В судовых электрических станциях переменного тока применяются синхронные генераторы трехфазного тока с независимым возбуждением и с самовозбуждением. Генераторы с независимым возбуждением имеют навешанный возбудитель (электрическая машина постоянного тока) в автоматическим и ручным регулятором напряжения. У самовозбуждающихся генераторов возбуждение осуществляется через полупроводниковый выпрямитель от статора генератора; саморегулирование напряжения осуществляется статическими приборами.
Синхронные машины могут работать как генераторами, так и двигателями. В зависимости от типа привода синхронные генераторы получили и свои названия. Турбогенератор, например, — это генератор, приводимый в движение паровой турбиной, гидрогенератор вращает водяное колесо, а дизель — генератор механически связан с двигателем внутреннего сгорания.
Синхронные двигатели широко применяют для привода мощных компрессоров, насосов, вентиляторов. Синхронные микродвигатели используют для привода лентопротяжных механизмов регистрирующих приборов, магнитофонов и т.д.
Статор синхронной машины по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя. В пазах статора размещается трехфазная, двухфазная или однофазная обмотки. Заметное отличие имеет ротор, который принципиально представляет собой постоянный магнит или электромагнит. Это налагает особые требования на геометрическую форму ротора. Любой магнит имеет полюса, число которых может быть два и более.
На рис. 7.1 приведены две конструкции генераторов, с тихоходным и быстроходным ротором.
Рис.7.1
Быстроходными бывают, как правило, турбогенераторы. Количество пар магнитных полюсов у них равно единице. Чтобы такой генератор вырабатывал электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц, его необходимо вращать с частотой
Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, которое, пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС. При подключении к генератору нагрузки генератор будет являться источником переменного тока.
Как было показано выше, величина наводимой в обмотке статора ЭДС количественно связана с числом витков обмотки и скорости изменения магнитного потока:
Переходя к действующим значениям, выражение ЭДС можно записать в виде:
где n — частота вращения ротора генератора,
Ф — магнитный поток,
c — постоянный коэффициент.
При подключении нагрузки напряжение на зажимах генератора в разной степени меняется. Так, увеличение активной нагрузки не оказывает заметного влияния на напряжение. В то же время индуктивная и емкостная нагрузки влияют на выходное напряжение генератора. В первом случае рост нагрузки размагничивает генератор и снижает напряжение, во втором происходит его подмагничивание и повышение напряжения. Такое явление называется реакцией якоря.
Для обеспечения стабильности выходного напряжения генератора необходимо регулировать магнитный поток. При его ослаблении машину надо подмагнитить, при увеличении — размагнитить. Делается это путем регулирования тока, подаваемого в обмотку возбуждения ротора генератора.
Простейший генератор трехфазного тока по конструкции аналогичен трехфазного токагенератору однофазного тока, только его якорь имеет не одну, а три обмотки АХ, BY, CZ, сдвинутые в пространстве друг относительно друга (рис. 7.2). При вращении якоря в этих обмотках наводятся э. д. с. одинаковой частоты, но имеющие разные фазы. Если амплитуды э. д. с. трех обмоток генератора равны друг другу, а сдвиг фаз между двумя любыми смежными э. д. с. равен -j= 120°, то трехфазная система э. д. с. называется симметричной.
Электротехническим устройством специального использования, работающим в от механического двигателя, является синхронный генератор. Прибор нашел применение в частном хозяйстве. Он используется для выработки электротока промышленной частоты. Кроме того, изобретение работает как генератор тока Машина синхронного действия монтируется в дизельные и бензиновые электростанции.
Синхронный генератор. Устройство
Электрическая машина состоит из:
1. Статора.
2. Ротора.
3. Обмоток генератора.
4. Системы токового компаундирования.
5. Переключателя обмотки статора.
6. Выпрямителя сварочного тока.
7. Кабелей.
8. Сварочного устройства.
9. Обмоток ротора.
10. Регулируемого (постоянного).
Синхронный генератор используется в режимах: генератора тока 50 Гц., сварочного синхронного генератора, прибора с повышенной частотой. Изобретение дает возможность создавать малогабаритные электрические агрегаты универсального применения. Синхронный генератор приводит в действие оборудование в местах с отсутствием централизованных электросетей. Его можно использовать в фермерских хозяйствах вдали от населенных пунктов.
Характеристики синхронного генератора рассчитаны на создание электрогенератора с новыми потребительскими возможностями. Это значит, что при реализации данного изобретения, одно и то же устройство можно эксплуатировать как источник электропитания частотой 50 Гц и более, а также как поставщик тока, выпрямленного для дуговой сварки, он наделен круто подающей внешней характеристикой рабочей зоны. При этом обеспечиваются сварочные свойства, не уступающие трехобмоточным коллекторным сварочным генераторам постоянного тока.
Как работает синхронный генератор?
Принцип действия основан на электромагнитной индукции. Происходит преобразование в электрическую. Электромашина работает как генератор (в его режиме). При этом частоты вращений магнитных полей статора и ротора одинаковые. На обмотки ротора подается напряжение, образуется магнитное поле. Вращаясь, оно проникает через обмотку статора и образует в ней ЭДС.
Ротор бывает фазного и короткозамкнутого типа, в зависимости от вида обмотки. Вспомогательная обмотка статора создает вращающееся магнитное поле. Оно индуцирует магнитное поле на роторе, которое наводит ЭДС. В момент запуска электрической станции ротор создает слабого напряжения. С усилением оборотов, ЭДС в обмотке возбуждения увеличивается. Обмоточное напряжение проникает на ротор через авторегулировочный блок. Контроль над выходящим напряжением осуществляется за счет изменения магнитного поля. Стабильность обеспечивается изменением магнитного поля ротора регулированием тока в его обмотке. Такой метод регулировки обеспечивает стабилизацию выходного напряжения прибора.
Преимущества и недостатки синхронного генератора
К первым относится постоянство исходящего напряжения. Минусом является возможность перегрузки при повышенной нагрузке. Регулятор может повысить силу тока в обмотке ротора. К недостаткам генератора синхронного типа можно также причислить наличие щеточного устройства. С течением времени оно будет нуждаться в обслуживании. В наше время этот недостаток удалось устранить.
Современные генераторы синхронного типа выпускают без щеточного узла. Оборудование нового поколения имеет длительный срок службы, надежность в работе в трудных условиях производства. Встроенные датчики и электроника обеспечивают функционирование в режиме реального времени. Новейшие технологические решения обеспечивают синхронному генератору высокую эффективность. Продукцию используют в промышленности и в оборудовании судов.
Тема 7.2 Электрические машины переменного тока.
Вопросы:
1. Устройство трёхфазного генератора.
2. Принцип действия трёхфазного генератора.
3. Режимы работы генератора.
4. Внешняя характеристика генератора.
Существуют однофазные и трёхфазные синхронные генераторы (СГ). Более широкое применение находят трёхфазные синхронные генераторы.
1. Устройство трёхфазного генератора.
Статор трёхфазного генератора устроен аналогично статору трёхфазного асинхронного электродвигателя.
Ротор генератора представляет собой электромагнит. Они бывают двух видов: с явно выраженными и неявно выраженными полюсами. Роторы с явно выраженными полюсами имеют генераторы, частота вращения которых не превышает 1500 об/мин. При более высокой частоте вращения в генераторах устанавливают роторы с неявно выраженными полюсами.
На валу ротора с явно выраженными полюсами (рис.7.13,а) крепятся сердечники полюсов, на которых, на которых помещают катушки из изолированного медного провода. Соединённые между собой катушки, образуют обмотку возбуждения генератора. начало и конец обмотки возбуждения присоединяют к медным кольцам (2 и 3 на рис.7.13,а), расположенным на валу. Через кольца и щётки обмотку возбуждения соединяют с источником постоянного тока.
На валу ротора с неявно выраженными полюсами (рис. 7.13,б) напрессован стальной сердечник с пазами. В пазы укладывают катушки из изолированного медного провода. Катушки соединяют между собой в отдельные группы, образующие полюса электромагнита (на рис.7.13, б - одна пара полюсов).все группы катушек соединяют между собой, в результате чего образуется обмотка возбуждения генератора. Начало и конец обмотки возбуждения присоединяют к медным контактным кольцам, расположенным на валу. Чере кольца и угольные щётки (2 и 3 на рис. 7.13,б) обмотка возбуждения соединяется с источником постоянного тока.
2. Принцип действия трёхфазного генератора.
Обмотка возбуждения генератора может получать питание постоянным током от возбудителя (небольшого генератора постоянного тока, находящемся на одном валу с синхронным генератором) или через трансформатор и выпрямитель от обмотки статора своего же генератора. В первом случае генератор называется генератором с независимым возбуждением, а во втором случае – генератором с самовозбуждением, в котором начальное возбуждение (индуктирование ЭДС в обмотке статора) происходит за счёт остаточного намагничивания всех стальных деталей генератора, и прежде всего, стальных сердечников ротора и статора.
Постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения, возбуждает в генераторе постоянный магнитны поток. Вращаясь вместе с ротором, этот поток пересекает проводники трёхфазной обмотки статора и индуктирует в них ЭДС. Конструкция генератора такова, что магнитная индукция в воздушном зазоре между статором и ротором распределена по синусоидальному закону: максимальное значение индукция имеете в зазоре, находящемся над серединами полюсов, и нулевое – в зазоре, находящемся посредине меду соседними разноимёнными полюсами. Из-за синусоидального распределения магнитной индукции в воздушном зазоре и и ЭДС, возбуждённая в каждой фазе обмотке статора будет синусоидальной. Оси фаз обмотки статора расположены в пространстве под углами 120 0 относительно друг друга, поэтому и ЭДС, индуктированные в фазах буду сдвинуты по фазе относительно друг друга на электрический гол, равный 120 0 .
Обмотка статора, в которой индуктируется ЭДС, т.е. в которой механическая энергия первичного двигателя, вращающего ротор, преобразуется в электрическую энергию, называется так же и обмоткой якоря.
Как было отмечено ранее, (см формулу 3.3) частота ЭДС, индуктированной в обмотке якоря, зависит от числа пар полюсов генератора и частоты вращения его ротора, т.е.
3. Режимы работы генератора.
Режим холостого хода. В этом режиме генератор возбуждён (в обмотке якоря индуктирована ЭДС), но потребители электроэнергии к генератору не подключены (ток в обмотке якоря не протекает). В режиме холостого хода магнитный поток в генераторе Ф 0 создаётся только обмоткой возбуждения.
Режим работы под нагрузкой. В этом режиме к возбуждённому генератору подключены потребители и по его якорной обмотке протекает ток нагрузки (ток якоря). Переменный ток якоря возбуждает в генераторе переменное магнитное поле. Это поле вращается относительно статора в ту же сторону и стой же скоростью, что и поле ротора. Поля якоря и ротора образуют в генераторе результирующее вращающееся магнитное поле, которое будет отличаться как по величине, так и по форме распределения в воздушном зазоре от магнитного поля генератора в режиме холостого хода.
Действие, оказываемое полем якоря на основное поле ротора, называется реакцией якоря.
Реакция якоря синхронного генератора зависит не только от величины нагрузки, но и от её характера (активная, индуктивная, ёмкостная и т.д.).
При активной нагрузке ось магнитного поля якоря перпендикулярна оси поля ротора. Такое поле называется поперечным. Поперечное поле якоря изменят форму распределения магнитной индукции в зазоре между статором и ротором, делая её несинусоидальной.
При ненасыщенном состоянии магнитной системы генератора поток результирующего магнитного поля остаётся таким же, каким он был в режиме холостого хода (Ф 0).
При полунасыщенном и насыщенном состоянии магнитной системы поперечное поле якоря уменьшает поток Ф 0 и изменяет форму распределения в зазоре магнитной индукции.
Действие, оказываемое поперечным полем якоря на поле ротора, называется поперечной реакцией якоря.
Итак,при активной нагрузке в синхронном генераторе имеет место поперечная реакция якоря, которая при насыщенном состоянии магнитной системы генератора только искажает, а при полунасыщенном и насыщенном состояниях магнитной системы искажает и уменьшает поле ротор а.
При индуктивной нагрузке оси полей якоря и ротора совпадают, но магнитные потоки поля якоря Ф а и поля ротора Ф 0 направлены в противоположные стороны. Такое поле называется продольным размагничивающим полем якоря, продольной размагничивающей реакцией якоря.
Поток результирующего поля будет меньше потока Ф 0 , следовательно становится меньше и ЭДС обмотки якоря.
Итак, при индуктивной нагрузке имеет место продольная размагничивающая реакция якоря, которая уменьшает поле ротора, но не искажает его.
При ёмкостной нагрузке оси полей якоря и ротора то же совпадают, но потоки этих полей направлены в одну сторону. Такое поле называется продольным подмагничивающим полем якоря, а его действие на поле ротора – продольной подмагничивающей реакцией якоря.
Магнитный поток результирующего поля становится больше потока Ф 0 , следовательно становится больше и ЭДС обмотки якоря.
Итак, при ёмкостной нагрузке.имеет место продольная подмагничивающая реакция якоря, которое усиливает поле ротора, но не искажает его.
В большинстве электроэнергетических систем синхронные генераторы работают при активно-индуктивной нагрузке. В этом случае имеет место продольно- поперечная реакция якоря. В результате действия этой реакции происходит уменьшение магнитного потока ротора и его искажение
4. Внешняя характеристика генератора.
Внешней характеристикой называют зависимость действующего напряжения генератора от действующего значения его тока нагрузки при постоянных значениях скорости, тока возбуждения и коэффициента мощности генератора.
Для нормальной работы потребителе электрической энергии нужно, что бы при изменении тока нагрузки и коэффициента мощности напряжение генератора оставалось стабильным. С этой целью на генераторах устанавливают автоматические регуляторы напряжения.
5. Синхронный электродвигатель.
Устройство статора синхронного двигателя аналогично устройству статора асинхронного двигателя. Ротор представляет собой электромагнит или постоянный магнит (рис.7.17,а).
Принцип работы поясняется рис. 7.17,б. внутри магнита N 1 S 1 помещён магнит NS. Если магнит N 1 S 1 вращать, то он потянет за собой магнит NS.
К валу магнита NS можно приложить механическую нагрузку. Чем больше эта нагрузка, тем больше угол α (угол отставания оси магнита NS от оси магнита N 1 S 1). При некоторой нагрузке силы притяжения между магнитами будут преодолены и ротор остановится.
В реальном двигателе поле магнита N 1 S 1 заменено вращающимся магнитным полем статора; при этом ротор либо вращается синхронно с магнитным полем статор а, отставая на угол α, либо останавливается (выпадает из синхронизма) при перегрузке. Таким образом, независимо от нагрузки ротор всегда вращается с постоянной частотой, равной частоте вращения магнитного поля статора. Постоянство частоты вращения – важное достоинство синхронного двигателя
Лекция 29.
В синхронных машинах магнитное поле токов якорной обмотки и ротор вращаются с одинаковой скоростью (синхронно). Синхронные машины обратимы, т. е. они могут работать как генераторы и как двигатели. Однако наибольшее распространение они получили как генераторы переменного тока, которые устанавливают на всех современных электростанциях.
Генератор переменного тока был изобретен выдающимся русским электротехником П. Н. Яблочковым. Этот генератор был применен для питания электрических свечей и по принципу работы ничем не отличался от современных генераторов, являясь первым многофазным генератором. На его статоре были уложены изолированные друг от друга несколько обмоток, каждая из которых имела свою цепь с группой свечей.
В 1888 г. другой выдающийся русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский построил первый в мире трехфазный генератор мощностью около 3 кВА.
Синхронный генератор имеет две основные часик ротор и статор.
Ротор (подвижная, вращающаяся часть машины) образует систему вращающихся электромагнитов, питаемых постоянным током от внешнего источника.
Статор (неподвижная часть машины) ничем не отличается от статора асинхронной машины. В его обмотке действием вращающегося магнитного поля ротора наводится ЭДС, подаваемая на внешнюю цепь генератора (в режиме двигателя на обмотку статора подается напряжение сети). Такая конструкция генератора позволяет устранить скользящие контакты в цепи нагрузки генератора (обмотка статора соединяется с нагрузкой непосредственно) и надежно изолировать рабочую обмотку от корпуса машины, что весьма существенно для современных генераторов, изготовляемых на большие мощности при высоких напряжениях. Основной магнитный поток синхронного генератора, создаваемый вращающимся ротором, возбуждается от постороннего источника-возбудителя, представляющего собой обычный генератор постоянного тока (мощностью 0,5-10% от мощности генератора). Возбудитель устанавливается на общем валу с генератором либо соединяется с валом генератора муфтой или ременной передачей. Постоянный ток от возбудителя проходит через обмотку ротора через два кольца и неподвижные щетки, установленные на валу ротора.
По своей конструкции роторы различают явнополюсные (рис. 5-25, а) и неявнополюсные (рис. 5-25, б). Число пар полюсов ротора обусловлено скоростью его вращения. При частоте генерируемой ЭДС 50 Гц неявнополюсный ротор быстроходной машины-турбогенератора, вращающийся со скоростью
3000 об/мин, имеет одну пару полюсов, тогда как явнополюсный ротор тихоходного гидрогенератора (скорость вращения которого определяется высотой напора воды), вращающийся со скоростью от 50 до 750 об/мин, имеет число пар полюсов соответственно от 60 до 4.
Маломощные синхронные генераторы (до 100 кВА), как правило, имеют самовозбуждение: обмотка возбуждения питается выпрямленным током того же генератора (рис. 5-26). Цепь возбуждения образуют трансформаторы тока , включаемые в цепь нагрузки генератора, полупроводниковый выпрямитель ПВ, собираемый, например, по схеме трехфазного моста, и обмотка возбуждения генератора ОВ с регулировочным реостатом R.
Самовозбуждение генератора происходит следующим образом. В момент пуска генератора благодаря остаточной индукции в магнитной системе появляются слабые ЭДС и токи в рабочей обмотке генератора. Это приводит к появлению ЭДС во вторичных обмотках трансформаторов ТТ и небольшого тока в цепи возбуждения, усиливающего индукцию магнитного поля машины. ЭДС генератора возрастает до тех пор, пока магнитная система машины полностью не возбудится.
Такие генераторы (однофазные и трехфазные) используют в маломощных низковольтных передвижных электростанциях, применяемых, например, в сельском хозяйстве для электрострижки овец и дойки коров, а также для питания сельских передвижных киноустановок и т. д. В этих генераторах рабочая обмотка часто выполняется на роторе, а на внутренней поверхности статора устраивается полюсная система с явно выраженными полюсами. Подключение генератора к внешней нагрузке осуществляется через скользящие токосъемы (щетки с кольцами на оси ротора).
К атегория:
Передвижные электростанции
Назначение и устройство синхронных генераторов
Синхронный генератор состоит из двух основных частей: неподвижного статора (якоря) с помещенной в нем обмоткой и подвижного (вращающегося) ротора (индуктора) с обмоткой возбуждения. Назначение обмотки возбуждения состоит в том, чтобы создать в генераторе первичное магнитное поле для наведения в обмотке статора электродвижущей силы (э. д. е)… Если ротор сихронного генератора привести во вращение с некоторой скоростью V и возбудить от источника постоянного тока, то поток возбуждения будет пересекать проводники обмотки статора и в фазах обмотки будут индуктироваться переменные э. д. с. При подключении нагрузки к данной обмотке в ней возникнет вращающееся магнитное поле. Это поле статора генератора будет вращаться в направлении, вращения поля ротора и с такой же скоростью, как поле ротора, в результате чего образуется общее вращающееся магнитное поле.
Скорость вращения магнитного поля синхронного генератора зависит от числа пар полюсов. При заданной частоте чем больше число пар полюсов, тем меньше скорость вращения магнитного поля, т.е. скорость вращения магнитного поля обратно пропорциональна числу пар полюсов. Так, например, при заданной частоте /=50 гц скорость вращения магнитного поля равна 3000 об/мин при числе пар полюсов р= 1, 1500 об/мин при р = 2V 1000 об/мин при р = 3 и т. д.
Статор генератора (рис. 1, а) состоит из сердечника, набранного из тонких листов электротехнической стали. Для ограничения вихревых токов листы стали изолированы пленкой лака толщиной 0,08-0,1 мм и прочно спрессованы в виде пакета, называемого пакетом активной стали. В каждом листе стали, выштампованы фигурные вырезы, благодаря чему в пакете, собранном из таких листов, образуются пазы, в которые и укладывается обмотка. Пазы для повышения электрической прочности обмотки и предохранения ее от механических -повреждений изолированы листами электрокартона с лакотканью или миканита. Пакет активной стали укреплен в чугунной или стальной станине генератора.
Рис. 1. Устройство и схема возбуждения синхронного генератора: а - статор, б - явнополюсный ротор (без обмотки полюсов), в - неявнополюсный ротор; 1 - статор (якорь), 2 - ротор (индуктор), 3- контактные кольца, 4 - полюс, 5 - полюсная катушка индуктора, 6 - возбудитель, 7 - шунтовой регулятор, 8 - щетки
Ротор синхронного генератора конструктивно может быть выполнен явнополюсным и неявнополюсным.
Явнополюсный ротор (рис. 1, б) имеет выступающие или, как говорят, явновыраженные полюсы. Такие роторы применяют в тихоходных генераторах со скоростью вращения не более 1000 об/мин. Сердечники полюсов этих роторов набирают обычно из листов электротехнической стали толщиной 1-2 мм, которые прочно скрепляют в пакет стяжными шпильками. На валу ротора полюсы крепят болтами или при помощи Т-образного хвостовика полюса, укрепляемого в специальных пазах, профре-зерованных в стальном теле ротора.
Обмотку возбуждения наматывают изолированным медным проводом соответствующего сечения. В роторах синхронных генераторов, предназначенных для работы в электроустановках, где в качестве первичных двигателей применяются дизели, предусматривается так называемая успокоительная обмотка. Успокоительная или как еще ее называют демпферная обмотка служит для успокоения свободных колебаний, возникающих при внезапных изменениях режима работы синхронных генераторов (резкие сбросы нагрузки, падение напряжения, изменение тока возбуждения и др.), особенно в тех случаях, когда несколько генераторов работают параллельно на общую сеть.
Неявнополюсным называют ротор, имеющий вид цилиндра без выступающих полюсов. Такие роторы выполняют обычно двух- или четырехполюсными.
Явнополюсные роторы для быстроходных машин не применяют из-за сложности изготовления крепления полюсов, способных выдерживать большие центробежные усилия.
Неявнополюоный ротор (рис. 1, в) состоит из вала и стальной поковки с профрезерованными в ней пазами, в которые уложена обмотка возбуждения. В остальном неявнополюсный ротор конструктивно выполнен так же, как и явнополюсный.
Конструкция проводников роторной обмотки выбирается в зависимости от типа ротора: для обмоток явнополюсных роторов применяют прямоугольные или круглые изолированные провода, а также голые медные полосы, гнутые на ребро и изолированные полосками миканита; обмотки неявнополюсных роторов выполняют из изолированных витков плоской твердокатаной меди, укладываемых в изолированные пазы роторов.
Концы обмотки ротора (индуктора) выведены и присоединены к контактным кольцам на валу ротора. К индуктору подводится постоянный ток от какого-либо внешнего источника. В качестве источника тока возбуждения синхронных генераторов мощностью до 20 кет применяют полупроводниковые выпрямители, а для более мощных генераторов - специальные машины постоянного тока (возбудители), помещаемые обычно на общем валу с ротором генератора или механически соединяемые с генератором посредством полумуфт. Возбудитель представляет собой генератор постоянного тока, мощность которого, как правило, составляет 1-3% номинальной мощности питаемого им генератора. Номинальное напряжение возбудителей невелико и у синхронных генераторов средней мощности не превышает 150 в. Постоянный ток для возбуждения синхронных генераторов может быть получен с помощью ртутных, полупроводниковых или механических выпрямителей. Для возбуждения синхронных генераторов мощностью до 20 кет чаще всего применяют селеновые или германиевые выпрямители.
Ток возбуждения в проходит от источника до индуктора по следующему пути: источник постоянного тока - неподвижные щетки на контактных кольцах, контактные кольца ротора - обмотки полюсов индуктора. Этот путь показан схематически на рис. 1, а. Синхронный генератор обладает свойством обратимости, т.е. может работать и в качестве электродвигателя, если обмотку его статора присоединить к сети трехфазного переменного тока.
К атегория: - Передвижные электростанции