Устройство и принцип работы синхронного генератора

Ротор (подвижная, вращающаяся часть машины) образует систему вращающихся электромагнитов, питаемых постоянным током от внешнего источника.

В синхронных машинах магнитное поле токов якорной обмотки и ротор вращаются с одинаковой скоростью (синхронно). Синхронные машины обратимы, т. е. они могут работать как генераторы и как двигатели. Однако наибольшее распространение они получили как генераторы переменного тока, которые устанавливают на всех современных электростанциях.

Генератор переменного тока был изобретен выдающимся русским электротехником П. Н. Яблочковым. Этот генератор был применен для питания электрических свечей и по принципу работы ничем не отличался от современных генераторов, являясь первым многофазным генератором. На его статоре были уложены изолированные друг от друга несколько обмоток, каждая из которых имела свою цепь с группой свечей.

В 1888 г. другой выдающийся русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский построил первый в мире трехфазный генератор мощностью около 3 кВА.

Синхронный генератор имеет две основные часик ротор и статор.

Ротор (подвижная, вращающаяся часть машины) образует систему вращающихся электромагнитов, питаемых постоянным током от внешнего источника.

По своей конструкции роторы различают явнополюсные (рис. 5-25, а) и неявнополюсные (рис. 5-25, б). Число пар полюсов ротора обусловлено скоростью его вращения. При частоте генерируемой ЭДС 50 Гц неявнополюсный ротор быстроходной машины—турбогенератора, вращающийся со скоростью

3000 об/мин, имеет одну пару полюсов, тогда как явнополюсный ротор тихоходного гидрогенератора (скорость вращения которого определяется высотой напора воды), вращающийся со скоростью от 50 до 750 об/мин, имеет число пар полюсов соответственно от 60 до 4.

Маломощные синхронные генераторы (до 100 кВА), как правило, имеют самовозбуждение: обмотка возбуждения питается выпрямленным током того же генератора (рис. 5-26). Цепь возбуждения образуют трансформаторы тока , включаемые в цепь нагрузки генератора, полупроводниковый выпрямитель ПВ, собираемый, например, по схеме трехфазного моста, и обмотка возбуждения генератора ОВ с регулировочным реостатом R.

Самовозбуждение генератора происходит следующим образом. В момент пуска генератора благодаря остаточной индукции в магнитной системе появляются слабые ЭДС и токи в рабочей обмотке генератора. Это приводит к появлению ЭДС во вторичных обмотках трансформаторов ТТ и небольшого тока в цепи возбуждения, усиливающего индукцию магнитного поля машины. ЭДС генератора возрастает до тех пор, пока магнитная система машины полностью не возбудится.

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.

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.

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.

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.

Быстроходными бывают, как правило, турбогенераторы. Количество пар магнитных полюсов у них равно единице. Чтобы такой генератор вырабатывал электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц, его необходимо вращать с частотой:

Система тиристорного самовозбуждения резервная (СТСР)

В схемах рис.5.1, 5.2, 5.3 благодаря наличию контактных колец на роторе можно использовать систему резервного возбуждения. В прежних системах использовался двухмашинный агрегат из асинхронного двигателя, соединенного с генератором постоянного тока. Асинхронный двигатель получал питание от шин собственных нужд и был общим для нескольких генераторов.

В современной системе тиристорного самовозбуждения резервной (СТСР) использован принцип тиристорного выпрямления от разделительного трансформатора, также присоединенного к системе собственных нужд станции.

Назначение этих систем – питание обмотки ротора синхронной машины в случаях, когда основная система вследствие неисправности или технического обслуживания выведена из работы. На электростанциях устанавливают одну резервную систему на группу генераторов. На многих станциях продолжают использовать двухмашинные агрегаты, питаемые от шин собственных нужд. Более совершенной является статическая система СТСР, представляющая собой мощный регулируемый источник постоянного тока. Система оснащена всеми необходимыми средствами защиты, управления и коммутации.

ЭДС синхронного генератора

Как было показано выше, величина наводимой в обмотке статора ЭДС количественно связана с числом витков обмотки и скорости изменения магнитного потока:

Переходя к действующим значениям, выражение ЭДС можно записать в виде:

где n — частота вращения ротора генератора, Ф — магнитный поток, c — постоянный коэффициент.

При подключении нагрузки напряжение на зажимах генератора в разной степени меняется. Так, увеличение активной нагрузки не оказывает заметного влияния на напряжение. В то же время индуктивная и емкостная нагрузки влияют на выходное напряжение генератора. В первом случае рост нагрузки размагничивает генератор и снижает напряжение, во втором происходит его подмагничивание и повышение напряжения. Такое явление называется реакцией якоря.

Для обеспечения стабильности выходного напряжения генератора необходимо регулировать магнитный поток. При его ослаблении машину надо подмагнитить, при увеличении — размагнитить. Делается это путем регулирования тока, подаваемого в обмотку возбуждения ротора генератора.

Электричество – вид энергии, который можно передавать на дальние расстояния, преобразовывать в механическую, тепловую энергию и трансформировать в световое излучение. Электроэнергию получают различными способами – химическим, тепловым, механическим, фотоэлектрическим.

Принцип работы синхронного электрогенератора

Основные этапы:

Трехфазный синхронный генератор может работать в режиме генератора или в режиме двигателя. В первом случае в СГ входящей является механическая энергия, а выходящей – электрическая. Во втором случае – входящей является электрическая энергия, а выходящей – механическая.

Разновидности синхронных генераторов

Конкретная область применения определяет, какой вид синхронного генератора купить.

Производители предлагают электрогенераторы:

Области применения синхронных трехфазных генераторов переменного тока

Важная особенность синхронного генератора – возможность синхронизации с другими подобными электрическими машинами. Это свойство позволяет использовать эти машины в промышленной энергетике и при повышении нагрузок в час пик подключать резервные агрегаты.

Трехфазные генераторы применяют на:

• тепловозах с выпрямлением переменного тока полупроводниковыми элементами и других транспортных системах;
• мощных гидро-, тепловых электростанциях, атомных станциях, передвижных электростанциях;
• гибридных автомобилях с целью совмещения тяги ДВС и мощности тяговых электродвигателей.

Синхронные трехфазные генераторы могут использоваться в качестве электромоторов с мощностью более 50 кВт. В этом режиме ротор соединяют с источником постоянного тока, а статор подключают к трехфазному кабелю.

В каких случаях необходимо купить и использовать синхронный генератор?

Синхронный генератор переменного тока выбирают в следующих случаях:

• Если предъявляются высокие требования к постоянству параметров напряжения и частоты тока.
• При высокой вероятности перегрузок в переходном режиме потребителей с реактивной мощностью.
• При вероятности перегрузок в рабочем режиме, когда к генератору подключаются потребители как с активной, так и с реактивной мощностью.

Преимущества использования синхронных генераторов

Плюсы трехфазных синхронных генераторов:

Современные электрические генераторы изготавливаются в соответствии с требованиями мировых стандартов качества и безопасности.

Чтобы преобразовать механическую энергию (двигателя внутреннего сгорания, ветрового двигателя, турбины) в электрическую энергию (постоянного или переменного тока), необходим генератор. Основные части генератора – неподвижный якорь (статор) и приводимый во вращение первичным двигателем с высоким постоянством числа оборотов индуктор (ротор) с питаемой постоянным током обмоткой возбуждения.

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.

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.

Устройство синхронного генератора

Статор СГ по устройству схож с устройством статора асинхронного двигателя. Сердечник статора, в пазах которого размещается обмотка, собран из спрессованных в виде пакета пластин электротехнической стали толщиной 1-2 мм, разделенных изолирующей пленкой лака толщиной 0,08-0,1 мм.

Синхронный генератор может вырабатывать переменный ток однофазный или, чаще всего, трехфазный. К обмотке статора подключается нагрузка.

Конструктивно полюсы статора могут быть выступающими (как в тихоходных СГ со скоростью вращения не выше 1000 об/мин, вращаемых гидротурбинами), либо же не выражаться явно (как в скоростных машинах).

Синхронный генератор обратим – он может не только вырабатывать переменный ток (режим генератора), но и совершать механическую работу (режим двигателя).

Для охлаждения ротора в конструкции СГ предусмотрены крыльчатки на общем с ротором валу. Прежде чем поступить в СГ для охлаждения обмоток, воздух пропускается через фильтр, если же система охлаждения замкнута, он дополнительно охлаждается в теплообменнике. В качестве охлаждающего агента, помимо воздуха, применяется и водород ввиду своей легкости.

Концы обмоток СГ выводятся на контактную колодку, что позволяет соединить обмотки трехфазного СГ по схеме звезды или треугольника.

При необходимости получения синусоидального напряжения на выходе к форме явно выраженных полюсных наконечников предъявляются определенные требования, либо необходимо (при неявно выраженных полюсах) расположить витки роторной обмотки по особому закону.

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.

Разделение по виду ротора

По роду прибора ротора устройство генератора подразделяется на:

• Явнополюсное – с выступающими либо с явно выраженными полюсами. Данные роторы применяются в генераторах с тихим ходом, у которых скорость вращения не превышает 1000 оборотов в минуту.
• Неявнополюсное – это ротор с формами цилиндра, у которого нет выступающих полюсов. Данные якоря бывают двухполюсными и четырехполюсными.

В первом случае ротор состоит из крестовины, на которой закрепляют сердечники полюсов или обмотки возбуждения. Во-втором – быстроходные агрегаты с числом оборотов 1500 либо 3000. Ротор сделан в виде цилиндра из стали довольно высокого качества с пазами, в них устанавливают обмотку возбуждения, состоящую из отдельных обмоток различной ширины.

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).

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.

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

Бесконтактная система возбуждения синхронного генератора

оянным током обмотку I возбудителя В.

Понятие «синхронный» означает, что число оборотов находится в прямой математической зависимости от частоты тока. Эта зависимость определяется по формуле n = 60*f/p, где:

Структуры возбуждения

Любые турбо-, гидро-, дизельные генераторы, синхронные компенсаторы, моторы, производимые на данный момент, оснащаются новейшими полупроводниковыми структурами, такими как возбуждение синхронных генераторов. В данных структурах применяется метод выпрямления трехфазных переменных токов возбудителей высокой или промышленной частоты либо напряжения возбуждаемого агрегата.

Устройство генератора таково, что структуры возбуждения могут обеспечить такие параметры работы агрегата, как:

• Первая стадия возбуждения, то есть начальная.
• Работа вхолостую.
• Подключение к сети способом точной синхронизации либо самосинхронизации.
• Работа в энергетической структуре с имеющимися нагрузками или перегрузками.
• Возбуждение синхронных приборов может быть форсировано по таким критериям, как напряжение и ток, имеющими заданную кратность.
• Электроторможение аппарата.

Основные конструктивные элементы

В конструкцию статора входит корпус, внутри которого расположен сердечник, или пакет, собираемый из листов электротехнической стали особой формы. На качество электрического тока влияют такие факторы как: цельность листов в пакете (бывают цельными или составными), качество и материал обмотки. Для обмотки применяется медный эмаль-провод, а в дешевых устройствах возможна замена меди на алюминий.

Роторы изготавливаются явнополюсными или неявнополюсными.

• Явнополюсные роторы предназначены для синхронных генераторов, работающих с двигателями внутреннего сгорания с низкой частотой вращения — 1500 и 3000 об/мин.
• Неявнополюсные роторы востребованы в высокоскоростных (более 3000 об/мин) механизмах переменного электрического тока высокой мощности. Обычно их размещают на одном валу с паровыми турбинами. Такие СГ называют «турбогенераторы».

В синхронном генераторе, работающем под нагрузкой, магнитное поле статора, накладываюсь на основное магнитное поле ротора, создаваемое обмоткой возбуждения, ослабляет или усиливает его. Воздействие намагничивающей силы якоря на магнитное поле возбуждения ротора генератора называется реакцией якоря.

Схема включения синхронного генератора показана на рис. 1.

Синхронный генератор работает следующим образом. Ротор генератора приводится во вращение первичным двигателем с номинальной скоростью, которая поддерживается постоянной при помощи автоматического регулятора скорости первичного двигателя. Генератор возбуждают, подавая ток возбуждения/в в обмотку ротора.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

В синхронном генераторе, работающем под нагрузкой, магнитное поле статора, накладываюсь на основное магнитное поле ротора, создаваемое обмоткой возбуждения, ослабляет или усиливает его. Воздействие намагничивающей силы якоря на магнитное поле возбуждения ротора генератора называется реакцией якоря.

Реакция якоря может быть поперечной или продольной. При поперечной реакции поле статора размагничивает набегающий край полюсов и намагничивает сбегающий край полюсов. Продольная реакция может быть продольно-размагничивающей или продольно-намагничивающей. В первом случае магнитный поток якоря направлен навстречу потоку полюсов вдоль их оси, во втором случае согласно потоку полюсов также вдоль их оси.

Реакция якоря зависит от характера нагрузки и оказывает большое влияние на работу синхронного генератора. При чисто активной нагрузке реакция якоря будет поперечной, а при чисто индуктивной и чисто емкостной нагрузках — соответственно продольно-размагничивающей и продольно-намагничивающей. Обыч-нЪ генераторы работают на смешанную нагрузку, чаще всего на индуктивную и активную.

Необходимость регулирования тока возбуждения вызывается частыми изменениями характера и величины нагрузки.

Независимое возбуждение может осуществляться от внешнего источника переменного напряжения.

Способы возбуждения синхронных генераторов

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.

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.

• статор – неподвижная деталь, состоящая из медных обмоток, уложенных в пазы вокруг сердечника, представляющего собой комплект пластин из мягкой стали. В однофазном генераторе – одна обмотка, в трехфазном − три;
• ротор – вращающаяся часть, включает механизм образования магнитного поля. В бытовых генераторах обычно применяется двухполюсный ротор. Обмотка соединяется с питающим ее блоком управления (AVR) посредством двух щеточных узлов. Ротор в совокупности с обмоткой составляют индуктор.

Режимы работы СГ

Требования пожарной безопасности к электроустановкам

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.

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.

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.

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.