Лекция 2. Синхронные генераторы
Синхронные генераторы предназначены для преобразования механической энергии паровой, газовой или гидравлической турбины, вращающей ротор генератора, в электрическую. У турбогенераторов первичным двигателем является паровая или газовая турбина, у гидрогенераторов — гидротурбина.
В России турбогенераторы изготавливают:
— завод «Электросила» ОАО «Силовые машины» (г. Санкт-Петербург»),
— ОАО «Привод» (г. Лысьва, Пермский край),
— НПО «Элсиб» (г. Новосибирск).
Мощность наиболее крупного паротурбинного агрегата с частотой вращения 3000 об/мин составляет 1200 МВт, выпускается ОАО «Силовые машины», типы генераторов для таких агрегатов:
— ТВВ-1200-2, ТВВ-1200-4 (проектируется) — водородно-водяное охлаждение (охлаждение дистиллированной водой обмотки статора и охлаждение водородом стали статора, обмотки ротора, конструктивных элементов);
— Т3В-1200-2А — полное водяное охлаждение (охлаждение дистиллированной водой обмотки и железа статора, обмотки ротора, конструктивных элементов). Предприятие выпускает также гидрогенераторы мощностью до 720 МВт.
(Т – турбогенератор; ВВ – водородно-водяное охлаждение; 3В – три воды (водяное охлаждение); потом идёт активная мощность, потом число полюсов (НЕ ЧИСЛО ПАР!))
Принцип работы синхронного генератора поясняет рис. 3.1. Ротор имеет две пары полюсов (количество полюсов: 2р=4). На роторе располагается обмотка возбуждения (ОВ), питаемая через контактные кольца и щётки от источника постоянного тока — возбудителя. Назначение ОВ – создание в машине первичного магнитного поля. Ротор с ОВ называется индуктором. Он приводится во вращение источником механической энергии — турбиной.
Ротор с ОВ вращается с частотой n. Постоянный ток, проходящий по ОВ, возбуждает магнитное поле ротора. Магнитное поле ротора (ОВ) перемещается относительно неподвижной обмотки статора, размещённой в пазах сердечника статора. Поток возбуждения Фв пересекает проводники обмотки статора, и в фазах этой обмотки индуцируется переменная ЭДС с частотой f: �� = ����, где n – частота вращения ротора, об/с; p – число пар полюсов ротора; f – частота переменной ЭДС, Гц.
Так как частоту вращения ротора принято указывать в «об/мин», используется следующее выражение:�� = ����/60, при одной паре полюсов: �� = 60 ∙ 50 / 1 = 3000 об/мин; при двух парах полюсов: �� = 60 ∙ 50 / 2 = 1500 об/мин.
При присоединении генератора к электрической сети, трёхфазная ЭДС обмотки статора создаёт в обмотке трёхфазный ток. Токи обмотки статора создают вращающееся со скоростью ротора магнитное поле. Это магнитное поле статора, вращается с той же частотой вращения, что и ротор, т.е. поля статора и ротора вращаются с одинаковой частотой синхронно, образуя общее вращающее поле. Таким образом, в синхронном генераторе оба поля: обмотки ротора, созданное постоянным током возбуждения и обмотки статора, созданное переменными токами трёхфазной обмотки, оказываются взаимно неподвижными, вращающимися синхронно.
Поле статора оказывает воздействие на поле ротора и называется полем реакции якоря. Поэтому электрический генератор может работать и как двигатель, если к обмотке статора подвести трёхфазный ток из сети. В результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора, поле статора увлекает за собой ротор. Ротор вращается в ту же сторону и с такой же частотой вращения, как и поле статора.
Чем больше число пар полюсов, тем меньше должна быть частота вращения синхронной машины.
Синхронные машины делятся на явнополюсные, имеющие выступающие полюсы (рис. 3.1), и неявнополюсные, у которых ОВ не сосредоточенная, а распределённая по пазам в роторе (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Ротор неявнолюсной машины.
Для гидрогенераторов характерны явнополюсные роторы с горизонтальным и вертикальным валом. Частота вращения гидрогенератора зависит от частоты вращения гидротурбины, которая зависит от напора воды. Поэтому гидрогенераторы имеют больше число пар полюсов и являются тихоходными машинами. Например, гидрогенераторы Братской ГЭС имеют 24 пары полюсов.
Для турбогенераторов характерны неявнополюсные роторы с одной парой (3000 об/мин), реже двумя парами полюсов (1500 об/мин) и горизонтальным исполнением вала. Меньшая частота вращения применяется для турбогенераторов 1000 МВт, 1200 МВт. Это обстоятельство объясняется тем, что при меньшей частоте вращения вала турбины в цилиндре низкого давления могут быть применены лопатки большей длины, что позволяет пропускать больший объем пара, и, следовательно, увеличивать мощность турбины, которая ограничена механической прочностью лопаток последних ступеней турбины. Поэтому на атомных электростанциях с мощными энергоблоками используются турбогенераторы с двумя парами полюсов. Но в настоящее время проблема прочности лопаток решена, и энергоблоки мощности 1000 и 1200 МВт выполняются с турбогенераторами с одной парой полюсов.
6.3.6. Синхронные генераторы
Назначение. Синхронные генераторы являются основным типом генераторов переменного тока, применяемых в процессе производства электроэнергии.
Все электрические генераторы на гидро- и теплоэлектростанциях являются синхронными. Синхронные генераторы используются также в качестве автономных источников энергии в автомобилях, дорожных машинах, транспортных средствах и др.
Синхронные генераторы иногда выполняются однофазными, и их якорная обмотка размещается на 2/3 каждого полюсного деления. Однако такие генераторы имеют более низкий, чем трехфазные генераторы, КПД и большую стоимость. Поэтому они имеют ограниченное применение и их мощность невелика.
Рассмотрим особенности работы синхронного генератора при работе в режимах холостого хода и под нагрузкой.
Реакция якоря и характеристики синхронного генератора. Режим холостого хода имеет место в том случае, когда обмотка статора (якоря) разомкнута. В этом случае магнитное поле машины создается только обмоткой возбуждения, поэтому действующее значение ЭДС 
, индуцируемой потоком возбуждения 
,определяется по формуле (6.4): 
, гдес — постоянный для данной машины коэффициент.
Так как частота вращения ротора 
поддерживается постоянной, то 
зависит только от 
, следовательно, только от тока возбуждения ротора 
.
Зависимость называется характеристикой холостого хода. Она имеет вид, показанный на рис. 6.39, и повторяет по форме кривую намагничивания.
При подключении к обмотке статора (якоря) нагрузки ток, протекающий по этой обмотке, создает свой собственный магнитный поток 
, который вращается в пространстве с такой же скоростью и в ту же сторону, что и поток возбуждения 
.
Поэтому потоки 
и 
относительно друг друга неподвижны и образуют в машине результирующий поток 
, который, вращаясь в пространстве, индуцирует в обмотке статора ЭДС. Влияние поля якоря на основное поле возбуждения, как отмечалось ранее, называется реакцией якоря В отличие от машины постоянного тока, она определяется не только величиной, но и характером нагрузки, т.е. величиной сдвига фаз тока якоря 
и ЭДС фазной обмотки 
, созданной потоками возбуждения 
.
При активной нагрузке () ток и ЭДС в обмотках фаз генератора совпадают по фазе.
На рис. 6.40а показано такое положение ротора, при котором ЭДС в фазе А при активной нагрузке максимальна (ЭДС максимальна в данный момент времени в проводниках обмотки, лежащих под серединой полюса ротора). Максимальным будет и ток фазы А. Построив линии магнитной индукции поля ротора и статора, можно увидеть, что ось потока статора 
перпендикулярна оси потока возбуждения 
. В результате взаимодействия 
и 
в магнитной цепи статора магнитное поле машины ослабляется под одной частью полюса и увеличивается под другой. Вследствие насыщения магнитной цепи результирующее магнитное поле машины может несколько ослабиться.
На рис. 6.40а видно, что ток возбуждения, протекая по обмотке ротора и взаимодействуя с потоком якоря 
, создает силу, противодействующую вращению ротора, т.е. тормозной момент 
. Таким образом, при чисто активной нагрузке реакция якоря проявляется в виде механической тормозной силы, приложенной к ротору, а величина результирующего магнитного поля не изменяется или изменяется незначительно при насыщении магнитной цепи машины.
При чисто индуктивной нагрузке (
) ток якоря отстает по фазе от ЭДС в обмотке якоря на четверть периода и достигает в фазе А максимума в момент, когда полюс N ротора уйдет вперед на четверть оборота (рис. 6.40б) от положения, указанного на рис. 6.40а. Как видно из рисунка, в этом случае поток якоря 
направлен против потока ротора 
и, следовательно, оказывает размагничивающее действие. Однако механической тормозной силы, приложенной к ротору, здесь не возникает. При чисто емкостной нагрузке (
) ток фазы А опережает соответствующую ЭДС на четверть периода и достигает максимального значения, когда полюс N ротора не доходит на 90° (рис. 6.40в) до положения, указанного на рис. 6.40а. В этом случае потоки 
и 
совпадают по направлению, и реакция якоря оказывает намагничивающее действие. Так же как и в случае чисто индуктивной нагрузки, тормозного механического действия на ротор не происходит.
На практике нагрузка генератора в большинстве случаев является активно-индуктивной, и ток якоря имеет две составляющие: активную 
, совпадающую с 
и обусловливающую механическую реакцию в виде тормозного электромагнитного момента на валу ротора; реактивную 
, вызывающую ослабление основного магнитного потока машины.
Эксплуатационные свойства синхронного генератора в значительной степени определяются его внешней и регулировочной характеристиками, аналогичными соответствующим характеристикам генераторов постоянного тока. Напряжение 
на зажимах генератора, работающего под нагрузкой, существенно отличается от ЭДС 
при холостом ходе. Это отличие тем больше, чем больше реактивное сопротивление нагрузки. Зависимости 
, называемые внешними характеристиками генератора, показаны на рис. 6.41а.
Падение напряжения на активно-индуктивной нагрузке первую очередь обусловлено размагничивающим действием реакции якоря и в незначительной степени падением напряжения на внутреннем индуктивном сопротивлении машины. Подъем характеристик при емкостной нагрузке обусловлен подмагничивающим действием реакции якоря. Для поддержания неизменного уровня напряжения при различной нагрузке необходимо соответствующим образом изменить ток возбуждения. Зависимости тока возбуждения 
от тока нагрузки 
при неизменном напряжении на зажимах генератора, называемые регулировочными характеристиками, приведены на рис. 6.41б.
Параллельная работа синхронных генераторов. На каждом транспортном средстве, как правило, используется один синхронный генератор. Однако в большинстве случаев на практике приходится иметь дело с параллельной работой нескольких синхронных машин. В современную энергосистему электрическая энергия поступает от сотен генераторов, работающих на общую нагрузку. При этом мощность отдельного генератора намного меньше суммарной мощности остальных генераторов, которые могут быть заменены одним эквивалентным генератором бесконечно большой мощности. Поэтому никакие манипуляции с отдельным генератором не могут нарушить работу всей системы и, соответственно, напряжение сети .
Включение синхронного генератора на параллельную работу с сетью сопряжено с отдельными трудностями и требует выполнения следующих условий, которые в настоящее время реализуются с помощью специальных приемов и оборудования:
— равенства частоты ЭДС генератора и напряжения в сети, что достигается изменением скорости вращения ротора за счет регулирования момента первичного двигателя;
— равенства ЭДС генератора и напряжения в сети при фазовом сдвиге между ними 180° (последовательность чередования фаз должна быть одинаковой).
При несоблюдении условия противофазности ЭДС и напряжения сети в обмотке включенного генератора может возникнуть недопустимо большой ток, который может привести к повреждению машины.
Действительно, напряжение сети 
может быть как в фазе (рис. 6.42а), так и в противофазе (рис. 6.42б) с ЭДС генератора 
.
В первом случае в образовавшемся левом контуре, сопротивление которого мало, возникает большой ток. Во втором случае 
и 
будут равны по величине и направлены встречно, поэтому при подключении генератора к сети в образовавшемся контуре суммарная ЭДС и, следовательно, ток равны нулю. Генератор при этом работает без нагрузки. Механическая мощность первичного двигателя затрачивается на покрытие потерь холостого хода.
Если увеличить вращающий момент первичного двигателя, ротор машины, получив некоторое ускорение, сместится относительно своего первоначального положения на угол 
в сторону вращения. На такой же угол
сдвигается вектор 
относительно своего первоначального положения. Под действием результирующей ЭДС 
, равной геометрической сумме 
и 
, в цепи генератора появится ток 
, отстающий от 
на 90°, так как сопротивление обмоток статора практически чисто индуктивное. Падение напряжения на этом сопротивлении компенсирует разность 
.
Генератор развивает мощность, а активная составляющая тока статора создает электромагнитный тормозной момент, уравновешивающий увеличенный вращающий момент первичного двигателя.
Таким образом, с появлением тока в цепи статора генератор получает электрическую нагрузку, а первичный двигатель — механическую. Отсюда следует, что для нагрузки генератора необходимо увеличить момент первичного двигателя.
Если далее уменьшить вращающий момент на валу машины, под действием тормозящего момента электромагнитных сил поле ротора будет уменьшать свой угол опережения по отношению к полю статора. Вместе с уменьшением угла между осями полей будет уменьшаться и тормозящая сила взаимодействия тока статора и поля машины. Наконец, когда 
станет уравновешиваться 
, машина перестанет отдавать энергию в сеть, ток в обмотке статора исчезнет и тормозящая электромагнитная сила станет равна нулю.
Если приложить к валу машины вместо вращающего момента момент механической нагрузки, ротор сместится по отношению к вращающему полю в сторону отставания. Вновь возникнут токи в обмотке статора и создадут электромагнитные силы взаимодействия токов статора и поля ротора, но на этот раз эти силы будут стремиться сместить ротор вперед. Они создают вращающий момент. Синхронная машина переходит в режим двигателя. Таким образом, при параллельной работе синхронной машины с сетью скорость вращения машины жестко определяется частотой сети; изменение момента на валу изменяет лишь угол между осями полей ротора и статора и режим работы машины. На рис. 6.43 показано опережение магнитной оси полюсов возбуждения оси полюсов поля статора в режиме генератора (рис. 6.43а) и отставание поля ротора от поля статора в режиме двигателя (рис. 6.43б).
Синхронный генератор. Устройство и принцип работы
Генераторы переменного тока служат для преобразования механической энергии первичных двигателей в электрическую. В качестве первичного двигателя применяются: паровая турбина ( система паровая турбина – генератор называется турбогенератором), водяная турбина (гидрогенератор), двигатель внутреннего сгорания (дизель- генератор), электрический двигатель ( двигатель – генератор). Синхронной машиной называется машина, скорость вращения магнитного поля которой равно скорости ротора 
(9-17) Машина обратима и может работать как генератор, так и как двигатель. Однако наибольшее распространение они получили как генераторы переменного тока, которые устанавливают на всех современных электростанциях. Генератор, как и всякая электрическая машина, состоит из неподвижной части – статора и вращающейся части – ротора. Часто ту часть машины, которая создает магнитное поле, называют индуктором, а ту часть машины, где располагается обмотка, в которой индуцируется эдс, называют якорем. В основе работы синхронных генераторов лежит явление электромагнитной индукции. ЭДС, которая индуцируется в рабочей обмотке 
. Принципиально безразлично, будет ли движущийся проводник пересекать неподвижное магнитное поле или, наоборот, подвижное магнитное поле будет пересекать неподвижный проводник, поэтому конструктивно синхронные генераторы могут быть двух видов. В первом из них якорь неподвижен, а индуктор вращается (рис.111 а), во втором – наоборот (рис.111б). 
а б Рис. 111 Маломощные и низковольтные генераторы (однофазные и трехфазные) часто используются в передвижных станциях и могут работать по схеме рис. б. В этих генераторах рабочая обмотка часто выполняется на роторе, а на внутренней поверхности статора устраивается полюсная система с явно выраженными полюсами. Подключение генератора к внешней нагрузке осуществляется через скользящие токосъемы( щетки с кольцами на оси ротора). Современные генераторы, как составная часть силовой электроэнергетики, стр ояться на высокое напряжение 15-40кВ. Снимать такие высокие напряжения с вращающейся рабочей обмотки при помощи щеточно – коллекторного узла затруднительно. Кроме того, обмотку высокого напряжения, которая при вращении ротора испытывает толчки и вибрации, очень трудно изолировать. Этим объясняется, что в современных генераторах обмотку якоря располагают на неподвижной части машины – статоре, а обмотку возбуждения (магнитные полюсы) располагают на роторе. Схема двухполюсного синхронного генератора этого типа дана на рис. а. На статор машины намотаны три обмотки с одинаковым количеством витков, сдвинутые на угол 120 0 . Буквами Н и К отмечены начала и концы каждой обмотки. Магнитное поле создается обмоткой, намотанной на роторе. Через щетки и кольца к концам этой обмотки подается постоянное напряжение от специального источника питания. Ротор при помощи первичного двигателя приводится во вращение; его магнитное поле пересекает обмотки статора и в них индуктируются синусоидальные эдс. Статор. Статор ничем не отличается от статора асинхронной машины. В его обмотке действием вращающегося магнитного поля ротора наводится эдс, подаваемая во внешнюю цепь генератора. Такая конструкция генератора позволяет устранить скользящие контакты в цепи нагрузки генератора (обмотка статора соединяется с нагрузкой непосредственно) и надежно изолировать рабочую обмотку от корпуса машины, что весьма существенно для современных генераторов, изготавливаемых на большие мощности при высоких напряжениях. Основной магнитный поток синхронного генератора, создаваемый вращающимся ротором, возбуждается от постороннего источника питания. Постоянный ток от источника проходит через обмотку ротора через два кольца и две неподвижных щетки, установленные на валу генератора. Мощность такого источника питания равна 0,25 – 1% от номинальной мощности синхронного генератора. Номинальное напряжение 115-350В. Ротор. По свой конструкции роторы генераторов делятся наявнополюсные (тихоходные) (рис. 112а) инеявнополюсные(высокоскоростные) (рис.112 б). Число пар полюсов ротора обусловлено 
а б Рис. 112 скоростью его вращения. При частоте генерируемой эдс 50Гц неявнополюсной ротор быстроходной машины – турбогенератора, вращающийся со скоростью 3000об/мин, имеет одну пару полюсов, тогда как явнополюсной ротор тихоходного гидрогенератора, вращающийся со скоростью от 50 до 750об/мин, имеет число пар полюсов соответственно от 60 до 4. Работа генератора под нагрузкой. Реакция якоря. Если к зажимам работающего генератора подключить внешнюю нагрузку, то в обмотках статора возникает электрический ток, который создает свое магнитное поле – поток статора. Это магнитное поле накладывается на основное магнитное поле ротора, создаваемое обмоткой возбуждения, ослабляет или усиливает его. Это воздействие поля статора на основное магнитное поле называетсяреакцией якоря. Рассмотрим реакцию якоря при различных по характеру нагрузках. 
Рис. 113 В случае активной нагрузки, при которой ток совпадает по фазе с эдс, максимум тока наступит в тот момент, когда оси полюсов ротора будут находиться напротив обмоток якоря (рис.113 а). Это так называемая поперечная реакция якоря: потоки статора 
и ротора
взаимно перпендикулярны. В результате векторного сложения этих потоков результирующий магнитный поток генератора несколько увеличивается и смещается в пространстве, — следовательно, эдс генератора возрастает. В случае чисто индуктивной нагрузки ток отстает от эдс по фазе на 
К моменту максимального значения тока в обмотке А-Х ротор должен быть повернуть на 90 0 по часовой стрелке (рис.113 б). Магнитные потоки
и
направлены встречно и результирующий магнитный поток генератора равен их разности. Такая реакция якоря уменьшает эдс генератора. В случае чисто емкостной нагрузки ток нагрузки генератора опережает по фазе эдс на 
, — следовательно, ротор генератора еще не дошел 90 0 до вертикального положения, а ток в обмотке А-Х уже имеет максимальное значение (рис.113 в). Потоки
и
имеют одинаковое направление, увеличивают результирующий магнитный поток
, а это приводит к увеличению эдс генератора. Очевидно, что реакция якоря будет тем значительней, чем больше ток нагрузки. Таким образом, реакция якоря в синхронном генераторе приводит к изменениям магнитного потока и эдс, что является крайне нежелательным, так как изменение значения и характера нагрузки приводит к изменению напряжения на зажимах генератора. На практике при всяком изменении нагрузки с помощью автоматики изменяют ток возбуждения; этим ослабляют влияние реакции якоря. Для снятия различных характеристик синхронного генератора можно использовать схему рис.114 а. Характеристика холостого хода. Эта характеристика представляет зависимость индуктированной в статоре эдс Е от тока возбуждения при разомкнутой внешней цепи машины E=f(iB) приn=nниI= 0. 
а б в Рис. 114 Генератор приводится во вращение с синхронной скоростью, соответствующей номинальной частоте генератора. Изменяют при помощи реостата ток возбуждения, отмечая показания амперметра в цепи возбуждения. По показаниям вольтметра, включенного на зажимы обмотки статора, определяют величину индуктированной эдс Е. Характеристика холостого хода показана на рис. 114б. Прямолинейная часть характеристики указывает на пропорциональность между магнитным потоком (током возбуждения) и индуктированной эдс. В дальнейшем магнитная система генератора насыщается, кривая изгибается, т.е. при значительном увеличении тока возбуждения индуктированная эдс растет очень медленно. Внешняя характеристика. Зависимость напряжения на зажимах генератораUот тока нагрузкиIпри постоянных значениях тока возбужденияiB, коэффициента мощностиcosφи скоростиnвращения дается внешней характеристикой (рис. в) U=f(I). На рис.114 в даны внешние характеристики генератора для различных видов нагрузки. Изменение напряжения с нагрузкой происходит вследствие реакции якоря и падения напряжения в обмотке статора. При индуктивной нагрузке реактивный ток размагничивает машину и напряжение при увеличении тока нагрузки уменьшается. При емкостной нагрузке напряжение генератора с увеличением тока нагрузки повышается вследствие действия продольно – намагничивающей реакции якоря. Номинальный режим нагрузки выбирается таким, чтобы при cosφ= 0,8 изменения напряжения не превышали 35 — 45% от номинального (кривая 1).
10.02.2015 87.82 Кб 8 Экскурсия для студентов.docx
10.02.2015 2.99 Mб 11 экскурсия на ГЭС.doc
07.11.2019 2.29 Mб 18 ЭКСПЛУАТАЦИЯ СКВАЖИН БЕСШТАНГОВЫМИ ПОГРУЖНЫМИ Н. doc
07.11.2019 2.32 Mб 16 ЭКСПЛУАТАЦИЯ ФОНТАННЫХ СКВАЖИН.doc
10.02.2015 1.81 Mб 32 электрика.pdf
10.02.2015 41.57 Mб 699 Электротехника Лекции.doc
10.02.2015 34.3 Кб 40 Элементы рельефа (лекция).doc
10.02.2015 2.96 Mб 18 Эмиль, или О воспитании.pdf
20.09.2019 337.92 Кб 4 эскиз.doc
10.02.2015 38.91 Кб 35 Эссе информ.doc
10.02.2015 35.84 Кб 71 Эссе.doc
Ограничение
Для продолжения скачивания необходимо пройти капчу:
Генераторы переменного тока
Генератор — устройство, преобразующее один вид энергии в другой.
В данном случае рассматриваем преобразование механической энергии вращения в электрическую.
Различают два типа таких генераторов. Синхронные и асинхронные.
Синхронный генератор. Принцип действия
Отличительным признаком синхронного генератора является жёсткая связь между частотой f переменной ЭДС, наведённой в обмотке статора, и частотой вращения ротора n , называемой синхронной частотой вращения:
n = f / p
где p – число пар полюсов обмотки статора и ротора.
Обычно частота вращения выражается в об/мин, а частота ЭДС в Герцах (1/сек), тогда для количества оборотов в минуту формула примет вид:
n = 60·f / p
На рис. 1.1 представлена функциональная схема синхронного генератора. На статоре 1 расположена трёхфазная обмотка, принципиально не отличающаяся от аналогичной обмотки асинхронной машины. На роторе расположен электромагнит с обмоткой возбуждения 2, получающей питание постоянным током, как правило, через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, расположенных на роторе, и двух неподвижных щёток.
В некоторых случаях в конструкции ротора синхронного генератора вместо электромагнитов могут использоваться постоянные магниты, тогда необходимость в наличии контактов на валу отпадает, но существенно ограничиваются возможности стабилизации выходных напряжений.
Приводным двигателем (ПД), в качестве которого используется турбина, двигатель внутреннего сгорания либо другой источник механической энергии, ротор генератора приводится во вращение с синхронной скоростью. При этом магнитное поле электромагнита ротора также вращается с синхронной скоростью и индуцирует в трёхфазной обмотке статора переменные ЭДС EA , EB и EC , которые будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120°), образуют симметричную трёхфазную систему ЭДС.
C подключением нагрузки к зажимам обмотки статора С1, С2 и С3 в фазах обмотки статора появляются токи IA, IB, IC , которые создают вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора. Таким образом, в синхронном генераторе магнитное поле статора и ротор вращаются синхронно. Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе
e = 2Blwv = 2πBlwDn
Здесь: B – магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл;
l – активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, т.е. длина сердечника статора, м;
w – количество витков;
v = πDn – линейная скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с;
D – внутренний диаметр сердечника статора, м.
Формула ЭДС показывает, что при неизменной частоте вращения ротора n форма графика переменной ЭДС обмотки якоря (ста- тора) определяется исключительно законом распределения магнитной индукции B в зазоре между статором и полюсами ротора. Если график магнитной индукции в зазоре представляет собой синусоиду B = Bmax sinα , то ЭДС генератора также будет синусоидальной. В синхронных машинах всегда стремятся получить распределение индукции в зазоре как можно ближе к синусоидальному.
Так, если воздушный зазор δ постоянен (рис. 1.2), то магнитная индукция B в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (график 1). Если же края полюсов ротора «скосить» так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен δmax (как это показано на рис. 1.2), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (график 2), а, следовательно, и график ЭДС, индуцированной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде. Частота ЭДС синхронного генератора f (Гц) пропорциональна синхронной частоте вращения ротора n (об/с)
где p – число пар полюсов.
В рассматриваемом генераторе (см. рис.1.1) два полюса, т.е. p = 1.
Для получения ЭДС промышленной частоты (50 Гц) в таком генераторе ротор необходимо вращать с частотой n = 50 об/с (n = 3000 об/мин).
Способы возбуждения синхронных генераторов
Самым распространенным способом создания основного магнитного потока синхронных генераторов является электромагнитное возбуждение, состоящее в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения, при прохождении по которой постоянного тока, возникает МДС, создающая в генераторе магнитное поле. До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись преимущественно специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.3, а). Обмотка возбуждения (ОВ) получает питание от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронного генератора, возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронного генератора поступает через контактные кольца и щётки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя r1 и подвозбудителя r2 . В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.
В синхронных генераторах получила применение также бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе. В качестве возбудителя в этом случае применяют обращенный синхронный генератор переменного тока В (рис. 1.3, б). Трехфазная обмотка 2 возбудителя, в которой наводится переменная ЭДС, расположена на роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора и их электрическое соединение осуществляется через вращающийся выпрямитель 3 непосредственно, без контактных колец и щёток. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя В осуществляется от подвозбудителя ПВ – генератора постоянного тока. Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронного генератора позволяет повысить её эксплуатационную надёжность и увеличить КПД.
В синхронных генераторах, в этом числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.4, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь ПП преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счёт остаточного магнетизма машины.
На рис. 1.4, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подаётся в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на входе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты (БЗ), обеспечивающий защиту обмотки возбуждения (ОВ) от перенапряжения и токовой перегрузки.
Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5 % полезной мощности (меньшее значение относится к генераторам большой мощности).
В генераторах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, расположенными на роторе машины. Такой способ возбуждения даёт возможность избавить генератор от обмотки возбуждения. В результате конструкция генератора существенно упрощается, становится более экономичной и надёжной. Однако, из-за высокой стоимости материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничено машинами мощностью не более нескольких киловатт.
Синхронные генераторы составляют основу электроэнергетики, так как практически вся электроэнергия во всём мире вырабатывается посредством синхронных турбо- или гидрогенераторов.
Так же синхронные генераторы находят широкое применение в составе стационарных и передвижных электроустановок или станций в комплекте с дизельными и бензиновыми двигателями.
Асинхронный генератор. Отличия от синхронного
Асинхронные генераторы принципиально отличаются от синхронных отсутствием жесткой зависимости между частотой вращения ротора и вырабатываемой ЭДС. Разницу между этими частотами характеризует коэффициент s — скольжение.
здесь:
n — частота вращения магнитного поля (частота ЭДС).
n r — частота вращения ротора.
Более подробно с расчётом скольжения и частоты можно ознакомиться в статье: асинхронные генераторы. Частота.
В обычном режиме электромагнитное поле асинхронного генератора под нагрузкой оказывает тормозной момент на вращения ротора, следовательно, частота изменения магнитного поля меньше, поэтому скольжение будет отрицательным. К генераторам, работающим в области положительных скольжений, можно отнести асинхронные тахогенераторы и преобразователи частоты.
Асинхронные генераторы в зависимости от конкретных условий применения выполняются с короткозамкнутым, фазным или полым ротором. Источниками формирования необходимой энергии возбуждения ротора могут являться статические конденсаторы или вентильные преобразователи с искусственной коммутацией вентилей.
Асинхронные генераторы можно классифицировать по способу возбуждения, характеру выходной частоты (изменяющаяся, постоянная), способу стабилизации напряжения, рабочим областям скольжения, конструктивному выполнению и числу фаз.
Последние два признака характеризуют конструктивные особенности генераторов.
Характер выходной частоты и методы стабилизации напряжения в значительной степени обусловлены способом образования магнитного потока.
Классификация по способу возбуждения является основной.
Можно рассмотреть генераторы с самовозбуждением и с независимым возбуждением.
Самовозбуждение в асинхронных генераторах может быть организовано:
а) с помощью конденсаторов, включенных в цепь статора или ротора или одновременно в первичную и вторичную цепи;
б) посредством вентильных преобразователей с естественной и искусственной коммутацией вентилей.
Независимое возбуждение может осуществляться от внешнего источника переменного напряжения.
По характеру частоты самовозбуждающиеся генераторы разделяются на две группы. К первой из них относятся источники практически постоянной (или постоянной) частоты, ко второй переменной (регулируемой) частоты. Последние применяются для питания асинхронных двигателей с плавным изменением частоты вращения.
Более подробно рассмотреть принцип работы и конструктивные особенности асинхронных генераторов планируется рассмотреть в отдельных публикациях.
Асинхронные генераторы не требуют в конструкции сложных узлов для организации возбуждения постоянным током или применения дорогостоящих материалов с большим запасом магнитной энергии, поэтому находят широкое применение у пользователей передвижных электроустановок по причине своей простоты и неприхотливости в обслуживании. Используются для питания устройств, не требующих жёсткой привязки к частоте тока.
Техническим достоинством асинхронных генераторов можно признать их устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям.
С некоторой информацией по мобильным генераторным установкам можно ознакомиться на странице:
Дизель-генераторы.
Асинхронный генератор. Характеристики.
Асинхронный генератор. Стабилизация.
Замечания и предложения принимаются и приветствуются!