Меню

Ток фазы синхронного генератора

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.

Читайте также:  Электрический ток поражение электрическим током электрические травмы

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.

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 действия синхронного трёхфазного генератора

Генератор синхронный трехфазный

Универсальный синхронный трёхфазный генератор представлен в виде специфического механизма переменного тока, который призван преобразовывать определённый тип энергии в электричество. Именно этот агрегат отвечает за работоспособность солнечных батарей, электростатических машин, а также гальванических элементов. На практике использование этих устройств определяется исключительно техническими характеристиками.

  • Краткое описание
  • Разнообразие модельного ряда
  • Устройство синхронного генератора
  • Функциональные отличия агрегата
  • Комплектующие элементы
  • Принцип работы
  • Используемые структуры возбуждения
  • Сферы применения

Краткое описание

Каждый специалист знает, что синхронный трёхфазный генератор зарекомендовал себя как высококачественный, мощный агрегат, который отличается специфической структурой переменного тока, а это высоко ценится в различных отраслях. Вмонтированный крутящийся электромагнит способен создавать магнитный поток, перемещающийся через три фазы обмотки используемого статора. В результате можно добиться того, что в пазах будет происходить переменная ЭДС однотипной частоты. Стоит отметить, что любой сдвиг фаз осуществляется исключительно под определённым углом, который равен одной трети вращения магнитных полей.

Принцип действия синхронного трёхфазного генератора

Сами производители отмечают тот факт, что генератор оборудован таким образом, чтобы якорь выступал в качестве мощного электромагнита. Если вал вращается от турбины, тогда в систему поступает электроэнергия, а обмотка ротора питается именно этим током. Во время такого взаимодействия якорь становится своеобразным электрическим магнитом, который крутится вместе с валом. Именно синхронные трёхфазные турбо- и гидрогенераторы производят больше всего полезной энергии.

Помимо этого, такие агрегаты успешно используются многими специалистами в качестве электромоторов для установок, где уровень мощности превышает отметку 50 кВт. Когда синхронный аппарат работает, то в графике двигателя источник постоянного тока соединяют с ротором, а вот статор подсоединяют к трёхфазному кабелю.

Разнообразие модельного ряда

В продаже сегодня можно встретить несколько видов синхронных генераторов, все они прекрасно справляются с теми или иными задачами. Благодаря этому каждый потребитель может выбрать наиболее подходящую модель устройства, которая будет обладать необходимыми эксплуатационными характеристиками. Большим спросом сегодня пользуются следующие виды генераторов:

Асинхронное устройство двойного типа

  • Асинхронное устройство двойного типа. В таком генераторе подключена как роторная, так и статорная обмотки. График работы носит асинхронный характер.
  • Турбо. Агрегат отличается неявнополюсным строением генератора, изготавливается из турбин разного вида. К основным положительным характеристикам можно отнести высокую скорость оборотов, которая варьируется в пределах 6 тыс. в минуту.
  • Синхронный компенсатор. Такой агрегат является поставщиком реактивной мощности, благодаря чему активно используется для повышения качества электроэнергии.
  • Гидро. Ротор имеет существенное отличие от всех аналогов, так как присутствуют специальные полюса. Используется для выработки электроэнергии, работает исключительно на малых оборотах.

Устройство синхронного генератора

Качественный статор имеет аналогичный принцип действия с асинхронником. Его корпус собирается из отдельных пластин электротехнической стали, все детали разделены специальными изолирующими слоями. Обмотка переменного тока располагается в специальных пазах. Многочисленные преимущества синхронных трёхфазных генераторов повлияли на то, что они активно эксплуатируются в различных отраслях. Вся проводка обмоток изолируется и фиксируется, что особенно важно для безопасной работы, ведь этот раздел отвечает за подключение нагрузки.

Для тихоходных машин с гидравлическими турбинами изготавливаются высококачественные генераторы выступающего типа. А вот для тех узлов, которые функционируют по принципу скоростного вращения с переменным током, больше всего подходят прочные неявно выраженные полюса. Чтобы агрегат служил как можно дольше, нужно использовать правильное охлаждение. Чаще всего на вал монтируются специальные крыльчатки, которые регулируют уровень температуры ротора с обеих сторон. Весь воздух обязательно подлежит предварительной фильтрации. Если система относится к замкнутому типу, то через теплообменники проходит один и тот же воздух.

Устройство синхронного генератора

Отдельно стоит учесть, что для быстрого и своевременного охлаждения системы желательно использовать водород, который в 14,5 раз легче, нежели воздух. А вот принцип его эксплуатации самый простой.

Современные технологии позволяют изготавливать различные модели индукционных приборов, но в каждом таком изделии присутствуют одинаковые части:

  • Прочная обмотка с переменной ЭДС.
  • Мощный постоянный магнит или же обычный электромагнит, который производит требуемое рабочее поле.

Для того чтобы получить наибольший магнитный поток, во всех агрегатах предусмотрено наличие специализированной структуры, которая включает в себя два стальных сердечника. Рабочие обмотки установлены в специальные пазы. Один вмонтированный сердечник — внутренний, он крутится вокруг вертикального или же горизонтального стержня, который принято называть ротором. А вот недвижимый сердечник именуется якорем (статором).

Функциональные отличия агрегата

Чтобы устройство слаженно работало в течение долгих лет, нужно заранее ознакомиться с принципом действия синхронного генератора. Для оценки функциональных возможностей агрегата используются те же характеристики, что и для аппаратов с постоянным током. Основные различия касаются только некоторых эксплуатационных условий.

К основным характеристикам синхронного агрегата относятся следующие факты:

Функциональные отличия агрегата

  • Снижение показателей напряжения наблюдается на активном и индуктивном сопротивлении обмоток устройства. Этот показатель может возрастать по мере того, как возрастает нагрузка самого агрегата.
  • Холостой ход. ЭДС прибора во многом зависит от токов возбуждения, что одновременно свидетельствует о намагничивании специальных цепей машины.
  • Регулировочные параметры трёхфазного генератора. Производители отмечают тот факт, что токи возбуждения зависят от нагрузки. В процессе активной эксплуатации синхронного генератора необходимо постоянно поддерживать оптимальное напряжение на зажимах. Соблюдать это требование достаточно просто, главное, регулировать ЭДС агрегата. Мастер может менять ток возбуждения в автоматическом режиме. При активно-емкостной нагрузке необходимо снижать ток возбуждения для непрерывного поддержания постоянного напряжения.
Читайте также:  Трансформатор тока abb tg145n

Комплектующие элементы

Принцип работы и устройство синхронного генератора отличаются тем, что этот агрегат может использоваться в качестве мотора и генератора. Его функциональные возможности позволяют быстро переходить от графика двигателя к графику работы генератора — это во многом зависит от действия тормозящей или вращающей силы оборудования. Такой принцип работы высоко ценится среди квалифицированных специалистов. Стоит отметить, что в графике двигателя в систему входит электрическая энергия, а выходит механическая.

Устройство синхронного генератора включает в себя следующие элементы:

Комплектующие элементы

  1. Высококачественная обмотка устройства.
  2. Ротор либо индуктор (вращающегося или подвижного типа). В комплекте к этому элементу обязательно прилагается обмотка возбуждения.
  3. Несколько разновидностей мощных кабелей, способных выдержать большую нагрузку.
  4. Удобный переключатель статорной катушки.
  5. Специальный выпрямитель.
  6. Высококачественная роторная катушка.
  7. Специальный поставщик постоянного тока, работа которого может контролироваться самим пользователем.

Трёхфазный генератор входит в состав цепи переменного тока нелинейных сопротивлений.

Принцип работы

Неправильно настроенное оборудование не сможет слаженно работать в течение длительного промежутка времени, преждевременные поломки могут возникнуть на фоне появления всевозможных перегрузок, из-за некачественного возбуждения сети, а также частых переходов в асинхронные режимы. Последний фактор чаще всего возникает по причине каких-либо отклонений в сети: нагрузки переменного типа, короткие замыкания, неравномерная загрузка фаз.

Стоит отметить, что стабильная работа генератора зависит и от качества подключённой сети, где любое нарушение функционирования отдельно взятых потребителей чревато несимметричностью и искажением сигнала. В такой ситуации может перегреваться как сама конструкция агрегата, так и его обмотка. Наличие мощных преобразователей и выпрямителей чревато искажением синусоида.

Принцип работы генератора

Чтобы устройство правильно функционировало, нужно обеспечить ему правильное охлаждение. Если затраты воды достигают отметки 75% от номинала, тогда срабатывает предупредительная сигнализация. Когда расход охладителя находится в пределах 50%, система разгружается за две минуты. Этот вид генератора работает по принципу электромагнитной индукции. Якорная катушка находится в разомкнутом положении только на холостом ходу, из-за чего необходимое магнитное поле формирует исключительно обмотка ротора. Когда этот элемент крутится от проводного мотора, то у него наблюдается постоянная частота.

Первоначальное магнитное поле формируется за счёт обмотки возбуждения, а в катушку якоря поступает электрическая движущая сила. Если же якорь начал двигаться только благодаря вращению с определённой скоростью, то весь поток возбуждения переходит через проводники статорных катушек. В итоге происходит индицирование переменных ЭДС.

Используемые структуры возбуждения

Все крупные производители изготавливают генераторы, моторы и синхронные компрессоры, которые оснащены инновационными полупроводниковыми структурами, такими как возбуждение трёхфазных агрегатов. В таких ситуациях используется беспроигрышный метод выпрямления переменных токов.

Используемые структуры возбуждения

Принцип устройства генератора отличается тем, что структуры возбуждения могут обеспечить следующие параметры функционирования:

  • Работа аппарата на холостом ходу.
  • Электроторможение устройства.
  • Функционирование в определённой энергетической структуре с имеющимися нагрузками либо перезагрузками.
  • Возбуждение синхронного генератора может быть немного форсировано в связи с такими критериями, как ток и напряжение, которые отвечают заданной кратности.
  • Подключение к электросети с помощью точной самосинхронизации.

Сферы применения

Многофункциональные трёхфазные двигатели используются в различной технике. Высокая популярность обусловлена тем, что такие агрегаты обладают необходимой простотой и надёжностью конструкции, а также доступной ценой. Генератор не нуждается в особом уходе, быстро приступает к работе и хорошо переносит длительные нагрузки. Качественное энергоснабжение осуществляется именно по трёхфазной системе переменного тока, так как любое использование двигателей с постоянным током требует установки дополнительных агрегатов.

Сферы применения генераторов

Трёхфазные генераторы считаются незаменимыми в приводах сверлильных и токарных станков, пилорамах и циркуляционных пилах, лифтах, лебёдках и подъёмных кранах. Помимо этого, такой агрегат широко востребован и в сельскохозяйственной отрасли, где основную работу выполняют барабанные молотилки, веялки, зернопульты, погрузчики. Синхронные установки используются как основной источник электроэнергии переменного тока на крупнейших станциях, на передвижных агрегатах и транспортных машинах (тепловозы, машины, самолёты). Генератор может функционировать как автономно, так и параллельно с сетью.

Конструкторы утверждают, что без такого оборудования не могут обойтись те станции, где отсутствует центральная подача электроэнергии. Особенно это касается крупных фермерских хозяйств, которые возведены вдали от населённых пунктов.

Фотография Андрея Алексеевича

Порошин Андрей

Источник



Синхронный генератор

Принцип действия синхронного генератора. Приводной двигатель развивает момент , вращая ротор генератора с частотой . По обмотке ротора протекает постоянный ток , её МДС создает магнитный поток ротора . Вращаясь вместе с ротором относительно статора, поток в соответствии с законом электромагнитной индукции (ЭМИ) индуцирует в каждой фазе обмотки статора ЭДС . При замкнутой внешней цепи по обмоткам статора протекает ток нагрузки I, который, в свою очередь, образует МДС статора . МДС создает магнитный поток реакции якоря и поток рассеяния (аналогичный асинхронному двигателю), который замыкается поперёк пазов статора и вокруг лобовых частей обмотки статора. Потоки и наводят в обмотке статора соответственно ЭДС и .

Векторная сумма ЭДС и падение напряжения на активном сопротивлении обмотки статора равно напряжению на выходах генератора U.

Магнитные потоки статора и складываются с магнитным потоком ротора , который, взаимодействуя с током статора I, образует тормозной момент (обратная связь), противодействующий вращающему моменту приводного двигателя. Вырабатываемая статором генератора активная мощность P поступает в электрическую нагрузку.

Уравнение напряжений обмотки статора. На рис 4.9 приведена схема замещения одной фазы статора генератора. Составим по этой схеме уравнения второго закона

Здесь — ЭДС, индуцируемая магнитным потоком ротора ; и – ЭДС, индуцируемая соответственно магнитным потоком реакции якоря и потоком рассеяния; — падение напряжения на активном сопротивлении обмотки статора;U – фазное напряжение статора генератора.

ЭДС и наводятся магнитными потоками и , которые пропорциональны вызывающему их току статора. Поэтому эти ЭДС могут быть выражены через постоянные индуктивные сопротивления и , т.е. и . Тогда .

Обозначим сумму внутренних индуктивных сопротивлений машины , где – синхронное сопротивление.

Обычно 0) довольно резко падает, что объясняется размагничивающим действием реакции якоря, а при активно–ёмкостной нагрузке ( U.

С учетом (4.3) вектор произведения направлен согласно с вектором напряжения (рис. 4.12,б), а уравнительный ток отстаёт по фазе на 90° от вектора , т.е. является индуктивным током. В результате действия реакции якоря индуктивный ток размагничивает машину и сохраняет неизменным результирующий магнитный поток. Генератор отдаёт в сеть реактивную мощность QL, которая может быть использована другими приёмниками, включёнными в сеть. С точки зрения воздействия на сеть генерирование реактивной мощности равносильно потреблению из сети ёмкостного тока, т.е. перевозбуждённый синхронный генератор подобен конденсатору.

Напротив, если ток возбуждения уменьшать (недовозбуждение генератора), ток будет опережать по фазе напряжение на 90° (рис. 4.13, в). Опережающий

ток окажет на магнитную систему генератора намагничивающее действие. Изменение фазы тока на 180° по сравнению с предыдущим случаем означает, что генератор теперь потребляет из сети реактивную мощность, т.е. его влияние на сеть подобно действию индуктивности.

В обоих случаях угол сдвига между током и ЭДС равен 90°, поэтому активная мощность . Таким образом, изменением тока возбуждения можно регулировать только реактивную мощность синхронного генератора, но нельзя нагрузить его активной мощностью.

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.

Читайте также:  При выпрямлении переменного тока в постоянны

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.

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