Синхронный генератор: устройство, принцип работы, применение

Принцип работы и устройство синхронного генератора

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

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, 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)

f = pn

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).

Описание прибора

Устройство синхронного генератора:

  • Ротор, или индуктор (подвижный, вращающийся), в который входит обмотка возбуждения.
  • Якорь, или статор (недвижимый), в который включается обмотка.
  • Обмотка агрегата.
  • Переключатель катушки статора.
  • Выпрямитель.
  • Несколько кабелей.
  • Структура электрического компаундирования.
  • Сварочный аппарат.
  • Катушка ротора.
  • Регулируемый поставщик постоянного электротока.

Синхронный генератор работает в качестве генераторов и моторов. Он может переходить от графика работы генератора к графику двигателя – это зависит от действия вращающей либо тормозящей силы прибора. В графике генератора в него входит механическая, а исходит электроэнергия. В графике двигателя в него входит электрическая, а исходит механическая энергия.

Краткое описание - фото 18

Прибор включается в цепь переменного тока разного типа нелинейных сопротивлений. Синхронные агрегаты являются генераторами переменного тока на электростанциях, а синхронные моторы используются тогда, когда необходим двигатель, что работает с постоянной крутящейся частотой.

Будет интересно➡  Схемы подключения трехфазного электродвигателя

Разновидности синхронных генераторов переменного тока

Базовая классификация альтернаторов включает следующие типы устройств:

  1. Высокочастотные генераторы рассчитаны на преобразование механической энергии в электричество высокой частоты. Приспособление работает за счет изменения магнитного потока с помощью воздействия вращающегося ротора на статичный статор. Высокая частотность достигается увеличением количества полюсов и разгоном вращения статора. Применяется в качестве источника питания электричеством для радиотелеграфных станций на расстояние до 3 километров. Для меньших промежутков они не подходят, поскольку требуется увеличение частотности. Устройства подразделяются на генераторы, производящие энергию непосредственно в машине, и агрегаты, в которых ток увеличивается за счет статических умножителей.
  2. Гидротурбинный генератор, как становится понятно из названия, функционирует за счет движения гидравлической турбины. Ротор в таких устройствах располагается на одном валу с турбинным колесом. Максимальная мощность подобных агрегатов достигает 100 000 кВт, что является внушительным показателем для электростанций, в особенности автономных. По размеру они ощутимо больше аналогичных аппаратов. Диаметр одного ротора может достигать пятнадцати метров. На мощность турбины значительное влияние оказывает скорость, с которой она вращается, маховый момент, характерный для ротора, и протяженность ЛЭП (линии электропередачи). Обмотка размещается непосредственно на статоре, охватывающем явный полюсный ротор, который закреплен на валу.
  3. Паротурбинный генератор, работающий с помощью паровой турбины. Наибольшим распространением пользуются двухполюсные и четырехполюсные устройства. Ротор имеет форму внушительного по размеру цилиндра с пазами прямоугольного типа. В специальных пазах на внутренней стороне статора размещается обмотка переменного тока. В машинах, работающих медленно, устанавливается ротор в форме колеса или звезды. Если система замкнутая, то охладительные элементы располагаются непосредственно под генератором. В сравнении с предыдущим типом генераторов паротурбинные обладают значительно меньшими размерами.

Самое широкое распространение получили синхронные трёхфазные генераторы, мощности которых варьировались от минимальных значений до нескольких мегаватт. Работа классических альтернаторов была основана на том, что на роторе располагались кольца и щетки, которые находились в непосредственном контакте со статором. В большинстве случаев данный механизм был небезопасен, щётки при этом быстро изнашивались, а коллектор якоря требовал непрерывного поддержания в рабочем состоянии. Поэтому были разработаны бесщёточные синхронные генераторы, которые исключили все эти недостатки.

Работа синхронного бесщёточного трёхфазного генератора основана на применении системы независимого возбуждения и автоматических регуляторов напряжения (AVR). AVR помогает не допускать отклонений и скачков, поддерживая выходное напряжение генератора на постоянном уровне. Если вдруг происходит значительный скачок напряжения, AVR примет всю нагрузку на себя и в первую очередь выйдет из строя, защитив тем самым остальные системы альтернатора. AVR поставляются отдельно в качестве запасной части и заменить его не сложнее, чем поменять батарейки в любом устройстве.

Генераторы могут быть одноопорные с одним подшипником и двухопорные.

Если генератор вышел из строя, а двигатель находится в хорошем состоянии, то можно заказать генератор отдельно. Для заказа нужно обязательно знать наименование двигателя и присоединительные размеры генератора. Основная градация здесь по стране производства двигателя – отечественный он или импортный, – поскольку для отечественных двигателей (ЯМЗ, ТМЗ или ММЗ) в большинстве разработаны свои типы для присоединения и стыковки генератора с двигателем (напрямую, через муфту или при помощи стыковочных колец). Импортные же двигатели стыкуются с альтернаторами по единой системе SAE.

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.

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.

Будет интересно➡  Ток утечки: что это такое, особенности, путь протекания, измерение

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 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.

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.

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.

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.

Будет интересно➡  Что такое скин эффект?

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.

Схемы подключения

Собственно, даже не схемы включения, а варианты. Их, как правило, три:

      • Автоматическое включение. В этом случае устанавливается специальный блок аварийного включения. Как только отключают напряжение в сети, блок подаёт команду на запуск генератора и переключает сеть с внешнего источника питания, на генераторную установку.
      • Ручное включение. В этом случае, пользователь сам проводит операцию переключения с внешнего источника питания на генераторную установку и вручную запускает генератор.
      • Синхронная работа. Такой режим, в основном используется на крупных станциях, генераторы которых объединены в одну сеть. Все генераторы этой сети работают синхронно, с одной частотой, с одной очерёдностью фаз и с одинаковым напряжением на обмотках статора.

Однофазный генератор

Здесь я подробно останавливаться не буду. Такие устройства сейчас можно встретить в любом магазине инструментов. Если однофазный генератор используется как запасной источник электроэнергии, то подключается к домовой сети, как правило, посредством рубильника. То есть, одновременно внешний источник питания и генератор на одну сеть не могут – либо то, либо другое. Во-первых, незачем, во-вторых, это сильно усложнило бы и увеличило стоимость бытовых генераторов. Единственное, на чём могу здесь остановиться, это включение однофазного генератора в трёхфазную сеть.

Включение однофазного генератора

Включение однофазного генератора в трёхфазную сеть

Однако у такого метода есть свой недостаток. Трёхфазные двигатели в такой сети работать не будут, если же их включить, то очень быстро нагреются и выйдут из строя.

Трехфазный генератор

Трёхфазные генераторы могут быть бытовыми и промышленными. Устройство генератора трёхфазного тока в бытовом варианте практически ничем не отличается от однофазного, как и схема включения. Единственное условие при включении бытового генератора в сеть, если в такой сети имеются трёхфазные двигатели – соблюдать очередность фаз. В случае же, если нагрузка в доме однофазная, то такой предосторожностью можно пренебречь.

Устройство генератора трёхфазного тока в промышленном варианте – это устройство, оснащенное автоматическим пуском и иногда может быть оснащено устройством синхронизации. Подключение таких генераторов лучше доверить специалистам.

Ну а бытовой генератор точно так же, как и однофазный включается в сеть через рубильник. Следовательно, в зависимости от положения рубильника работает либо внешний источник питания, либо генератор.

Область применения

Применяют синхронные агрегаты как источники электроэнергии переменного тока: используют на мощных тепло-, гидро- и атомных станциях, на передвижных электрических станциях, транспортных системах (машинах, самолетах, тепловозах). Синхронный агрегат способен работать автономно – генератором, который питает подключаемую к ней какую-либо нагрузку, либо параллельно с сетью – в нее подключены иные генераторы.

Принцип действия синхронного трёхфазного генератора - изображение 17

Синхронный агрегат может включать устройства в тех местах, где нет центрального питания электрических сетей. Данные приборы можно применять в фермерских хозяйствах, которые расположены далеко от населенных пунктов.

Предыдущая
РазноеФормула мощности электрического тока, расчет по мощности и напряжению
Следующая
РазноеPE проводник — что это такое и для чего нужно. Разделение PEN проводника на PE и N
Ссылка на основную публикацию
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять