Синхронные машины: возбуждение, устройство, принцип работы. Способы возбуждения синхронных машин.

Асинхронные генераторы принципиально отличаются от синхронных генераторов тем, что между скоростью вращения ротора и генерируемой ЭЭД нет жесткой зависимости. Разница между этими частотами характеризуется коэффициентом скольжения s.

Содержание

Системы возбуждения синхронных генераторов: разновидности, схемы, достоинства и недостатки

Все выпускаемые сегодня ветрогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы, синхронные компенсаторы и двигатели оснащены современными твердотельными системами возбуждения — рис. 5.2 — 5.7. Эти системы используют принцип выпрямления трехфазного переменного тока возбуждения с повышенной или промышленной частотой или напряжением возбуждаемой машины. Электромеханические системы возбуждения (рис. 5.1), которые производились на заводах более 30 лет назад и до сих пор используются, могут быть заменены современными статическими полупроводниковыми системами с любым количеством заранее заданных функций.

Системы возбуждения обеспечивают следующие режимы работы современных машин:

Начальное возбуждение,
инерционное состояние,
сеть с точной синхронизацией или самосинхронизацией,
работа от сети с допустимыми нагрузками и перегрузками,
Усиление возбуждения с определенным разнообразием напряжения и тока,
Разрядка и невозбуждение реактивной мощности при возмущениях в электросети,
отключение генераторного поля в аварийных ситуациях и при нормальном отключении,
электрическое замедление устройства.

Рис.5.1 Независимая система возбуждения с возбудителем постоянного тока. CK — контактные кольца, Rss и KSS — резистор и самосинхронизирующийся контактор, RV — вспомогательный возбудитель, AGP — устройство демпфирования поля, AGPV — устройство демпфирования поля возбудителя, Rr — регулирующий реостат, Rd и Rgasv — дополнительные резисторы и демпфирующие резисторы в цепи RHF, DOVV — дополнительная обмотка возбудителя.

Существует три типа систем возбуждения для турбин и гидроэлектростанций: — независимые тиристорные системы (ТИС) — рисунок 5.2 — самостимулирующиеся тиристорные системы (СТС) — рисунок 5.3 — бесщеточные диодные системы (БДС) — рисунок 5.4.

Устройство

Конструктивно современный электродвигатель состоит из неподвижного элемента, подвижной части, обмоток различного назначения и может быть дополнен коллекторным блоком. Далее отдельные элементы синхронного блока рассматриваются более подробно на рабочем примере (рис. 1).

Рис. 1. структура синхронного двигателя

Статор или якорь отливается либо в виде цельного куска электротехнической стали, либо последовательно с железной загрузочной плитой. Он принимает рабочую обмотку и приводит в движение токопроводы электромагнитного поля, создаваемого протекающими токами.
Обмотка в статоре — из медных проводников, в зависимости от типа статора современного двигателя может быть выполнена различными методами, типами намотки и расположением проводников. Он используется для подачи напряжения питания и формирования магнитного рабочего потока.
Ротор обмотки возбуждения — предназначен для взаимодействия с магнитным полем статора. Подача напряжения на обмотку возбуждения создает собственное магнитное поле в роторе двигателя, которое определяет состояние вращающегося элемента.
Вал — используется для передачи вращательного усилия от двигателя к подключенной к нему нагрузке. В большинстве случаев это основание, к которому крепятся полюса нагрузки или ротора, подшипники, втулки, пластины и другие компоненты.
Контактные кольца — используются для подачи питания на обмотки ротора, но присутствуют не на всех современных моделях. Электропитание обеспечивается специальным преобразователем AC/DC.
Корпус предназначен для защиты синхронного двигателя от внешних воздействий и придания ему достаточной прочности и герметичности в зависимости от условий эксплуатации.

Принцип работы

Работа синхронного двигателя основана на взаимодействии магнитного потока, создаваемого рабочими обмотками, с постоянным магнитным потоком. Наиболее распространенной моделью современного электродвигателя является версия с рабочей обмоткой на статоре и обмоткой возбуждения на роторе.

Рисунок 2. Принцип работы современного электродвигателя.

Как показано на рисунке 2, трехфазное сетевое напряжение подается на обмотку статора для создания переменного магнитного поля. К обмоткам ротора двигателя прикладывается постоянное напряжение, которое индуцирует на полюсах такой же постоянный магнитный поток. Для иллюстрации этого процесса рассмотрим упрощенную модель современной машины (Рисунок 3).

Рисунок 3. Принцип генерации потока в синхронной электрической машине.

При подаче тока на фазные обмотки статора электродвигателя первый пик амплитуды тока и ЭДС взаимной индукции возникает в фазе А, затем в фазе В и в фазе С. На графике показана периодичность токов.

График показывает периодичность кривых как функцию времени:

В точке 1 максимальная ЭДС EA формирует максимальный ток, а электродвижущие силы фаз EB и EC равны и имеют противоположные знаки, тем самым дополняя результирующую силу.
HED EB достигает максимума в точке 2, и электродвижущие силы фаз EA и EC становятся равными и имеют противоположные знаки, таким образом дополняя результирующую силу и вызывая вращение магнитного поля.
В точке 3 ЭДС ЕК наибольшая, и электродвижущие силы фаз EB и EA дополняют результирующую силу и снова смещают вектор поля по часовой стрелке.

Поле статора вращается в течение некоторого времени, а поскольку ротор обладает собственной электромагнитной силой, постоянной во времени, он синхронно следует за движением переменного магнитного поля и вращается вокруг определенной оси. Это вращение приводит к синхронному движению ротора, которое следует за изменением амплитуды ЭДС на витках рабочих обмоток; из-за этого явления электродвигатель называют синхронным. Наличие отдельного источника питания отражено в схематическом изображении этих электродвигателей (рисунок 4) в соответствии с ГОСТ 2.722-68.

Рисунок 4. Схематическое изображение синхронного электродвигателя.

Асинхронные генераторы принципиально отличаются от синхронных генераторов тем, что между скоростью вращения ротора и генерируемой ЭЭД нет жесткой зависимости. Разница между этими частотами характеризуется коэффициентом скольжения s.

Синхронные машины: возбуждение, устройство, принцип работы

Синхронные машины — это устройства, в которых частота вращения ротора всегда равна или кратна величине магнитного поля в воздушном зазоре, создаваемого током, протекающим в обмотке ротора. Этот тип машин основан на принципе электромагнитной индукции.

Возбуждение современных машин может быть электромагнитным или постоянно-магнитным. При электромагнитном возбуждении для питания обмотки используется специальный генератор постоянного тока, который из-за своей основной функции называется возбудителем. Стоит отметить, что система возбуждения также делится на два типа: прямая и косвенная. При методе прямого возбуждения вал синхронной машины непосредственно механически соединен с ротором возбуждения. В косвенном методе для приведения ротора во вращение используется другой двигатель, например, асинхронный электродвигатель.

Прямой метод возбуждения является наиболее распространенным на сегодняшний день. Однако, если система возбуждения предназначена для работы с мощными синхронными машинами, используются независимые генераторы возбуждения, обмотки которых питаются током от другого источника постоянного тока, называемого субстимулятором. Эта система громоздка, но она обеспечивает большую стабильность работы, а также более точную регулировку мощности.

Устройство синхронной машины

Современный электродвигатель состоит из двух основных элементов: катушки (ротора) и якоря (статора). Оптимальным и поэтому наиболее распространенным на сегодняшний день является вариант, когда якорь установлен на статоре, а катушка — на роторе. Воздушное пространство между двумя частями является необходимым условием для функционирования механизма. В этом случае якорь является неподвижной частью устройства (статор). Он может состоять из одной катушки или нескольких катушек, в зависимости от требуемой силы генерируемого магнитного поля. Сердечник статора обычно собирается из отдельных тонких листов электротехнической стали.

Катушка в современных электродвигателях представляет собой электромагнит, концы обмотки которого входят непосредственно в контактные втулки на валу. Во время работы на катушку подается постоянный ток, благодаря которому ротор генерирует электромагнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем якоря. Таким образом, постоянная скорость вращения магнитного поля в синхронной машине достигается за счет постоянного тока, индуцируемого катушкой.

В отличие от систем самовозбуждения (ССВ), в СТС тиристорные выпрямители основного генератора питаются от независимого источника переменного напряжения с промышленной частотой — вспомогательного синхронного генератора, который вращается вокруг той же оси, что и основной генератор.

Синхронные машины: возбуждение, устройство, принцип работы

Пункт из

Возбуждение синхронных машин

Возбуждение современных машин может быть электромагнитным или на постоянных магнитах. При электромагнитном возбуждении для питания обмотки используется специальный генератор постоянного тока, который из-за своей основной функции называется возбудителем. Стоит отметить, что система возбуждения также делится на два типа — прямая и косвенная. При методе прямого возбуждения вал синхронной машины непосредственно механически соединен с ротором возбудителя. В косвенном методе для приведения ротора во вращение используется другой двигатель, например, асинхронный электродвигатель.

Устройство синхронной машины

Для снижения магнитного сопротивления и оптимизации условий прохождения магнитного поля используются ферромагнитные сердечники. Они расположены в роторе и в якоре. Они изготавливаются из электротехнической стали, содержащей большое количество кремния. Это уменьшает токи и увеличивает электрическое сопротивление стали.

Система тиристорного самовозбуждения резервная (СТСР)

На рисунках 5.1, 5.2 и 5.3 возможно использование резервной системы возбуждения благодаря наличию контактных колец в роторе. В предыдущих системах использовался двухдвигательный блок, состоящий из асинхронного двигателя и генератора постоянного тока. Асинхронный двигатель питался от вспомогательных линий и был распространен во многих генераторах.

Современная самостимулирующаяся тиристорная резервная система (STSR) использует принцип регенерации тиристоров от разделительного трансформатора, который также подключен к вспомогательной системе станции.

Назначение этих систем — подавать питание на обмотку ротора синхронной машины, если основная система выходит из строя из-за неисправностей или технического обслуживания. На электростанциях для каждой группы генераторов устанавливается резервная система. На многих заводах до сих пор используются двухдвигательные генераторные установки, которые питаются через вспомогательную линию. Более продвинутой системой является статическая система STSR, которая представляет собой мощный регулируемый источник постоянного тока. Система оснащена всеми необходимыми устройствами защиты, управления и коммутации.

Системы бесщеточные диодные (СБД)

Бесщеточные диодные системы предназначены для подачи выпрямленного, регулируемого тока в обмотку возбуждения турбогенераторов — рисунок 5.4a,b. Бесщеточный возбудитель представляет собой обратноходовой синхронный генератор с якорем с обмоткой переменного тока и диодным выпрямителем, постоянно соединенным с ротором возбуждаемого турбогенератора. Обмотка возбуждения возбудителя расположена на его статоре.

Основным преимуществом бесщеточного возбуждения является отсутствие контактных колец и щеточных контактов в цепи обмотки ротора турбогенератора и уменьшение длины машины.

Это позволяет возбуждать машины большой мощности, токи возбуждения которых превышают 5500 А, что типично для системы CTN — рис. 5.2. Выпрямленное номинальное напряжение составляет до 600 В, а выпрямленный номинальный ток — до 7800 А. Система охлаждения вращающегося диодного выпрямителя — естественная воздушная.

Управление возбуждением генератора осуществляется путем управления током обмотки возбуждения инвертированного возбуждения. Типовая система включает в себя устройство автоматического подавления поля, тиристорный разрядник и два канала преобразования и регулирования (AVR-1, AVR-2) автоматических регуляторов возбуждения для основного и резервного каналов соответственно. Один из каналов (AVR-1) находится в активном режиме, а другой (AVR-2) — в режиме ожидания. В особом случае основной канал управления питается от выпрямительного трансформатора, подключенного к линии питания генератора, а резервный канал питается от выпрямительного трансформатора от вспомогательных линий питания электростанции.

Рис. 5 .5 Бесщеточная диодная система (БДС) с тиристорным возбуждением (TV-1, TV-2) обмотки возбуждения возбудителя (EEC). СГ — синхронный генератор; ОВГ — обмотка возбуждения генератора; ДСВ — синхронный диодный возбудитель; РВ — вращающийся диодный выпрямитель; В — обратный синхронный возбудитель и его обмотка возбуждения; ТВ-1, ТВ-2 — тиристорные выпрямители первого и второго каналов для питания ОВГ; ВТ-1, ВТ-2 — выпрямительные трансформаторы первого и второго каналов; АРВ-1, АРВ-2 — автоматические регуляторы возбуждения первого и второго канала; Р1, Р2, Р3, Р4 — развязки; ТТ1, ТТ2, ТН1, ТН2 — трансформаторы тока и напряжения первого и второго канала; ТА11, ТА12 — датчики тока возбуждения; АГП — автоматический подавитель возбуждения; ТП — тиристорный ответвитель; ТТ1, ТТ2 — датчики тока возбуждения; АГП — автоматический подавитель возбуждения; ТП — тиристорный ответвитель.

Рис.5.6: Бесщеточная диодная система возбуждения (БДС) дизель-генератора; СГ — синхронный дизель-генератор; ОВГ — обмотка возбуждения; ДВ — диодный выпрямитель; Т — тиристор; АВР — автоматический тестер возбуждения; ИТТ, ИТН — трансформатор тока и напряжения; ТСТ с МШ — трехобмоточный суммирующий трансформатор с магнитным шунтированием.

Бесщеточная диодная система возбуждения (BDS) работает медленнее тиристорных систем (STS и STN). Так, время нарастания напряжения возбуждения до максимального значения при снижении постоянного напряжения в точке управления на 5 % от номинального не превышает 50 мс, в то время как для тиристорных систем оно не превышает 25 мс.

Системы возбуждения для дизель-генераторов

АО «Электросила» является производителем дизель-генераторов мощностью от 200 до 6300 кВт с широким диапазоном напряжений и скоростей. Для дизель-генераторов выпускаются два типа систем возбуждения: молотковая, реализованная на базе трехобмоточного суммирующего трансформатора с магнитным шунтированием, и тиристорно-диодный преобразователь (см. рисунок 5.6). Силовая часть выполнена с принудительным охлаждением и расположена в корпусе генератора. Небольшой регулятор напряжения установлен на панели управления силовой части.

Бесщеточная система с диодным синхронным возбудителем (DSE), магнитоэлектрическим возбудителем с постоянными магнитами и статическим тиристорным регулятором возбуждения показана на рисунке 5.7.

Вращающаяся часть оборудования системы (дизель-генератор, синхронный диодный возбудитель и магнитоэлектрический возбудитель) установлена в виде компактного блока на валу генератора.

Контроллер возбуждения размещен в отдельном шкафу. Основные характеристики систем возбуждения дизель-генераторов приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1: Основные характеристики систем возбуждения дизель-генераторов. Системы возбуждения дизель-генераторов полностью автономны — начальное возбуждение подается исключительно от внутренних источников.

Таблица 5.1: Основные характеристики систем возбуждения дизель-генераторов. Системы возбуждения дизель-генераторов полностью автономны — начальное возбуждение подается исключительно от внутренних источников.

Устройство синхронной машины

Современный электродвигатель состоит из двух основных элементов: катушки (ротора) и якоря (статора). Оптимальным и поэтому наиболее распространенным на сегодняшний день является вариант, когда якорь установлен на статоре, а катушка — на роторе. Воздушное пространство между двумя частями является необходимым условием для функционирования механизма. В этом случае якорь является неподвижной частью устройства (статор). Он может состоять из одной катушки или нескольких катушек, в зависимости от требуемой силы генерируемого магнитного поля. Сердечник статора обычно собирается из отдельных тонких листов электротехнической стали.

Катушка в современных электродвигателях представляет собой электромагнит, концы обмотки которого входят непосредственно в контактные втулки на валу. Во время работы на катушку подается постоянный ток, благодаря которому ротор генерирует электромагнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем якоря. Таким образом, постоянная скорость вращения магнитного поля в синхронной машине достигается за счет постоянного тока, индуцируемого катушкой.

Как работает синхронный двигатель

Принцип работы современного двигателя основан на взаимном влиянии магнитных полей полюсов якоря и катушки. В реверсивном двигателе расположение якоря и катушки обратное, т.е. якорь находится в роторе, а катушка — в статоре. Этот вариант используется в криогенных синхронных машинах, где обмотки возбуждения содержат материалы со сверхпроводящими свойствами.

Когда двигатель запускается, он разгоняется до частоты, близкой к частоте, на которой вращается магнитное поле в зазоре. Только после этого он переходит в синхронный режим работы. Здесь магнитные поля якоря и катушки пересекаются. Этот момент называется входом для синхронизации.

Во время ускорения используется асинхронный режим, при котором обмотки катушки замыкаются реостатом или короткозамкнутым витком, аналогично асинхронным машинам. Для такого запуска ротор снабжен обмоткой короткого замыкания, которая также действует как обмотка покоя и устраняет вибрации ротора во время синхронизации. Как только скорость приближается к номинальному значению, на катушку подается постоянный ток.

Поэтому синхронный двигатель — это не только двигатель, но и своего рода генератор, так как они имеют одинаковую структуру. Схема двигателя выглядит следующим образом. Обмотка якоря подключена к трехфазному переменному току, а обмотка возбуждения питается постоянным током от внешнего источника. Вращающееся магнитное поле, создаваемое трехфазной обмоткой, и поле, создаваемое обмоткой возбуждения, взаимодействуют. Это создает электромагнитный момент, который заставляет ротор вращаться.

Для двигателей с постоянными магнитами используются специальные внешние ускорители. В отличие от асинхронных устройств, ускорение ротора в синхронном двигателе должно достигать скорости магнитного поля. Здесь в обмотку ротора подается ток от внешнего источника, который не индуцируется магнитным полем статора и поэтому не зависит от скорости вращения вала. Поэтому современный двигатель переменного тока достигает постоянной скорости вращения ротора независимо от нагрузки. Специфический принцип работы этих устройств влиял на запуск и регулирование скорости.

Читайте также.

Как один из современных вариантов схемы рис. 5.4б с выпрямительным трансформатором (VT), на рис. 5.5.5 показана бесщеточная диодная система (БДС) с тиристорным питанием по двум каналам (от сети ZH через VT-2 и от провода генератора через VT-1) катушки возбуждения (ЭРГ).

Различия синхронных и асинхронных двигателей

Все двигатели переменного тока могут работать асинхронно или синхронно. В первом случае ротор вращается медленнее, чем магнитное поле, а во втором случае ротор и магнитное поле вращаются с одинаковой скоростью.

В асинхронном двигателе вращающееся переменное магнитное поле создается обмотками, прикрепленными к статору. Концы этих обмоток подключены к общей клеммной коробке. Для предотвращения перегрева на валу двигателя установлен вентилятор. Ротор состоит из металлических стержней, закрытых с обеих сторон. Он выполнен за одно целое с валом и называется короткозамкнутым ротором.

Магнитное поле вращается из-за постоянной смены полюсов. В результате направление тока в обмотках изменяется. На скорость вращения вала влияет количество полюсов в магнитном поле.

Синхронный двигатель конструктивно отличается от асинхронного двигателя. Здесь ротор и магнитное поле вращаются с одинаковой скоростью. Напряжение подается на ротор для зарядки обмоток через щетки, а не индуцируется переменным магнитным полем. Направление тока в обмотках меняется вместе с направлением магнитного поля, поэтому вал современного двигателя всегда вращается в одном направлении.

Схемы управления синхронными двигателями можно разделить на схемы релейных синхронизаторов для запуска, синхронизации с сетью и остановки двигателей, не зависящих от скорости, и схемы преобразователей для регулирования скорости приводов синхронных двигателей.

Схемы управления релейными преобразователями

Двигатели, помимо включения и выключения двигателя, ограничения пусковых токов и синхронизации с сетью, должны также обеспечивать адекватный контроль тока возбуждения. Электротехническая промышленность выпускает широкий ассортимент стандартных панелей управления и шкафов управления для современных двигателей различной мощности и диапазона напряжения.

Типичная схема управления возбуждением двигателя в зависимости от скорости.

Подключение обмотки возбуждения к источнику питания UB осуществляется через контактор КМ2 (рис. 6.10, а), который управляется реле скорости КР. Катушка этого реле подключена к разрядному резистору Rp через диод VD. При срабатывании контактора KM1

(схема управления не показана на рисунке), обмотка статора двигателя подключается к сети переменного тока и образует вращающееся магнитное поле, под воздействием которого он начинает работать и вызывает ЭДС в обмотке возбуждения двигателя. ЭЭД вызывает протекание выпрямленного тока через катушку реле КР, которое подает напряжение и размыкает цепь питания КМ2. Двигатель работает без тока возбуждения, когда обмотка возбуждения закорочена на разрядный резистор Rp.

Устройство синхронной машины

Современный электродвигатель состоит из двух основных элементов: катушки (ротора) и якоря (статора). Оптимальным и поэтому наиболее распространенным на сегодняшний день является вариант, когда якорь установлен на статоре, а катушка — на роторе. Воздушное пространство между двумя частями является необходимым условием для функционирования механизма. В этом случае якорь является неподвижной частью устройства (статор). Он может состоять из одной катушки или нескольких катушек, в зависимости от требуемой силы генерируемого магнитного поля. Сердечник статора обычно собирается из отдельных тонких листов электротехнической стали.

Катушка в современных электродвигателях представляет собой электромагнит, концы обмотки которого входят непосредственно в контактные втулки на валу. Во время работы на катушку подается постоянный ток, благодаря которому ротор генерирует электромагнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем якоря. Таким образом, постоянная скорость вращения магнитного поля в синхронной машине достигается за счет постоянного тока, индуцируемого катушкой.

Как работает синхронный двигатель

Принцип работы современного двигателя основан на взаимном влиянии магнитных полей полюсов якоря и катушки. В реверсивном двигателе расположение якоря и катушки обратное, т.е. якорь находится в роторе, а катушка — в статоре. Этот вариант используется в криогенных синхронных машинах, где обмотки возбуждения содержат материалы со сверхпроводящими свойствами.

Когда двигатель запускается, он разгоняется до частоты, близкой к частоте, на которой вращается магнитное поле в зазоре. Только после этого он переходит в синхронный режим работы. Здесь магнитные поля якоря и катушки пересекаются. Этот момент называется входом для синхронизации.

Во время ускорения используется асинхронный режим, при котором обмотки катушки замыкаются реостатом или короткозамкнутым витком, аналогично асинхронным машинам. Для такого запуска ротор снабжен обмоткой короткого замыкания, которая также действует как обмотка покоя и устраняет вибрации ротора во время синхронизации. Как только скорость приближается к номинальному значению, на катушку подается постоянный ток.

Поэтому синхронный двигатель — это не только двигатель, но и своего рода генератор, так как они имеют одинаковую структуру. Схема двигателя выглядит следующим образом. Обмотка якоря подключена к трехфазному переменному току, а обмотка возбуждения питается постоянным током от внешнего источника. Вращающееся магнитное поле, создаваемое трехфазной обмоткой, и поле, создаваемое обмоткой возбуждения, взаимодействуют. Это создает электромагнитный момент, который заставляет ротор вращаться.

Для двигателей с постоянными магнитами используются специальные внешние ускорители. В отличие от асинхронных устройств, ускорение ротора в синхронном двигателе должно достигать скорости магнитного поля. Здесь в обмотку ротора подается ток от внешнего источника, который не индуцируется магнитным полем статора и поэтому не зависит от скорости вращения вала. Поэтому современный двигатель переменного тока достигает постоянной скорости вращения ротора независимо от нагрузки. Специфический принцип работы этих устройств влиял на запуск и регулирование скорости.

Читайте также.

Другой недостаток этой системы возбуждения характерен для высокоскоростных турбогенераторов. Это связано с более низкой надежностью генератора постоянного тока из-за вибраций и сложных условий работы щеток и коллектора (условия коммутации).

Синхронный генератор. Принцип действия

Характерной особенностью синхронного генератора является жесткая зависимость между частотой f переменной электродвижущей силы, индуцируемой в обмотке статора, и скоростью вращения ротора n, так называемой синхронной скоростью:

n = f / p

где p — число пар полюсов обмоток статора и ротора. Обычно скорость задается в оборотах в минуту, а частота ЭДС в герцах (1/сек), так что формула для числа оборотов в минуту имеет следующий вид

n = 60- f / p

На рисунке 1.1 показана функциональная схема синхронного генератора. Статор 1 имеет трехфазную обмотку, которая существенно не отличается от обмотки асинхронной машины. В роторе находится электромагнит с обмоткой возбуждения 2, на которую подается постоянный ток, обычно посредством скользящего контакта, осуществляемого двумя контактными кольцами, расположенными в роторе, и двумя неподвижными щетками. В некоторых случаях вместо электромагнитов в роторе современного генератора можно использовать постоянные магниты, и контакты на валу больше не нужны, но способность стабилизировать выходное напряжение значительно снижается.

Грузовой двигатель (ГД), т.е. турбина, двигатель внутреннего сгорания или другой источник механической энергии, приводит в движение ротор генератора на синхронной скорости. Магнитное поле магнита ротора также вращается с синхронной скоростью и индуцирует в трехфазной обмотке статора переменное напряжение E _A, E _B и Е _C которые равны по величине и сдвинуты по фазе на 1/3 периода (120°), образуют симметричную трехфазную систему ЭЭД.

При подключении нагрузки к клеммам C1, C2 и C3 обмотки статора, токи I _A, I _B, I _C генерировать вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора. Таким образом, в синхронном генераторе переменного тока магнитное поле статора и ротора вращаются синхронно. Мгновенное значение ЭЭД обмотки статора рассматриваемого синхронного генератора равно

e = 2Blwv = 2πBlwDn

где B — магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл; l — активная длина одной зазорной стороны катушки статора, т.е. длина сердечника статора, м; w — число оборотов; v = πDn — линейная скорость полюсов ротора относительно статора, м/с; D — внутренний диаметр сердечника статора, м.

Формула ЭЭД показывает, что при постоянной скорости вращения ротора n форма кривой переменной ЭЭД обмотки ротора (статора) определяется только магнитной индукцией B в зазоре между полюсами статора и ротора. Если график магнитной индукции в зазоре представляет собой синусоидальную кривую B = B_max sinα, ЭДС генератора также синусоидальна. В современных машинах цель всегда состоит в том, чтобы распределение индукции в зазоре было как можно ближе к синусоидальной кривой.

Таким образом, если воздушный зазор δ постоянен (рис. 1.2), то магнитная индукция B в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (график 1). Если, с другой стороны, концы полюсов ротора «заужены» так, что воздушный зазор на концах полюсных наконечников равен δ _max (как показано на рис. 1.2), то кривая распределения магнитной индукции в зазоре приближается к синусоидальной кривой (график 2) и, следовательно, кривая ЭЭД, наведенной в обмотке генератора, также приближается к синусоидальной кривой. Частота ЭЭД синхронного генератора f (Гц) пропорциональна синхронной скорости вращения ротора n (об/с)

Способы возбуждения синхронных генераторов

Наиболее распространенным методом создания основного магнитного потока современных генераторов является электромагнитное возбуждение, при котором к полюсам ротора присоединяется обмотка возбуждения, которая при прохождении по ней постоянного тока создает ЭДС, создающую магнитное поле в генераторе. До недавнего времени обмотка возбуждения питалась в основном от специальных независимых генераторов постоянного тока, называемых B-возбудителями (рис. 1.3, а). Обмотка возбуждения (SW) питается от другого генератора (параллельное возбуждение), так называемого субвозбудителя (SP). Ротор генератора, возбудителя и подвозбудителя находятся на общей оси и вращаются одновременно. На обмотку возбуждения синхронного генератора подается ток через ползуны и щетки. Для управления током возбуждения используются реостаты, встроенные в цепь возбуждения r возбудителя. ₁ и возбудитель r ₂. В современных генераторах средней и большой мощности процесс установки тока возбуждения автоматизирован.

В синхронных генераторах также используется бесконтактная система возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе. Возбудителем в данном случае является реверсивный синхронный генератор В (рис. 1.3, б). Трехфазная обмотка 2 возбудителя, в которой индуцируется переменный ГЭД, расположена на роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора, а их электрическое соединение прямое, без контактных колец и щеток, через вращающийся выпрямитель 3. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя В осуществляется от фотоэлектрического возбудителя — генератора постоянного тока. Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронного генератора позволяет повысить его эксплуатационную безопасность и эффективность.

Синхронные генераторы, включая гидрогенераторы, используют принцип самовозбуждения (рис. 1.4, а), при котором энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и преобразуется в энергию постоянного тока через понижающий трансформатор и полупроводниковый выпрямитель СП. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного магнетизма машины.

На рис. 1.4 б показана принципиальная схема автоматического синхронного самовозбуждающегося генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через который переменный ток из цепи статора СГ подается в обмотку возбуждения после преобразования в постоянный. Тиристорный преобразователь управляется автоматическим регулятором возбуждения ARB, который получает сигналы входного напряжения SG (через трансформатор напряжения) и тока нагрузки SG (от трансформатора тока). Схема включает модуль защиты (PP), который защищает обмотку возбуждения от перенапряжения и перегрузки по току.

Асинхронный генератор. Отличия от синхронного

Асинхронные генераторы принципиально отличаются от синхронных генераторов тем, что между скоростью вращения ротора и генерируемой ЭЭД нет жесткой зависимости. Разница между этими частотами характеризуется коэффициентом скольжения s.

где: n — частота вращения магнитного поля (частота ЭДС). n _r — скорость вращения ротора.

Более подробно о расчетах скольжения и частоты см: Асинхронные генераторы. Частота.

В нормальном режиме работы электромагнитное поле асинхронного генератора n под нагрузкой оказывает тормозящий момент на вращение ротора, поэтому частота изменения магнитного поля ниже, а дрейф отрицательный. Генераторы, работающие в диапазоне положительного скольжения, являются асинхронными генераторами скорости и преобразователями частоты.

В зависимости от применения асинхронные трехфазные генераторы проектируются как генераторы с короткозамкнутым, фазным или полым валом. Энергия возбуждения, необходимая для ротора, может генерироваться либо статическими конденсаторами, либо инверторами с искусственно изменяемыми затворами.

Асинхронные генераторы можно классифицировать по способу возбуждения, типу выходной частоты (переменная, постоянная), способу стабилизации напряжения, диапазонам рабочего скольжения, конструкции и количеству фаз. Последние две особенности характеризуют конструктивные особенности генераторов. Тип выходной частоты и метод стабилизации напряжения в значительной степени определяются способом генерации магнитного потока. Классификация по способу возбуждения является наиболее важной.

Можно провести различие между самовозбуждающимися и отдельно возбуждающимися генераторами.

Самовозбуждение в асинхронных генераторах может осуществляться: а) конденсаторами в цепи статора или ротора или одновременно в первичной и вторичной цепи; б) вентильными преобразователями с естественным и искусственным переключением заслонок.

Независимое возбуждение может быть обеспечено внешним источником переменного напряжения.

Генераторы с самостимуляцией можно разделить на две группы в зависимости от частоты. Первая группа состоит из источников с почти постоянной (или фиксированной) частотой, вторая — с переменной (регулируемой) частотой. Последние используются для привода асинхронных двигателей с плавно изменяемой частотой.

Более подробное обсуждение принципа работы и конструктивных особенностей асинхронных генераторов можно найти в отдельных публикациях.

Асинхронные генераторы не требуют в своей конструкции сложных блоков возбуждения постоянного тока или дорогостоящих материалов с большим запасом магнитной энергии, поэтому они широко применяются пользователями мобильных электростанций благодаря своей простоте и неприхотливости в обслуживании. Они используются для питания оборудования, не требующего постоянного задания частоты. Техническим преимуществом асинхронных генераторов является их устойчивость к перегрузкам и короткому замыканию. На этой странице вы найдете некоторую информацию о мобильных электрогенераторах: Дизельные генераторы. Дизельные генераторы. Альтернаторы. Индукционные генераторы. Индукционный генератор.