes silicium ou thyristors) assemblées à l'aide d'un circuit en pont triphasé. Lors de la régulation de l'excitation du générateur, les capacités de contrôle des redresseurs et la possibilité de modifier la tension du générateur auxiliaire sont utilisées simultanément.

2. Système d'excitation sans balais, qui diffère d'un système de vannes indépendantes (Fig. 24.26, b) en ce qu' il comporte un générateur synchrone auxiliaire inversé, qui présente un enroulement à courant alternatif 3 situé sur le rotor. Le redresseur 5, recevant l'énergie de cet enroulement, est situé sur l'arbre du générateur principal. L'avantage de ce système est l'absence de contacts glissants, qui dans les turbogénérateurs puissants doivent être conçus pour des milliers d'ampères.

3 . Système d'auto-excitation(Fig. 24.26, V), dans lequel l'enroulement d'excitation est alimenté par l'enroulement d'induit principal ou supplémentaire. Le redressement du courant alternatif est effectué à l'aide de thyristors. L'énergie est collectée à l'aide de transformateurs 9 Et 7, connectés respectivement en parallèle et en série avec l'enroulement du stator. Transformateur 7 permet d'augmenter l'excitation lors de courts-circuits fermés, lorsque la tension sur l'enroulement d'induit est considérablement réduite. Le système d'auto-excitation présente une fiabilité plus élevée et un coût inférieur à celui d'autres systèmes en raison de l'absence d'excitatrice ou de générateur auxiliaire.

Les paramètres importants des systèmes d'excitation sont le taux nominal d'augmentation de la tension d'excitation, la tension d'excitation nominale et le facteur d'amplification de l'excitation.

Tension d'excitation nominale- tension aux bornes de l'enroulement d'excitation lorsqu'il est alimenté par son courant d'excitation nominal et sa résistance d'enroulement réduite à la température de fonctionnement de conception.

Taux d'augmentation de l'excitation- le rapport entre la valeur en régime permanent la plus élevée de la tension d'excitation et la tension d'excitation nominale.

Le circuit d'excitation fournit un dispositif spécial avec lequel, en cas d'urgence, il est possible de réduire rapidement le courant d'excitation à zéro ( éteindre le champ magnétique). Par exemple, en cas de courts-circuits internes dans l'enroulement du stator, la suppression de champ est effectuée à l'aide d'une machine de suppression de champ, qui ferme l'enroulement de champ à une résistance de suppression spéciale.

Pour maintenir une machine synchrone en synchronisme lorsque la tension du réseau diminue lors de courts-circuits à distance, ils ont recours au forçage de son courant d'excitation. Le forçage est effectué automatiquement par le relais de protection de la machine. L'efficacité du forçage est caractérisée par le facteur de forçage d'excitation.