Меню

Принципы работы синхронного генератора переменного тока

Синхронный генератор: устройство, виды и применение

  1. История создания
  2. Устройство и назначение
  3. Характеристики
  4. Принцип действия
  5. Виды
  6. Область применения
  7. Как выбрать?
  8. Эксплуатация

Синхронный генератор – специальное устройство, посредством которого удается преобразовать любую энергию в электрическую. В роли таких устройств выступают мобильные станции, термические или солнечные батареи, специальная техника. В зависимости от вида генератора определяется возможность его использования, поэтому стоит подробнее разобраться с тем, что представляет собой устройство.

История создания

В конце XIX века компания Роберта Боша впервые разработала нечто похожее на генератор. Устройство было способно зажечь двигатель. В процессе испытаний было выявлено, что машина не подходит для постоянного использования, однако разработчики смогли усовершенствовать аппарата.

В 1890 году фирма практически полностью перешла на производство данного оборудования, так как оно приобрело большую популярность. В 1902 ученик Боша создал зажигание, задействуя высокое напряжение. Устройство было способно добыть искру между двумя электродами свечи, что сделало систему более универсальной.

Начало 60-х годов XX века стало эпохой распространения генераторов по всему миру. И если раньше устройства были востребованы только в автомобилестроении, то сейчас подобные агрегаты способны обеспечить электроэнергией целые дома.

Устройство и назначение

Конструкция подобных агрегатов задействует только два главных элемента:

  • ротор;
  • статор.

При этом на валу ротора предусмотрены дополнительные элементы. Это могут быть магниты или обмотка возбуждения. У магнитов зубчатая форма, полюса для получения и передачи тока направлены в разные стороны.

Главная задача генератора заключается в преобразовании одного вида энергии в электрическую. С его помощью удается обеспечить необходимым количеством тока зависимые устройства, чтобы можно было ими воспользоваться.

Характеристики

Чтобы оценить работоспособность генератора, необходимо посмотреть на его характеристики. В принципе они такие же, как у станции, вырабатывающей постоянный ток. Главными параметрами оценки являются несколько факторов.

  • Холостой ход. Представляет собой зависимость ЭДС от силы движущихся токов, отвечающих за возбуждение демпферной катушки. С его помощью удается определить способность цепей намагнититься.
  • Внешняя характеристика. Подразумевает параллельную связь между напряжением катушки и нагрузочным током. Величина зависит от типа прикладываемой к устройству нагрузки. Среди причин, способных вызвать изменения, выделяют увеличение или уменьшение ЭДС агрегата, а также падение напряжения на обмотках установленной катушки, которая помещена внутрь устройства.
  • Регулировка. Представляет зависимость, которая образуется между токами возбуждения и нагрузочным током. Обеспечение работоспособности и защиты синхронных агрегатов достигается за счет отслеживания данного показателя. Достичь этого несложно, если постоянно проводить настройку ЭДС.

Еще один важный параметр – это мощность. Определить значение можно посредством показателей ЭДС, напряжения и углового сопротивления.

Принцип действия

С принципом работы устройства разобраться не так уж сложно. Он заключается во вращении магнитной рамки с целью создания электрического поля. В процессе вращения рамки возникают магнитные линии, начинающие пересекать ее контур. Пересечение способствует образованию электрического тока.

Чтобы определить, куда движутся потоки электрической энергии, необходимо воспользоваться правилом буравчика. При этом стоит отметить, что на некоторых участках движение тока противоположное. Направления постоянно меняются при достижении очередного полюса, который расположен на магните. Такое явление называется переменным током, и доказать это условие способно подключение рамки к отдельному магнитному кольцу.

Зависимость между величиной тока в рамке и скоростью вращения ротора системы пропорциональная. Таким образом, чем сильнее будет вращаться рамка, тем больше электричества сможет поставить генератор. Такой показатель характеризуется частотой вращения.

Согласно установленным нормам, оптимальный показатель частоты вращения в большинстве стран не должен превышать 50 Гц. Это значит, что ротор должен выполнять 50 колебаний в секунду. Для вычисления параметра необходимо условиться, что один поворот рамки приводит к изменению направления тока.

Если вал успевает повернуться 1 раз за секунду, это означает, что частота электрического тока составляет 1 Гц. Таким образом, для достижения показателя в 50 Гц потребуется обеспечить правильное количество вращений рамки за секунду.

В процессе эксплуатации нередко происходит возрастание числа полюсов электромагнита. Их удается задержать посредством уменьшения скорости, с которой вращается ротор.

Зависимость в этом случае обратно пропорциональная. Таким образом, чтобы обеспечить частоту в 50 Гц, потребуется снизить скорость примерно в 2 раза.

Дополнительно стоит отметить, что в некоторых странах установлены другие нормы вращения ротора. Стандартным показателем частоты является показатель в 60 Гц.

Сегодня производители выпускают несколько видов синхронных генераторов. Среди существующих классификаций особого внимания заслуживают несколько. В первую очередь стоит рассмотреть деление агрегатов по конструктивному устройству. Генераторы бывают двух видов.

  • Бесщеточный. Конструкция электрогенератора подразумевает использование обмоток статора. Они размещены так, чтобы сердечники элементов совпадали с направлением либо магнитных полюсов, либо сердечников, которые предусмотрены на катушке. Максимальное количество зубьев магнита не должно превышать 6 штук.

  • Синхронный, оборудованный индуктором. Если речь идет о регулировочных машинах, работающих на небольшой мощности, то в качестве ротора используют магниты постоянного тока. В противном случае ротором является обмотка индуктора.

Следующая классификация подразумевает деление мобильных станций на отдельные виды.

  • Гидрогенераторы. Отличительная черта устройства – ротор с выраженными полюсами. Такие агрегаты используют для производства электроэнергии там, где нет необходимости в обеспечении большого количества оборотов устройства.

  • Турбогенераторы. Отличие – отсутствие выраженных полюсов. Устройство собирают из различных турбин, оно способно в несколько раз повысить количество оборотов ротора.

  • Синхронные компенсаторы. Используется для достижения реактивной мощности – важного показателя на промышленных объектах. С его помощью удается повысить качество подаваемого тока и стабилизировать показатели напряжения.

Выделяют несколько распространенных моделей подобных устройств.

  • Шаговые. Их используют для обеспечения работоспособности приводов, установленных в механизмах, которые имеют цикл работы старт-стоп.

  • Безредукторные. В основном используются в автономных системах.

  • Бесконтактные. Востребованы в качестве основных или резервных мобильных станций на судах.

  • Гистерезисные. Такие генераторы задействуют для счетчиков времени.

  • Индукторные. Обеспечивают работу электроустановок.

Еще один вид деления агрегатов – тип используемого ротора. В этой категории генераторы делятся на устройства с явнополюсным ротором и неявнополюсным.

Первые представляют собой устройства, в которых четко просматриваются полюса. Они отличаются небольшой скоростью вращения ротора. Вторая категория имеет в своей конструкции цилиндрический ротор, у которого отсутствуют выступающие полюса.

Область применения

Синхронные генераторы – устройства, предназначенные для добычи переменного тока. Встретить такие устройства можно на различных станциях:

  • атомных;
  • тепловых;
  • гидроэлектростанциях.

А также агрегаты активно используются в транспортных системах. Их применяют в различных автомобилях, в судовых системах. Синхронный генератор способен работать как в автономном режиме, отдельно от электрической сети, так и одновременно с ней. При этом удается подключить сразу несколько агрегатов.

Преимуществом станций, вырабатывающих переменный ток, является возможность обеспечить выделенное пространство электроэнергией. Удобно, если объект находится далеко от центральной сети. Поэтому агрегаты пользуются спросом у владельцев ферм, отдаленных от города населенных пунктов.

Как выбрать?

При выборе генератора важно найти подходящее и надежное устройство, которое сможет обеспечить электроэнергией отведенную площадь. Для начала необходимо определиться с техническими параметрами будущего устройства. Специалисты советуют обратить внимание на:

  • массу электрогенератора;
  • габариты устройства;
  • мощность;
  • расход топлива;
  • показатель шума;
  • продолжительность работы.

А также важным параметром является возможность организации автоматической работы. Чтобы понять, сколько фаз требуется будущему генератору, необходимо определиться с типом и количеством электроприборов, которые будут к нему подключаться.

Например, к однофазному электрогенератору могут подключиться только потребители с одной фазой. Трехфазная заметно расширяет этот показатель.

Однако не всегда покупка подобной мобильной электростанции становится лучшим решением.

Перед покупкой дополнительно рекомендуется учесть нагрузку, которая будет оказана на устройство во время его работы. На каждую фазу должна приходиться нагрузка максимум в 30% от общего количества. Таким образом, если мощность генератора составляет 6 кВт, то в случае использования розеток с напряжением в 220 В удастся задействовать только 2 кВт.

Покупка трехфазного генератора востребована только тогда, когда в доме много трехфазных потребителей. Если большинство приборов однофазные, лучше приобрести соответствующий агрегат.

Эксплуатация

Перед запуском электрогенератора необходимо сначала провести его регулировку. В первую очередь настраивают частоту работы устройства. Сделать это можно двумя способами:

  1. поменять конструкцию агрегата, заранее предусмотрев, какое количество полюсов необходимо для работы электромагнита;
  2. обеспечить требуемую частоту вращения вала без каких-либо изменений в конструкции.
Читайте также:  Что такое электрический ток краткий ответ

Яркий пример – тихоходные турбины. Они обеспечивают вращение ротора в 150 оборотов в минуту. Для настройки частоты используют первый способ, увеличивая количество полюсов до 40 штук.

Следующим параметром, который необходимо настроить, является ЭДС. Возникает необходимость регулировки из-за изменений характеристик поступающих нагрузок, действующих на мобильную станцию.

Несмотря на то что ЭДС индукции устройства связана с ротором и его вращениями, из-за требований безопасности нельзя разбирать конструкцию, чтобы поменять параметр.

Изменить величину ЭДС можно посредством регулировки образующегося магнитного потока. Его необходимо будет увеличить или уменьшить. За величину показателя отвечают витки обмотки, а точнее, их количество. А также повлиять на мощность магнитного потока можно посредством тока, который образует катушка.

Наладка подразумевает включение в цепь нескольких катушек. Для этого необходимо воспользоваться дополнительными реостатами или электронными схемами. Второй вариант требует настройки параметра за счет внешних стабилизаторов. Это обеспечивает надежное обслуживание.

Преимущество синхронной мобильной станции – это возможность синхронизации с другими электромашинами подобного типа. При этом во время подключения удается сопоставить скорости вращения и обеспечить нулевой фазовый сдвиг. В связи с этим мобильные электростанции востребованы в промышленной энергетике, где очень удобно их использовать в качестве резервного источника тока для повышения производственных мощностей в случае больших нагрузок.

О синхронном и асинхронном генераторе смотрите далее.

Источник

Принцип работы синхронного генератора

Электрогенератор (альтернатор) электротока переменного типа предназначается для процедуры преобразования кинетической и потенциальной энергии в электроэнергию. Ротор такой машины приводится в движение, а именно вращается, от двигателя первичного типа, в роли которого могут выступать ДВС (топливные двигатели), электродвигатели, турбины.

Внешний вид производственной синхронной генерирующей машины переменного тока модели СГС-14-100-6

Если альтернатор переменного тока характеризуется тем, что частота вращения его ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля, то такие машины называются синхронными. Произвести расчет частоты вращения можно по формуле:

  • f – частота тока в электросети;
  • p – количество пар статорных полюсов.

Часто многие неосведомленные в области электроустановок люди задаются вопросом о том, какой принцип работы синхронного генератора.

Принцип работы СГ

Конструкция генерирующей машины переменного тока достаточна проста. Статор и ротор – это основные компоненты синхронного генератора (СГ).

Принцип действия синхронного генератора на основе взаимодействия магнитных полей статора и ротора

Синхронный альтернатор, в основном, вырабатывает электроэнергию тогда, когда ротор синхронного генератора движется по кругу вместе с магнитным полем, линии которого встречаются в неподвижной обмотке статора. Поле образуется посредством возбуждения дополнительным устройством, например:

  • вспомогательным генератором;
  • аккумулятором;
  • разнообразными энергетическими преобразователями;
  • и другими энергоисточниками.

Стоит отметить, что процесс преобразования энергий в СГ может происходить и по-другому – вращающееся части проводникового элемента могут располагаться в обездвиженном магнитном поле. В этом случае возникает трудность токосъема через щеточно-коллекторный узел электрической машины, какой соединяет ротор с цепями ее неподвижной части. Для генераторных машин невысокой мощности подобная схема может успешно применяться. Зачастую она встречается в установках передвижного типа.

В рассматриваемом генераторе продуцируется электродвижущая сила (ЭДС), расчет которой совершается по формуле:

  • π – константа;
  • B – индукция магнитного поля;
  • l – длина паза статорного элемента;
  • w – число витков в обмотке статорного компонента;
  • Dn – диаметр статора внутри.

Электроэнергетика с такими устройствами построена, в основном, на электронапряжении в диапазоне 15 000-40 000 В. Энергообмен через коллектор альтернатора затруднителен. К тому же обмоточная катушка подвижного типа подвергается ударным нагрузкам большой силы и вращательным движениям с попеременной скоростью, что формирует проблематику с изоляционной составляющей. По этой причине якорные элементы производят обездвиженными, так как именно через них пропускается основная масса энергии.

Мощность устройства-возбудителя обычно не превосходит 4-5% от совокупной производительной мощности синхронного генератора – это дает возможность пропускать электроток через динамический узел.

Для информации. В механизмах переменного тока малой мощности (до нескольких кВт) роторный элемент изготавливается с магнитными деталями постоянного типа (ферритовыми, неодимовыми, полимерными магнитопластами и другими). В них не нужно устанавливать подвижные контакты, однако из-за этого существуют трудности с регулировкой выходного напряжения.

Устройство СГ

Статор СГ имеет почти такое же устройство и принцип функционирования, как и у асинхронного варианта. Его железные компоненты компилируются из стальных пластин (сталь применяется электротехнического назначения), которые отделаются друг от друга слоями изоляции. Обмотка переменного электротока располагается в его пазах. Провода обмоток отделяются друг от друга изолирующим слоем и закрепляются надежно, так как через них вводится нагрузка. Ротор может исполняться без выпирающих полюсов либо с ярко выраженными полюсами.

На заметку. Наибольшую популярность имеет трехфазный синхронный генератор, применяемый во многих областях жизнедеятельности человека и предприятий. Однофазные варианты обычно применяется в быту.

Основные типы СГ: а – с ротором, у которого выступают полюса; б – с не явно полюсным ротором

Синхронные генераторы с явно полюсным ротором производятся для тихоходных машин, к примеру, для установок с гидротурбинами. А СГ с не явно полюсными роторами подходят для механизмов переменного тока, вращающихся с высокой скоростью.

Синхронные генерирующие устройства могут работать в двух режимах: двигательном либо генерирующем переменный электроток. Здесь важно то, какой метод охлаждения применяется, так как генерация чего-либо всегда более требовательна. В основном, на вал монтируются крыльчатки, какие охлаждают ротор с двух сторон воздухом, проходящем через фильтрующий элемент. Потоки воздуха в такой системе охлаждения вращаются одни и те же. При работе СГ в усиленном режиме подобная система нежелательна.

Важно! Эффективнее при высоких нагрузках применять в качестве охлаждающего агента водород, какой более чем в 14 раз легче воздуха.

Внутреннее устройство СГ переменного тока

Обмотки рассматриваемого генератора отводятся концами на его распредкоробку. Трёхфазная машина имеет иное соединение обмотки – отвод совершается звездой или треугольником.

Преимущественно все синхронные генерирующие устройства поддерживают синусоидальное переменное электронапряжение. Этого можно достичь посредством изменения формы наконечников на полюсах и особым месторасположением витков в пазах не явно полюсного ротора.

Реакция якоря

В обмотках статорного элемента при присоединении выхода с наружной нагрузкой начинает протекать электроток. Образующееся при этом силовое магнитное поле совмещается с полем, что формируется роторным элементом. Такое взаимодействие полей именуется реакцией якоря.

Реакция якоря в СГ при разнородных видах нагрузки

При активной нагрузке электроток и ЭДС имеют одни и те же фазы. Предельная сила электротока проявляется в тот момент, когда полюса роторного элемента находятся на противоположной стороне от якорных обмоток. Главный магнитный поток и второстепенный поток, который формируется во время реакции якоря, перпендикулярны друг другу, а при сопоставлении формируют увеличенный итоговый поток, что увеличивает в тот момент ЭДС.

Нагрузка индуктивного вида, имея потоки, направленные навстречу друг к другу, наоборот, приводит к значительному снижению электродвижущей силы.

Нагрузка емкостного типа вызывает совмещение потоков, движущихся в одну сторону, итог – увеличение ЭДС.

Любое повышение нагрузки увеличивает влияние реакции якоря на выходное электронапряжение, которое из-за этого изменяется в ту или иную сторону, что крайне нежелательно в электросетях. Практично такой процесс можно контролировать: просто изменять возбудитель, что снизит уровень влияния реакции якоря на главное силовое поле.

Режимы работы СГ

Нормальный режим работы СГ можно охарактеризовать любым числом рабочих периодов, какой угодно длительности, при которых главные параметры не выходят за диапазон допустимых значений. При таком режиме работы допустимы отклонения электронапряжения на выходе и частоты в пределах 4-5% и 2,5% от номинального значения, коэффициентов мощности и тому подобные. Допуски на отклонения задаются нормативными документами и определяются нагревом машин либо же гарантируются фирмой-производителем.

Бытовой топливный синхронный генератор отечественного производства, модель «Интерскол ЭБ-5500» на 5,5 кВт

Нормальные рабочие режимы недопустимы для долгого функционирования устройства при таких обстоятельствах, как перевозбуждение или недовозбуждение, переход в режимы асинхронного типа, перегрузки. На возникновение таких обстоятельств влияют следующие отклонения в электросети:

  • неравномерность фазной загрузки;
  • короткое замыкание;
  • нагрузки попеременного действия.

Стоит отметить, что на нормальное функционирование механизма воздействует подключенная к нему электросеть, в которой любые нарушения работоспособности отдельно взятых источников потребления вызывают искажение формы и несимметрию электросигнала.

Диаграмма мощностей СГ

Важно! Длительная работа генерирующего энергию устройства допустима при разнице токов на фазах турбогенератора до 10% и водяных генераторов, синхронных компенсирующих машин до 15-20%.

Искривление синусоиды на СГ может случаться из-за высокомощных преобразователей, выпрямляющих устройств и прочих.

Необходимо учесть, что нормальное функционирование синхронных устройств возможно только при качественной работе охлаждающей системы. Так, при затратах охлаждающего агента в объеме более 70% от номинального значения, должна срабатывать предупреждающая сигнализация о том, что устройство нужно отключить от сети, в противном случае может произойти выход оборудования из строя. Когда расход охлаждающего агента уменьшается на 50%, то устройство должно разгрузиться порядка двух минут, после чего отключиться за максимум четыре минуты.

Читайте также:  Трехфазный ток типы нагрузок

Характерные черты СГ

СГ обладают нижеследующими характерными чертами:

  • при нулевой нагрузке (холостом ходе), когда якорная обмотка находится в не замкнутом виде, задается зависимость электродвижущей силы от электротоков возбуждения, а также устанавливается значение уровня намагничивания сердечников генератора;
  • выходное электронапряжение зависит от нагрузочных электротоков – этот признак является внешней характеристикой СГ;
  • регулировочные характеристики синхронной машины проявляются в зависимости возбуждающих электротоков от нагрузочных аналогов при поддерживании установленных параметров на выходе в автоматическом режиме.

Синхронные генераторы нашли широкое применение в промышленности и энергообеспечении, так как имеют простую конструкцию, понятный принцип работы и могут выдерживать кратковременные перегрузки.

Для правильной эксплуатации и проведения ремонтных работ над СГ переменного тока необходимо знать их принцип работы (одинаковое по частоте вращение ротора и магнитного поля) и устройство. Эти знания пригодятся инженерам производственных предприятий и специалистам в области энергетики, а также обычным людям, которые используют подобную технику в бытовых целях.

Видео

Источник

Принцип работы и устройство синхронного генератора переменного тока

Электричество – единственный вид энергии, которую легко можно передать на большие расстояния, а затем преобразовать её в механическую, тепловую или превратить в световое излучение. Саму же электроэнергию также можно получить разными способами: химическим, тепловым, механическим, фотоэлектрическим и др. Но именно механический способ, который основан на применении генераторов, оказался самым эффективным. Среди этих источников электроэнергии широкое применение нашёл синхронный генератор переменного тока.

Практически вся электроэнергия, используемая в быту и на производстве, вырабатывается генераторами этого типа. Они заслуживают того, чтобы более подробно рассмотреть их устройство и разобраться в принципе работы этих удивительных синхронных машин.

Устройство

В конструкции синхронных генераторов используются две основные рабочие детали – вращающийся ротор и неподвижный статор. На валу ротора располагаются постоянные магниты либо обмотки возбуждения. Магниты имеют зубчатую форму, с противоположно направленными полюсами.

Бесщёточные генераторы.

Обмотки статора размещают таким образом, чтобы их сердечники совпадали с выступами магнитных полюсов ротора, или с сердечниками катушек ротора. Количество зубцов магнита, обычно, не превышает 6. При такой конструкции вырабатываемый ток снимается непосредственно с обмоток статоров. Другими словами, статор выступает в роли якоря.

В принципе, постоянные магниты можно расположить на статоре, а рабочие обмотки, в которых будет индуцироваться ЭДС, — на роторе. Работоспособность генератора от этого не изменится, однако потребуются кольца и щётки для снятия напряжения с обмоток якоря, а это, чаще всего, не рационально.

Схематическое изображение бесщеточного генератора без обмоток возбуждения изображено на рис. 1.

Модель генератора с магнитным ротором

Рис. 1. Модель генератора с магнитным ротором

Пояснение:

  • схема устройства;
  • схема расположения магнитных полюсов на якоре. Здесь буквами NS обозначено коаксиальный магнит с полюсами, а литерой R – стальной магнитопровод ротора в виде когтеобразных наконечников.
  • модель генератора в разрезе. Выводы фазных обмоток статора соединены «звездой».

Синхронные машины с индукторами.

Заметим, что постоянные магниты в качестве ротора используются в альтернаторах небольшой мощности. В мощных электрических машинах всегда применяются обмотки индуктора с независимым возбуждением. Независимым источником питания является маломощный генератор постоянного тока, смонтированный на валу синхронного двигателя.

Существуют конструкции синхронных генераторов малой и средней мощности, с самовозбуждающимися обмотками. Для возбуждения индуктора выпрямленный ток фазных обмоток подаётся через щётки на кольца, расположенные на валу статора. Строение такого альтернатора показано на рис. 2.

Строение синхронного генератора средней мощности

Рис. 2. Строение синхронного генератора средней мощности

Обратите внимание на наличие щёток, на которые подаётся питания от независимого источника.

По количеству фаз синхронные генераторы делятся на:

  • однофазные;
  • двухфазные;
  • трёхфазные.

По конструкции ротора можно выделить генераторы с явновыраженными полюсами и с неявновыраженными. В неявнополюсном роторе отсутствуют выступы, а катушки провода якоря спрятаны в пазы статора.

По способу соединения фазных обмоток различают трёхфазные генераторы:

  • соединённые по шестипроводной системе Тесла (не нашли практического применения);
  • «звезда»;
  • «треугольник»;
  • сочетание шести обмоток, соединённых в виде одной «звезды» и «треугольника». Это соединение ещё называют «Славянка».

Самое распространённое соединение – «звезда» с нейтральным проводом.

Принцип работы

Рассмотрим принцип генерации тока на примере контурной рамки, помещённой между магнитными полюсами. (Рис. 3)

Рис. 3. Схема, объясняющая принцип работы генератора

Если заставить рамку вращаться (по направлению стрелок), то она будет пересекать магнитные силовые линии. При этом, по закону электромагнитной индукции, в рамке индуцируется электрический ток, который проявляется при подключении нагрузки к щёткам. Его направление можно определить по правилу буравчика. На схеме направление тока показано чёрными стрелками.

Обратите внимание на то, что на участках рамки ab и cd ток движется в противоположных направлениях. Эти направления меняются при переходе участков рамки от одного полюса к другому полюсу магнита. Если каждый вывод рамки подключить к отдельному кольцу (на рисунке они подключены к коллектору!), то на выходе мы получим переменный ток.

Величина тока пропорциональна скорости вращения ротора. Кроме того, переменный ток характеризуется ещё одним параметром – частотой. Эта величина напрямую зависит от частоты вращения вала.

Частота тока в электросетях строго соблюдается. В России и в ряде других стран она составляет 50 Гц, то есть 50 колебаний в секунду.

Этот параметр довольно легко вычислить из таких соображений: за один оборот рамки (или двухполюсного магнита) происходит одно изменение направления тока. Если вал синхронного генератора делает 1 оборот в секунду, то частота переменного тока составит 1 Гц. Для получения частоты 50 Гц необходимо обеспечить 50 оборотов статора в секунду или 3000 об./мин.

При возрастании числа полюсов заданная частота удерживается путём снижения скорости вращения статора. (обратно пропорциональная зависимость). Так, для четерёхполюсного статора (число полюсов в два раза больше) для поддержания частоты 50 Гц скорость вращения вала необходимо снизить в два раза. Соответственно если используется 6 полюсов, то частота вращения вала должна уменьшиться в три раза – до 1000 об./мин.

Заметим, что в некоторых странах, таких как США, Япония и др. существуют другие стандарты – 60 Гц, а переменный 400 Гц используется, например, в бортовой сети современных самолётов.

Регулирование частоты

Достигнуть требуемых параметров частоты можно 2 путями:

  1. Сконструировать генератор с определённым количеством полюсов электромагнитов.
  2. Обеспечить соответствующую расчётную частоту вращения вала.

Например, в тихоходных гидротурбинах, вращающихся со скоростью 150 об./мин. для регулирования частоты число полюсов синхронных генераторов увеличивают до 40. На дизельных электростанциях, при скоростях вращения 750 об./мин., оптимальное число полюсов – 8.

Регулирование ЭДС

В связи с изменениями параметров активных нагрузок возникает необходимость в выравнивании номинальных напряжений. Несмотря на то, что ЭДС индукции синхронного генератора связана со скоростью вращения ротора, однако, из-за требований по соблюдению стабильной частоты, этим способом нельзя изменять указанный параметр. Но параметры магнитной индукции можно изменить путём снижения или увеличения магнитного потока, который зависит от количества витков обмотки индуктора и величины тока возбуждения.

Регулирование осуществляется путём включения в цепь катушек возбуждения дополнительных реостатов, электронных схем или регулировкой тока генератора-возбудителя (Рис. 4). В случае использования альтернаторов с постоянными магнитами, в таких устройствах напряжение регулируется внешними стабилизаторами.

Схема регулировки напряжения

Рис. 4. Схема регулировки напряжения

Благодаря малому весу и отличным токовым характеристикам синхронные генераторы переменного тока нашли применение во всех современных автомобилях. Поскольку бортовая сеть авто использует постоянный ток, конструкции автомобильных генераторов оборудованы трехфазным выпрямителем. Для выпрямляемых переменных токов частота не имеет значения, а вот напряжение должно быть стабильно. Этого добиваются с помощью внешних электронных устройств. На рисунке 5 представлена электрическая схема подключения генератора к бортовой сети современного автомобиля.

Схема подключения генератора к бортовой сети авто

Рис. 5. Схема подключения генератора к бортовой сети авто

Применение

У синхронных генераторов переменного тока есть одна важная особенность: они поддаются синхронизации с другими подобными электрическими машинами. При этом синхронные скорости и ЭДС параллельно включенных альтернаторов совпадают, а фазовый сдвиг равен нулю. Данное обстоятельство позволяет применять устройства в промышленной энергетике и подключать резервные генераторы при превышении номинальных мощностей в часы пиковых нагрузок.

Читайте также:  Экспресс зарядка постоянного тока

Трёхфазные тяговые генераторы применяют на тепловозах. Переменные токи для питания двигателей выпрямляются полупроводниковыми устройствами. Сегодня в России уже выпускаются тепловозы на базе асинхронных электродвигателей, не требующих выпрямления тока. В режиме торможения они работают в качестве асинхронных генераторов.

Синхронные генераторы устанавливают на гибридных автомобилях с целью совмещения тяги ДВС и мощности тяговых электродвигателей. Развивая активную мощность при номинальных нагрузках, они позволяют экономить дорогое топливо.

Существует много других сфер применения. Например, мобильные мини-электростанции, бытовые генераторы тока, как однофазный двигатель и т. п.

Источник



Принцип работы синхронного генератора

Генератор (альтернатор) переменного тока предназначен для того, чтобы преобразовывать механическую энергию в электрическую. Его ротор вращается от первичного двигателя, в качестве которого может служить турбина, ДВС, электродвигатель.

Генератор

Как выглядит синхронный генератор

К синхронным машинам относятся те, у которых ротор имеет одинаковую частоту вращения с магнитным полем:

f – частота сети;

p – количество пар полюсов статора.

Принцип работы

Статор и ротор – главные составные части синхронного генератора (СГ).

Статор

Принцип действия синхронного генератора

Как изображено на рисунке, синхронный генератор чаще всего вырабатывает энергию, когда ротор вращается вместе с магнитным полем, линии которого пересекают статорную обмотку, расположенную неподвижно. Поле создаётся от дополнительного возбудителя (дополнительного генератора, аккумулятора и др. источников).

Процесс может происходить наоборот – вращающийся проводник находится в неподвижном магнитном поле. Здесь появляется проблема токосъёма через коллекторный узел. Для генераторов переменного тока небольшой мощности эта схема вполне подходит. Обычно она применяется в передвижных установках.

В СГ вырабатывается ЭДС:

B – магнитная индукция;

l – длина паза статора;

w – количество витков в статорной обмотке;

D – внутренний диаметр статора.

Основная электроэнергетика построена на напряжении 15-40 кВ. Передача энергии через коллектор СГ затруднительна. К тому же подвижная обмотка подвержена ударным нагрузкам и вращению с переменной скоростью, что создаёт проблемы с изоляцией. Из-за этого, обмотки якоря делают неподвижными, поскольку через них проходит основная энергия. Мощность возбудителя не превышает 5% от общей мощности СГ. Это позволяет проводить ток через подвижный узел.

В машинах переменного тока небольшой мощности (несколько киловатт) ротор изготавливают с постоянными магнитами (неодимовыми и др.). Здесь не требуется установка подвижных контактов, но тогда возникают сложности с регулированием напряжения на выходе.

Устройство генератора

Статор имеет общий принцип действия с асинхронником и мало отличается от него. Его железо собирается из пластин электротехнической стали, разделённых изолирующими слоями. В пазах размещается обмотка переменного тока. Наиболее распространён трёхфазный синхронный генератор. Провода обмоток надёжно крепятся и изолируются, поскольку через них подключается нагрузка.

Ротор выполняется с явно выраженными полюсами или без выступающих полюсов.

Полюс

Виды полюсов синхронного генератора: а) – выступающие; б – неявно выраженные

Первые делаются для тихоходных машин, например, с гидравлическими турбинами. Для вращающихся с большой скоростью генераторов переменного тока принцип действия заключается в применении более прочных неявно выраженных полюсов.

СГ может работать в режимах двигателя или генератора переменного тока. Важно, какой здесь применяется способ охлаждения. Обычно на валу устанавливаются крыльчатки, охлаждающие ротор с обеих сторон. Воздух перед вентиляцией проходит через фильтр. В замкнутой системе циркулирует один и тот же воздух, проходя через теплообменники.

Более эффективным охлаждающим агентом является водород, в 14,5 раз более лёгкий, чем воздух. Принцип охлаждения у него аналогичный.

Обмотки генератора переменного тока выводятся концами на его распределительную коробку. Для трёхфазных – соединение производится в звезду или в треугольник.

Синхронный генератор преимущественно обеспечивает поддерживание синусоидального переменного напряжения. Это достигается изменением формы полюсных наконечников, а неявнополюсный ротор имеет определённое расположение витков в его пазах.

Реакция якоря

При соединении выхода с внешней нагрузкой в обмотках статора протекает электрический ток. Образующееся магнитное поле накладывается на поле, которое создаёт ротор.

Якорь

Реакция якоря при разных видах нагрузки

При активной нагрузке ток и ЭДС совпадают по фазам (изображено на рисунке выше – а). Он становится максимальным, если полюса ротора располагаются напротив якорных обмоток. Основной магнитный поток и образующийся от реакции якоря перпендикулярны и при наложении образуют несколько больший результирующий поток, увеличивающий ЭДС.

Индуктивная нагрузка приводит к снижению ЭДС, поскольку потоки направлены встречно (изображено на рисунке выше – б).

Ёмкостная нагрузка вызывает совпадение направлений потоков, в результате чего ЭДС увеличивается.

Увеличение нагрузки приводит к большей реакции якоря, приводящей к изменению выходного напряжения, что нежелательно. На практике этот процесс управляется изменением возбуждения, что снижает степень воздействия реакции якоря на основное поле.

Режимы работы СГ

Нормальные режимы работы характеризуются сколько угодно длительными периодами времени. В их число входят отклонения коэффициентов мощности, выходного напряжения до 5% и частоты до 2,5% от номиналов и т. п. Допуски на отклонения определяются нагревом агрегатов и задаются стандартами или гарантируются производителями.

А нормальные режимы функционирования неприемлемы для продолжительной работы и связаны с появлением перегрузок, с недовозбуждением, переходами в асинхронные режимы. Этот режим работы связан с отклонениями в сети: короткими замыканиями, нагрузками переменного действия, неравномерностью загрузки фаз.

На нормально работающее устройство оказывает влияние подключённая сеть, где нарушения функционирования отдельных потребителей вызывают несимметрию и искажения формы сигнала. Из-за этого могут перегреваться обмотки или конструкция генератора.

Продолжительная работа генератора возможна при различии фазных токов на турбогенераторах до 10% и до 20% на синхронных компенсаторах и гидрогенераторах.

Искажение синусоиды на СГ происходит из-за мощных выпрямителей, преобразователей, электротранспорта и т. д.

Важно для синхронных машин, чтобы нормально работала система охлаждения. Если затраты охлаждающей воды достигают 70% от номинала, срабатывает сигнализация предупреждения. Если расход охладителя снижается наполовину, устройство должно разгружаться за 2 мин, а затем отключаться не более чем за 4 мин.

Характеристики генератора:

  1. при холостом ходе, когда обмотка якоря не замкнута, устанавливается зависимость ЭДС от токов возбуждения, а также определяется показатель намагничивания сердечников машины;
  2. внешняя характеристика – зависимость выходного напряжения от нагрузочных токов;
  3. регулировочные характеристики, проявляющиеся в зависимости токов возбуждения от нагрузочных при автоматическом поддерживании заданных выходных параметров.

Виды генераторов

Генераторы отличаются способами возбуждения. В автономных установках на транспорте, в авиации, на судах применяется самовозбуждение за счёт остаточного намагничивания. Способ отличается надёжностью и удобством применения. Распространённым вариантом здесь является отбор энергии от статорной обмотки, которая проходит через понижающий трансформатор и полупроводниковый преобразователь ПП, в результате чего на обмотку возбуждения через коллектор поступает постоянный ток (изображено на рисунке ниже – а).

Схема

Принцип самовозбуждения синхронного генератора

Другая схема реализует самовозбуждение также путём подачи переменного тока со статорной обмотки через выпрямительный трансформатор ВТ и тиристор ТП в обмотку возбуждения ОВ (изображено на рисунке выше – б). Тиристором автоматически управляет регулятор возбуждения АРВ по сигналам от входа генератора СГ через трансформаторы напряжения ТН и тока ТТ. Блок защиты БЗ не допускает образования на обмотке возбуждения повышенного напряжения и перегрузочного тока.

Другая конструкция содержит дополнительную синхронную или асинхронную машину с возбуждением от статорных обмоток. На рисунке ниже изображена такая система СГ с обмоткой возбуждения ОВ и трёхфазной обмоткой статора. При этом ротор основного генератора имеет общий вал с якорными обмотками возбуждения ОВ1 и ОВ2 дополнительного подвозбудителя ПВ. Ток возбуждения регулируется реостатами r1 и r2. Устройство не уступает по быстродействию установкам с самовозбуждением, но конструкция у него более сложная, а габариты больше.

Схема

Система возбуждения с дополнительным генератором

Применяется также бесконтактная система возбуждения, где у СГ нет подвижных контактов для передачи энергии. Щётки с коллектором имеют только подвозбудитель ПВ, который питает пост

Схема

Бесконтактная система возбуждения синхронного генератора

оянным током обмотку I возбудителя В.

Видео. Синхронные машины

Можно отметить следующие современные направления в развитии технологии производства синхронных машин:

  • улучшение конструкций;
  • использование новых материалов, позволяющих уменьшить толщину изоляции и повысить мощность до 10%;
  • применения микропроцессоров для контроля состояния машин;
  • совершенствование режимов воздушного охлаждения.

Источник