Что такое синхронный генератор

Синхронный генератор: устройство, виды и применение

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

История создания

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

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

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

Устройство и назначение

Конструкция подобных агрегатов задействует только два главных элемента:

• ротор;
• статор.

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

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

Характеристики

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

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

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

Принцип действия

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Следующая классификация подразумевает деление мобильных станций на отдельные виды.

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

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

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

Выделяют несколько распространенных моделей подобных устройств.

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

• Безредукторные. В основном используются в автономных системах.

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

• Гистерезисные. Такие генераторы задействуют для счетчиков времени.

• Индукторные. Обеспечивают работу электроустановок.

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

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

Область применения

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

• атомных;
• тепловых;
• гидроэлектростанциях.

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

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

Как выбрать?

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

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

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

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

Однако не всегда покупка подобной мобильной электростанции становится лучшим решением.

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

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

Эксплуатация

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

1. поменять конструкцию агрегата, заранее предусмотрев, какое количество полюсов необходимо для работы электромагнита;
2. обеспечить требуемую частоту вращения вала без каких-либо изменений в конструкции.

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.

Принцип работы и устройство синхронного генератора переменного тока

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

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

Устройство

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

Бесщёточные генераторы.

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

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

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

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.

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.

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.

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.

Синхронный генератор. Устройство генератора и принцип действия

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.

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.

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.

Описание прибора

Устройство синхронного генератора обусловлено наличием таких элементов, как:

• 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.

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.

Принцип работы агрегата

Работа синхронного генератора осуществляется по принципу электромагнитной индукции. Во время холостого движения якорная (статорная) катушка разомкнута, поэтому магнитное поле агрегата формируется одной обмоткой ротора. Когда ротор крутится от проводного мотора, у него присутствует постоянная частота, роторное магнитное поле перемещается через проводники обмоток фаз статора и осуществляет наводку повторяющихся переменных токов – электродвижущую силу (ЭДС). ЭДС носит синусоидальный, несинусоидальный либо пульсирующий характер.

Обмотка возбуждения предназначается для создания в генераторе первоначального магнитного поля, чтобы навести в катушку якоря электрическую движущую силу. В случае если якорь синхронного генератора приводят в движение путем вращения с определенной скоростью, затем возбуждают источником постоянных токов, то поток возбуждения переходит через проводники катушек статора, и в фазах катушки индуцируются переменные ЭДС.

Генератор и закон электромагнетизма Фарадея.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в условиях, когда проводник движется внутри магнитного поля, образуется эффект пересечения магнитных силовых линий. По этой причине внутри проводника индуцируется ЭДС (электродвижущая сила).

Величина индуцированной электродвижущей силы проводника напрямую зависит от разницы скорости магнитного потока (магнитной силы), действующего на проводник. Электродвижущая сила приведет к протеканию тока, при условии замкнутой цепи проводника.

Следовательно, основными элементами, обеспечивающими работу генератора, являются проводники магнитного поля, которые передвигаются внутри текущего магнитного поля. Для лучшего понимания принципа действия генератора постоянного тока рассмотрим простейшую конструкцию.

Трехфазное устройство

Трехфазный синхронный генератор – устройство, имеющее трехфазную структуру переменного тока, которая имеет огромное практическое распространение. Крутящийся электромагнит способен образовывать магнитный поток (переменный), который перемещается через три фазы обмотки имеющегося статора. И результатом этого является то, что в фазах происходит переменная ЭДС однотипной частоты, сдвиг фаз осуществляется под углом, равным одной третьей периода вращения магнитных полей.

Трехфазный синхронный генератор оборудован так, что на его валу якорь является электромагнитом и питается от генератора. Когда вал вращается, к примеру, от турбины, генератор поставляет электроток, в то время как обмотка ротора питается поставляемым током. От этого якорь становится электрическим магнитом и, осуществляя обороты с тем же валом, доставляет вращающееся электромагнитное поле.

Благодаря синхронным трехфазным гидро- и турбогенераторам производится большая часть электроэнергии. Синхронные агрегаты применяются и в качестве электромоторов в таких устройствах, у которых мощность превышает 50 кВт. Во время работы синхронного агрегата в графике двигателя сам ротор соединяют с источником постоянных токов, статор же подключают к трехфазному кабелю.

Генератор постоянного тока – принцип работы

Картинка ниже показывает одну петлю проводника прямоугольной формы, которая помещается между двумя противоположно расположенными полюсами магнита.

Упрощённая схема устройства генерации электричества: N, S – магнитные полюса; N, N1 – ось вращения рамочного проводника; A, B, C, D – контур рамочного проводника

Условно предполагается, что прямоугольная петля проводника (ABCD) вращается внутри магнитного поля вокруг собственной оси N – N1.

Момент, когда вращением петля проводника перемещается от вертикального положения в положение горизонтальное, происходит «разрез» линии потока магнитного поля. Учитывая наличие двух сторон петли проводника (AB и CD), «обрезка» линий магнитного потока формирует ЭДС по обеим сторонам.

По мере прохождения цикла, естественным образом образуется циркуляция энергии. Направление тока, в данном случае, устанавливает правило правой руки Флеминга. Этот закон электродинамики гласит:

Если разложить ладонь правой руки большим, указательным, средним пальцами перпендикулярно относительно каждого из пальцев, направление большого пальца укажет движение проводника, указательного пальца — магнитного поля, среднего пальца — направление тока, текущего через проводник.

Наглядный пример применения правила Флеминга для правой руки, определяющего направление движения силовых полей. 1 – направление движения проводника, 2 – движение магнитного потока; 3 – движение энергии внутри проводника; 4, 5 – магнитные полюса

Теперь, когда учитывается применение правила Флеминга для правой руки, горизонтальное положение петли отметится протеканием энергии от зоны A к зоне B, тогда как на другой стороне контура энергетический потенциал фиксируется на участке от зоны C к зоне D.

При условии дальнейшего продолжения цикла (движения петли проводника), логичным видится возврат контура из горизонтального в вертикальное положение. Однако наверху теперь окажется сторона контура CD, тогда как сторона AB будет находиться внизу.

Тангенциальное движение сторон ротора

При таком положении контура, тангенциальное движение сторон петли отмечается параллельно линиям потока магнитного поля. Следовательно, «разрез» линий магнитного поля фиксироваться не будет. Такое состояние контура логически исключает появление тока в проводнике.

Продолжением цикла контур вновь переходит в горизонтальное положение. Однако теперь сторона AB петли контура окажется в зоне N полюса, а сторона CD в области полюса S. Выстраивается положение прямо противоположное предыдущему горизонтальному положению, как показано на картинке ниже.

Схематичный упрощённый пример, наглядно показывающий направление силовых потоков при горизонтальном расположении рамочного проводника. 1 – направление магнитного потока; 2 – движение энергии в зоне A – B; 3 – движение энергии в зоне C — D

Здесь тангенциальное движение сторон петли перпендикулярно линиям потока, поэтому скорость «обрезки» магнитного потока максимальна.

Тогда, исходя из правила правой руки Флеминга, указанное положение формирует ток, который течёт от зоны B к зоне A одной стороны контура и от зоны D к зоне C другой стороны контура.

Теперь, если цикл вращения рамки вокруг собственной оси продолжается, каждый раз, когда сторона АВ попадает в область полюса S, энергия течёт от зоны A к зоне B. Когда же эта сторона контура приходит в область полюса N, ток течёт от зоны B к зоне A. Аналогично процесс выглядит для противоположной стороны рамки.

Если обобщить это явление с учётом разных путей, напрашивается логичный вывод. Когда любая сторона петли попадает в область N полюса, энергия течёт через эту часть контура в одном направлении и продолжает своё движение в области S полюса, но уже в другом направлении.

В результате полного вращения, рамка контура по всему периметру находится под током, который можно снять для питания нагрузки.

Съём тока с генератора для питания нагрузки

Картинка ниже демонстрирует, как на первой половине оборота контура ток течёт через проводник (AB), снимается на щётку (1) и подаётся к нагрузке (LM) от которой следует далее к щётке (2) генератора.

Следующая половина оборота контура меняет направление индуцированного тока на противоположное. В то же время положение сегментов a и b также меняется на противоположное.

Эта смена способствует вхождению щётки (2) в контакт с сегментом b. Следовательно, ток от сопротивления нагрузки течёт через щётку (2) и далее к проводнику CD. Волна от тока через цепь нагрузки показана на рисунке. Этот ток является однонаправленным.

Это базовый принцип работы генератора постоянного тока на основе модели с одним контуром. Положение щеток генератора постоянного тока фиксируется следующим образом:

Смена сегментов a и b и переход от одной щетки к другой происходит, когда плоскость вращающегося контура находится под прямым углом к плоскости магнитных линий. Если контур располагается в этом положении, индуцированная электродвижущая сила равна нулю.

Структуры возбуждения

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

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

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

Конструкция генератора

На данный момент производится много видов индукционных приборов, но устройство генератора создано так, что в них присутствуют одинаковые части:

• Электромагнит либо постоянный магнит, что производит магнитное поле.
• Обмотка с индуцирующейся переменной ЭДС.

Чтобы получить наибольший магнитный поток, во всех генераторах используют специальную магнитную структуру, которая состоит из двух стальных сердечников.

Обмотки, что создают магнитное поле, установлены в пазах одного из сердечников, а обмотки, индуцируемые ЭДС – в пазах другого. Один из сердечников — внутренний — взаимодействует со своей обмоткой и крутится вокруг горизонтального либо вертикального стержня. Такой стержень называется ротором. Недвижимый сердечник с обмоткой называется якорем (статором).

6.2. ЭДС СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

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

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

где n — частота вращения ротора генератора, Ф — магнитный поток, c — постоянный коэффициент. При подключении нагрузки напряжение на зажимах генератора в разной степени меняется. Так, увеличение активной нагрузки не оказывает заметного влияния на напряжение. В то же время индуктивная и емкостная нагрузки влияют на выходное на-пряжение генератора. В первом случае рост нагрузки размагничивает генератор и снижает напряжение, во втором происходит его подмагничивание и повышение напряжения. Такое явление называется реакцией якоря. Для обеспечения стабильности выходного напряжения генератора необходимо регулировать магнитный поток. При его ослаблении машину надо подмагнитить

, при увеличении —
размагнитить
. Делается это путем регулирования тока, подаваемого в обмотку возбуждения ротора генератора.

Характеристики прибора

Для оценки функции синхронных генераторов применяются те же самые характеристики, какие применяются в генераторах постоянного тока. Только некоторые условия различаются и дополняются.

Главные характеристики синхронного генератора такие:

• Холостой ход – это зависимость ЭДС прибора от токов возбуждения, одновременно является показателем намагничивания магнитных цепей машины.
• Внешняя характеристика – это зависимость напряжения устройства от токов нагрузки. Напряжение агрегата меняется по-разному в зависимости от увеличения нагрузки при различных ее видах. Причины, что вызывают такие изменения, следующие:

1. Падение значения напряжения на индуктивном и активном сопротивлении обмоток устройства. Увеличивается по мере того, как увеличивается нагрузка прибора, то есть его ток.
2. Изменение ЭДС агрегата. Происходит в зависимости от реакции статора. При активных нагрузках уменьшение напряжения будет вызвано падением напряжения во всех обмотках, потому что реакция статора влечет за собой увеличение ЭДС генератора. При активно-емкостных видах нагрузки эффект намагничивания вызывает увеличение текущего значения напряжения по сравнению с номинальным показателем.

• Регулировочные характеристики синхронного генератора – это зависимость токов возбуждения от токов нагрузки. В процессе работы синхронных агрегатов нужно поддерживать постоянное напряжение на их зажимах независимо от характера и величины нагрузок. Этого несложно достигнуть, если регулировать ЭДС генератора. Это можно сделать путем изменения токов воз­буждения автоматически в зависимости от изменений нагрузок, то есть при активно-емкостной нагрузке нужно уменьшать ток возбуждения для поддержания постоянного напряжения, а при активно-индуктивной и активной — увеличивать.

Мощность синхронного генератора определяется такими значениями:

• Соответствующим напряжением в электросети.
• Своей ЭДС.
• Углом измерения.

ПУЭ 7. Правила устройства электроустановок. Издание 7

1.8.13. Синхронные генераторы мощностью более 1 МВт напряжением выше 1 кВ, а также синхронные компенсаторы должны испытываться в полном объеме настоящего параграфа.

Генераторы мощностью до 1 МВт напряжением выше 1 кВ должны испытываться по п. 1-5, 7-15 настоящего параграфа.

Генераторы напряжением до 1 кВ независимо от их мощности должны испытываться по п. 2, 4, 5, 8, 10-14 настоящего параграфа.

1. Определение возможности включения без сушки генераторов выше 1 кВ. При решении вопроса о необходимости сушки компаундированной, термореактивной и гильзовой изоляции обмотки статора синхронного генератора или синхронного компенсатора следует руководствоваться указаниями разд. 3 «Электрические машины» СНиП 3.05.06-85. «Электротехнические устройства» Госстроя России.

Для генераторов с бумажно-масляной изоляцией необходимость сушки устанавливается в соответствии с инструкцией завода-изготовителя.

Для турбогенераторов типа ТГВ-300 допускается включение без сушки при коэффициенте нелинейности более 3, если остальные характеристики изоляции ( R60/R15 и R60) удовлетворяют установленным нормам.

2. Измерение сопротивления изоляции. Сопротивление изоляции должно быть не менее значений, приведенных в табл. 1.8.1.

3. Испытание изоляции обмотки статора повышенным выпрямленным напряжением с измерением тока утечки по фазам. Испытанию подвергается каждая фаза или ветвь в отдельности при других фазах или ветвях, соединенных с корпусом.

У генераторов с водяным охлаждением обмотки статора испытание производится в случае, если возможность этого предусмотрена в конструкции генератора.

Значения испытательного напряжения приведены в табл. 1.8.2.

Для турбогенераторов типа ТГВ-300 испытание следует производить по ветвям.

Испытательное выпрямленное напряжение для генераторов типов ТГВ-200 и ТГВ-300 следует принимать в соответствии с инструкцией по эксплуатации этих генераторов.

Таблица 1.8.1. Допустимое сопротивление изоляции.

Испытуемый объект	Напряжение мегаомметра, кВ	Сопротивление изоляции
Обмотка статора напряжением до 1 кВ (каждая фаза в отдельности относительно корпуса и других заземленных фаз)	1	Не менее 0,5 МОм при температуре 10-30 °С
То же напряжением выше 1 кВ	2,5	Должно соответствовать требованиям, приведенным в разд. 3 «Электрические машины» СНиП 3.05.06-85. У генераторов с водяным охлаждением обмоток сопротивление изоляции измеряется без воды в обмотке статора при соединенных с экраном мегаомметра водосборных коллекторах, изолированных от внешней системы охлаждения
Обмотка ротора	1 (допускается 0,5)	Не менее 0,5 МОм при температуре 10-30 °С. Допускается ввод в эксплуатацию неявнополюсных роторов, имеющих сопротивление изоляции не ниже 2 кОм при температуре +75 °С или 20 кОм при +20 °С
Подшипники генератора и сопряженного с ним возбудителя	1	Сопротивление изоляции, измеренное относительно фундаментной плиты при полностью собранных маслопроводах, должно быть не менее 0,3 МОм для гидрогенератора и не менее 1 МОм для турбогенератора. Для гидрогенератора измерение производится, если позволяет конструкция генератора
Водородные уплотнения вала	1	Не менее 1 МОм
Щиты вентиляторов турбогенераторов серии ТВВ	1	Сопротивление изоляции, измеренное относительно внутреннего щита и между полущитами вентиляторов, должно быть не менее 0,5 МОм
Щиты вентиляторов турбогенераторов серии ТГВ	1	Сопротивление изоляции, измеренное между частями диффузоров, должно быть не менее 1 МОм
Доступные изолированные стяжные болты стали статора	1	Не менее 1 МОм
Диффузор и обтекатель у турбогенераторов серии ТГВ	0,5	Сопротивление изоляции, измеренное между уплотнением и задним диском диффузора, диффузором и внутренним щитом, обтекателем и внутренним щитом, двумя половинками обтекателя, должно быть не менее 1 МОм
Термоиндикаторы генераторов и синхронных компенсаторов:
с косвенным охлаждением обмоток статора	0,25	Сопротивление изоляции, измеренное совместно с сопротивлением соединительных проводов, должно быть не менее 1 МОм
с непосредственным охлаждением обмоток статора	0,5	Сопротивление изоляции, измеренное совместно с сопротивлением соединительных проводов, должно быть не менее 0,5 МОм
Цепи возбуждения генератора и возбудителя (без обмоток ротора и электромашинного возбудителя)	1 (допускается 0,5)	Сопротивление изоляции, измеренное с сопротивлением всей присоединенной аппаратуры, должно быть не менее 1 МОм

Таблица 1.8.2. Испытательное выпрямленное напряжение для обмоток статоров синхронных генераторов и компенсаторов.

Мощность генератора, МВт, компенсатора, МВ·А	Номинальное напряжение, кВ	Амплитудное испытательное напряжение, кВ
Менее 1	Все напряжения	2,4Uном+1,2
1 и более	До 3,3	2,4Uном+1,2
	Выше 3,3 до 6,6	3Uном
	Выше 6,6	2,4Uном+3,6

Измерение токов утечки для построения кривых зависимости их от напряжения производится не менее чем при пяти значениях выпрямленного напряжения — от 0,2 Umax до Umax равными ступенями. На каждой ступени напряжения выдерживается в течение 1 мин. При этом фиксируются токи утечки через 15 и 60 с.

Оценки полученной характеристики производятся в соответствии с требованиями разд. 3 «Электрические машины» СНиП 3.05.06-85 Госстроя России.

4. Испытание изоляции повышенным напряжением промышленной частоты. Испытание проводится по нормам, приведенным в табл. 1.8.3. Испытанию подвергается каждая фаза или ветвь в отдельности при других фазах или ветвях, соединенных с корпусом.

Таблица 1.8.3. Испытательное напряжение промышленной частоты для обмоток синхронных генераторов и компенсаторов.

Испытуемый объект	Характеристика электрической машины	Испытательное напряжение, кВ
Обмотка статора синхронного генератора и компенсатора	Мощность до 1 МВт, номинальное напряжение выше 100 В	1,6Uном+0,8, но не менее 1,2
	Мощность более 1 МВт, номинальное напряжение до 3,3 кВ	1,6Uном+0,8,
	То же, но номинальное напряжение выше 3,3 кВ до 6,6 кВ	2Uном
Цепи возбуждения генератора со всей присоединенной аппаратурой (без обмоток ротора и возбудителя)	–	1
Реостат возбуждения	–	1
Резистор гашения поля	–	2
Заземляющий резистор	–	1,5Uном генератора
Обмотка статора синхронных генераторов, у которых стыковка частей статора производится на месте монтажа (гидрогенераторы) по окончании полной сборки обмотки и изолировки соединений	Мощность более 1 МВт, номинальное напряжение выше 6,6 кВ	1,6Uном+2,4
	Мощность до 1 МВт, номинальное напряжение выше 100 В	2Uном+1, но не менее 1,5
	Мощность более 1 МВт, номинальное напряжение до 3,3 кВ	2Uном+1
	То же, но номинальное напряжение выше 3,3 кВ до 6,6 кВ	2,5Uном
	То же, но номинальное напряжение выше 6,6 кВ	2Uном+3
Обмотка явнополюсного ротора	–	7,5Uном возбуждения генератора, но не менее 1,1 и не более 2,8
Обмотка неявнополюсного ротора	–	1 (в том случае, если это не противоречит требованиям технических условий завода-изготовителя)

Продолжительность приложения нормированного испытательного напряжения 1 мин.

При проведении испытаний изоляции повышенным напряжением промышленной частоты следует руководствоваться следующим:

а) испытание изоляции обмоток статора генератора рекомендуется производить до ввода ротора в статор. Если стыковка и сборка статора гидрогенератора осуществляются на монтажной площадке и впоследствии статор устанавливается в шахту в собранном виде, то изоляция его испытывается дважды: после сборки на монтажной площадке и после установки статора в шахту до ввода ротора в статор.

В процессе испытания осуществляется наблюдение за состоянием лобовых частей машины: у турбогенераторов — при снятых торцовых щитах, у гидрогенераторов — при открытых вентиляционных люках;

б) испытание изоляции обмотки статора для машин с водяным охлаждением следует производить при циркуляции дистиллированной воды в системе охлаждения с удельным сопротивлением не менее 75 кОм/см и номинальном расходе;

в) после испытания обмотки статора повышенным напряжением в течение 1 мин у генераторов 10 кВ и выше испытательное напряжение снизить до номинального напряжения генератора и выдержать в течение 5 мин для наблюдения за коронированием лобовых частей обмоток статора. При этом не должно быть сосредоточенного в отдельных точках свечения желтого или красного цвета, появления дыма, тления бандажей и тому подобных явлений. Голубое и белое свечение допускается;

г) испытание изоляции обмотки ротора турбогенераторов производится при номинальной частоте вращения ротора.

5. Измерение сопротивления постоянному току. Нормы допустимых отклонений сопротивления постоянному току приведены в табл. 1.8.4.

Таблица 1.8.4. Допустимое отклонение сопротивления постоянному току.

Испытуемый объект	Норма
Обмотка статора (измерение производить для каждой фазы или ветви в отдельности)	Измеренные сопротивления в практически холодном состоянии обмоток различных фаз не должны отличаться одно от другого более чем на 2%. Вследствие конструктивных особенностей (большая длина соединительных дуг и пр.) расхождение между сопротивлениями ветвей у некоторых типов генераторов может достигать 5%
Обмотка ротора	Измеренное сопротивление обмоток не должно отличаться от данных завода-изготовителя более чем на 2%. У явнополюсных роторов измерение производится для каждого полюса в отдельности или попарно
Резистор гашения поля, реостаты возбуждения	Сопротивление не должно отличаться от данных завода-изготовителя более чем на 10%

6. Измерение сопротивления обмотки ротора переменному току промышленной частоты. Производится для генераторов мощностью более 1 МВт. Измерение следует производить при напряжении не более 220 В на трех-четырех ступенях частот вращения, включая номинальную, а также в неподвижном состоянии. Для явнополюсных машин при неизолированных местах соединений в неподвижном состоянии измерение производится для каждого полюса в отдельности или попарно. Отклонения измеренных значений от данных завода-изготовителя или от среднего сопротивления полюсов должны находиться в пределах точности измерения.

7. Измерение воздушного зазора между статором и ротором генератора. Если инструкциями на генераторы отдельных типов не предусмотрены более жесткие нормы, то зазоры в диаметрально противоположных точках могут отличаться друг от друга не более чем:

• на 5% среднего значения (равного их полусумме) — для турбогенераторов 150 МВт и выше с непосредственным охлаждением проводников;
• на 10% — для остальных турбогенераторов;
• на 20% — для гидрогенераторов.

Измерение зазора у явнополюсных машин производится под всеми полюсами.

8. Проверка и испытание системы возбуждения. Проверку и испытание электромашинных возбудителей следует производить в соответствии с 1.8.14. Проверка и испытание полупроводниковых высокочастотных возбудителей производятся в соответствии с инструкцией завода-изготовителя.

9. Определение характеристик генератора:

а) трехфазного КЗ. Характеристика снимается при изменении тока до номинального. Отклонения от заводской характеристики должны находиться в пределах точности измерения.

Снижение измеренной характеристики, которое превышает точность измерения, свидетельствует о наличии витковых замыканий в обмотке ротора.

У генераторов, работающих в блоке с трансформатором, снимается характеристика КЗ всего блока (с установкой закоротки за трансформатором). Характеристику собственно генератора, работающего в блоке с трансформатором, допускается не определять, если имеются протоколы соответствующих испытаний на стенде заводов-изготовителей.

У синхронных компенсаторов без разгонного двигателя снятие характеристик трехфазного КЗ производится на выбеге в том случае, если не имеется характеристики, снятой на заводе;

б) холостого хода. Подъем напряжения номинальной частоты на холостом ходу производить до 130% номинального напряжения турбогенераторов и синхронных компенсаторов, до 150% номинального напряжения гидрогенераторов. Допускается снимать характеристику холостого хода турбо- и гидрогенератора до номинального тока возбуждения при пониженной частоте вращения генератора при условии, что напряжение на обмотке статора не будет превосходить 1,3 номинального. У синхронных компенсаторов разрешается снимать характеристику на выбеге. У генераторов, работающих в блоке с трансформаторами, снимается характеристика холостого хода блока; при этом генератор возбуждается до 1,15 номинального напряжения (ограничивается трансформатором). Характеристику холостого хода собственно генератора, отсоединенного от трансформатора блока, допускается не снимать, если имеются протоколы соответствующих испытаний на заводе-изготовителе. Отклонение характеристики холостого хода от заводской не нормируется, но должно быть в пределах точности измерения.

10. Испытание междувитковой изоляции. Испытание следует производить подъемом напряжения номинальной частоты генератора на холостом ходу до значения, соответствующего 150% номинального напряжения статора гидрогенераторов, 130% — турбогенераторов и синхронных компенсаторов. Для генераторов, работающих в блоке с трансформатором, — см. указания п. 9. При этом следует проверить симметрию напряжений по фазам. Продолжительность испытания при наибольшем напряжении — 5 мин. Испытание междувитковой изоляции рекомендуется производить одновременно со снятием характеристики холостого хода.

11. Измерение вибрации. Вибрация (удвоенная амплитуда колебаний) подшипников синхронных генераторов и компенсаторов, измеренная в трех направлениях (у гидрогенераторов вертикального исполнения производится измерение вибрации крестовины со встроенными в нее направляющими подшипниками), и их возбудителей не должна превышать значений, приведенных в табл. 1.8.5.

Номинальная частота вращения ротора, мин-1	3000*	1500-500**	375-214	187	До 100
Вибрация, мкм	40	70	100	150	180

* Для генераторов блоков мощностью 150 МВт и более вибрация не должна превышать 30 мкм.

**Для синхронных компенсаторов с частотой вращения ротора 750-1000 мин-1 вибрация не должна превышать 80 мкм.

12. Проверка и испытание системы охлаждения. Производятся в соответствии с инструкцией завода-изготовителя.

13. Проверка и испытание системы маслоснабжения. Производятся в соответствии с инструкцией завода-изготовителя.

14. Проверка изоляции подшипника при работе генератора (компенсатора). Производится путем измерения напряжения между концами вала, а также между фундаментной плитой и корпусом изолированного подшипника. При этом напряжение между фундаментной плитой и подшипником должно быть не более напряжения между концами вала. Различие между напряжениями более чем на 10% указывает на неисправность изоляции.

15. Испытание генератора (компенсатора) под нагрузкой. Нагрузка определяется практическими возможностями в период приемо-сдаточных испытаний. Нагрев статора при данной нагрузке должен соответствовать паспортным данным.

16. Измерение остаточного напряжения генератора при отключении АГП в цепи ротора. Значение остаточного напряжения не нормируется.

17. Определение индуктивных сопротивлений и постоянных времени генератора. Значения индуктивных сопротивлений и постоянных времени не нормируются.

Прибор переменного тока

Синхронный генератор переменного тока – это электромашина, что преобразует механическую вращательную энергию в электрическую энергию переменных токов. Мощные генераторы таких токов устанавливают:

• гидрогенератор турбогенератор – на электростанциях;
• приборы переменного тока сравнительно небольшой мощности — в системах автономного энергоснабжения (газотурбинная электростанция, дизельная электростанция) и в частотных преобразователях (двигатель-генератор).

В настоящее время выпускается множество типов таких приборов, но все они имеют общее устройство главных элементов:

• якорь (статор) – неподвижный;
• крутящийся вокруг оси ротор.

В промышленных генераторах больших размеров вращается электромагнит, являющийся ротором. Одновременно с этим обмотки с наводящимися ЭДС, уложенные в пазы статора, остаются неподвижными.

В таких устройствах, как маломощный синхронный генератор, магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом.

Особенности автоматических синхронизаторов (АС)

Современные АС выполняют точную автоматическую синхронизацию с помощью микропроцессора. Они имеют соответствующее климатическое исполнение и выполняют:

• регулирование частоты ГУ импульсами противоположных знаков для достижения оптимального значения;
• регулирование напряжения с заданной точностью;
• выбор установки времени опережения;
• индикацию состояния АС и ГУ;
• контроль и диагностику отказов с распознаванием неисправностей и недостоверности данных;
• передачу информации по сети;
• сохранение данных.

Устройства оснащаются программным обеспечением с моделью объекта регулирования для выбора предварительных настроек и обучения персонала. В них предусмотрены режимы ручного и автоматического тестирования. Оборудование выпускается в виде отдельного модуля, устанавливается в шкаф автоматики или предлагается как панель синхронизации. При этом функции у всех разновидностей одинаковые.

Виды синхронных агрегатов

Существуют следующие виды синхронных генераторов:

1. Гидро – в нем ротор имеет отличие за счет присутствия явно выраженных полюсов, применяется при производстве электроэнергии, осуществляет работу на малых оборотах.
2. Турбо – имеет отличия неявнополюсным строением генератора, производится от турбин разного вида, скорость оборотов довольно высокая, достигает порядка 6000 оборотов в минуту.
3. Компенсатор синхронный – данный агрегат поставляет реактивную мощность, применяется для повышения качества электроэнергии, чтобы стабилизировать напряжение.
4. Асинхронный агрегат двойного питания – устройство генератора такого типа заключается в том, что в нем подключается как роторная, так и статорная обмотки от поставщика токов с различной частотой. Создается асинхронный график работы. Также он отличается устойчивостью графика работы и тем, что преобразовывает разные токи фаз и используется для решения задач с узкой специализацией.
5. Двухполюсный ударный агрегат – работает в графике короткого замыкания, воздействует кратковременно, в миллисекундах. Также испытывает аппараты с высоким напряжением.

Разновидности агрегатов

Синхронный генератор (мотор) подразделяется на несколько моделей, которые предназначены для разнообразных целей:

• Шаговые (импульсные) – применяются для приводов механизмов с циклом работы старт-стоп или устройств непрерывного движения с импульсным управляющим сигналом (счетчиков, лентопротяжных устройств, приводов станков с ЧПУ и др.).
• Безредукторные – для применения в автономных системах.
• Бесконтактные – применяются для работы в качестве электростанций на судах морского и речного флота.
• Гистерезисные – используются для счетчиков времени, в инерционных электроприводах, в системах автоматического управления;
• Индукторные моторы – для снабжения электроустановок.

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.

Конструкция синхронного электродвигателя с обмоткой возбуждения

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Статор обычно имеет стандартную трехфазную обмотку, а ротор выполнен с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения соединена с контактными кольцами к которым через щетки подходит питание.

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения (щетки не показаны)

Синхронный генератор: устройство, виды и применение

Синхронный генератор – электрическая машина, приводимая во вращение внешним двигателем и отдающая в сеть мощность. Синхронный генератор получил широкое распространение в силу своих достоинств, которые будут описаны ниже. В настоящее время синхронные генераторы используются на большинстве электростанций, в системах электроснабжения автомобилей, судов, тепловозов.

Устройство

Конструкция синхронного генератора

Синхронный генератор состоит из двух принципиально важных частей – подвижного ротора (8) и неподвижного статора (7). Ротор представляет собой медную обмотку, укрепленную на магнитопроводе, на роторе находится полюсная система. Статор представляет из себя пакет листовой стали, в пазы которого уложена медная обмотка. Для подвода тока возбуждения к обмотке ротора используется щеточно-коллекторный аппарат (6). Для генерации тока возбуждения используется возбудитель (1-5), конструктивно выполненный в виде маломощного генератора постоянного тока. Для отвода тепла от статора и ротора, вызванного прохождением тока по обмоткам, используется система охлаждения (9), которая в маломощных генераторах представлена в виде вентилятора, в крупных машинах она реализована в виде водородной системы охлаждения. Все эти элементы заключены в корпус (10, 12). Для приведения во вращение генератора используется шкив (11). У крупных генераторов соединение с приводным двигателем выполняется муфтой.

Характеристики

Характеристики синхронного генератора подразделяются на:

• Характеристика холостого хода. Он представляет собой зависимость ЭДС от тока возбуждения, анализируя эту характеристику, можно понять, насколько качественно изготовлены элементы магнитной цепи синхронного генератора.

• Нагрузочная характеристика. Он подразумевает параллельную связь между напряжением катушки и током нагрузки. Значение зависит от типа нагрузки, применяемой к устройству. Среди причин, которые могут вызвать изменения, можно назвать увеличение или уменьшение блока ЭДС, а Также падение напряжения на обмотках установленной катушки, которая находится внутри устройства.

• Регулировочная характеристика. Снятие этой характеристики позволяет узнать, как нужно изменять ток возбуждения синхронного генератора, для того что бы поддерживать напряжение на постоянном уровне.

• Характеристика короткого замыкания. Снимается при закорачивании всех фазных обмоток генератора между собой. Снятие этой характеристики позволяет определить зависимость тока короткого замыкания от тока возбуждения.

Принцип работы

В основе принципа действия синхронного генератора лежит закон электромагнитной индукции (1):

Где, Φ – Магнитный поток, пронизывающий обмотку, Вб

t – изменение времени.

Закон электромагнитной индукции гласит: изменение магнитного потока во времени вызывает ЭДС, в пронизываемом этим магнитным потоком проводящем контуре. Довольно непонятно. Разберемся более детально.

На вращающийся ротор синхронного генератора подается постоянный ток. Этот ток создает свое магнитное поле (поле возбуждения). Магнитное поле, созданное током ротора, сцепляется с обмоткой статора, в этой обмотке создается переменная ЭДС, действующее значение которой можно записать в виде формулы (2):

Видно, что статорная ЭДС зависима от частоты вращения ротора и параметров поля возбуждения.

Магнитное поле, создаваемое током ротора, можно характеризовать тремя величинами:

-магнитодвижущей силой (МДС) – способность токов создавать магнитное поле, описывается формулой (3):

где I ток, порождающий магнитное поле, ω – число витков обмотки, по которой протекает ток. Таким образом, чем больше сила тока, протекающего по обмотке, тем значительнее создаваемое им поле;

-магнитной индукцией – силовая характеристика магнитного поля, а именно способность поля воздействовать на движущиеся заряженные частицы, для синхронной электрической машины формулу магнитной индукции можно выразить в виде (4):

-потоком вектора магнитной индукции (магнитным потоком) – величина, характеризующая число силовых линий, пронизывающих проводящий контур. Таким образом, чем значительней магнитная индукция и магнитный поток, тем значительней наводимая ЭДС.

При анализе вышеприведенных формул заметно, что такие параметры как напряжение, мощность, ток зависят от конструктивных параметров синхронной машины: чисел витков статорной и роторной обмоток, величины воздушного зазора между статором и ротором и др.

При подключении нагрузки к статорной обмотке синхронного генератора в ней возникает переменный по величине и направлению ток, частота этого тока зависит от частоты вращения ротора синхронного генератора.

Принцип действия синхронного генератора можно легко понять, проанализировав рисунок анимированный рисунок ниже

Принцип действия синхронного генератора

При подаче постоянного тока на ротор синхронного генератора создается магнитное поле, магнитный поток которого выходит из северного полюса, сцепляется со статорной обмоткой, и входит в южный полюс. Таким образом, вращающийся ротор в статорной обмотке генератора попеременно создает ЭДС меняющуюся по величине и направлению.

Классификация синхронных генераторов

— маломощные, от 0,1 Вт до 100 кВт;

— средней мощности, от 100 кВт до 10 МВт;

— большой мощности, от 10 МВт до 1200 МВт.

По способу соединения обмоток:

По классу напряжения:

По типу системы охлаждения:

— воздушная система охлаждения;

— водяная система охлаждения;

— водродно-водяная система охлаждения.

По типу исполнения:

— турбогенераторы (первичный двигатель — паровая или газовая турбина);

— гидрогенераторы (первичный двигатель — гидротурбина);

Гидрогенератор Новосибирской ГЭС.

— специальной конструкции (автомобильные, судовые, авиационные и т.д.).

Область применения. Достоинства и недостатки

На данный момент наибольший процент электроэнергии в мире вырабатывается именно синхронными генераторами. Синхронные генераторы используются на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях, на транспорте.

На энергоблоке №1 Калининской АЭС устанавливается новый статор генератора

Широкое распространение этого типа генераторов обусловлено рядом преимуществ в сравнении с другими типами генераторов:

— возможность поддерживать на постоянном уровне генерируемое напряжение;

— малая чувствительность к короткому замыканию;

— возможность динамичного управления загрузкой генератора.

Но у синхронных генераторов есть и свои недостатки:

— наличие щеточного аппарата, который является ненадежным узлом;

— дороговизна обслуживания (касательно к крупным машинам).

Выбор синхронного генератора для дома.

Синхронный генератор возможно использовать в качестве основного или резервного источника электроэнергии для дома. Ниже даны рекомендации по выбору и эксплуатации синхронного генератора.

Синхронный генератор для дома

При выборе генератора крайне важно найти подходящий и надежный агрегат, способный обеспечить электрической энергией заданный участок. Для начала необходимо определить технические характеристики будущего устройства. Эксперты рекомендуют ориентироваться на следующие параметры:

Кроме того, еще одним важным параметром, который необходимо учитывать, является возможность автоматической работы. Чтобы определить количество фаз, необходимых для генератора, необходимо указать тип и количество электрооборудования, которое будет к нему подключено.

Например, к однофазному электрогенератору можно подключать только однофазных потребителей. Трехфазность значительно расширяет этот показатель.

Однако покупка такой передвижной электростанции – не всегда лучшее решение.

Перед покупкой дополнительно рекомендуется учитывать нагрузку, которой будет подвергаться устройство в процессе его эксплуатации. Каждая фаза должна быть загружена максимум на 30% от общего количества. Так, если мощность генератора 6 кВт, то в случае использования розеток с напряжением 220 В можно использовать только 2 кВт.

Покупка трехфазного генератора востребована только тогда, когда в доме много трехфазных потребителей. Если большинство устройств однофазные, лучше купить подходящий блок.

Эксплуатация

Прежде чем запускать генератор, необходимо сначала его отрегулировать. Прежде всего, установите частоту устройства. Вы можете сделать это двумя способами:

1 изменить конструкцию устройства, заранее предусмотрев, сколько полюсов необходимо для работы электромагнита;

2 обеспечить необходимую скорость вращения вала без конструктивных изменений.

Яркий пример — тихоходные турбины. Они позволяют ротору вращаться со скоростью 150 оборотов в минуту. Для регулировки частоты используют первый способ, увеличивая количество полюсов до 40 штук.

Следующим параметром для настройки является ЭДС. Существует потребность в адаптации из-за изменений характеристик входной нагрузки, действующих на мобильную станцию.

Несмотря на то, что ЭДС индукции устройства связана с ротором и его вращениями, по требованиям безопасности разборка конструкции для изменения параметра невозможна.

Вы можете изменить значение ЭДС, регулируя результирующий магнитный поток. Он должен будет увеличиваться или уменьшаться. Витки обмотки, или их количество, отвечают за значение индикатора. Также можно влиять на силу магнитного потока через ток, образующий катушку.

Регулировка предполагает включение в цепь нескольких катушек. Для этого нужно использовать дополнительные реостаты или электронные схемы. Второй вариант требует настройки параметров за счет внешних стабилизаторов. Это обеспечивает надежный сервис.

Преимущество синхронной мобильной станции в том, что ее можно синхронизировать с другими машинами того же типа. При этом при сопряжении можно сравнивать скорости вращения и обеспечивать нулевой фазовый сдвиг. в этом смысле мобильные электростанции востребованы в промышленной энергетике, где их очень удобно использовать в качестве резервного источника электроэнергии для увеличения производственной мощности при больших нагрузках.

Статья была проверена и отредактирована экспертом нашего сайта

Научный сотрудник Самарского государственного технического университета, кафедра теоретическая и общая электротехника (Самара)