Что представляет собой синхронный генератор
Задача генератора – преобразование механической вырабатываемой энергии в электрическую. Работа его двигателя основана на следующем принципе: топливо впрыскивается в цилиндр двигателя и, сгорая, трансформируется в газообразную смесь, которая расширяется и выталкивает поршень. Тот, в свою очередь, заставляет двигаться коленчатый вал, а он уже вращает ведущий. Чем больше поршней, тем быстрее скорость вращения вала. На этой стадии и происходит выработка механической энергии, преобразовываемой в электричество по закону Фарадея.
Устройство генератора
В основу любого генератора заложены два элемента:
- статор – неподвижная деталь, состоящая из медных обмоток, уложенных в пазы вокруг сердечника, представляющего собой комплект пластин из мягкой стали. В однофазном генераторе – одна обмотка, в трехфазном − три;
- ротор – вращающаяся часть, включает механизм образования магнитного поля. В бытовых генераторах обычно применяется двухполюсный ротор. Обмотка соединяется с питающим ее блоком управления (AVR) посредством двух щеточных узлов. Ротор в совокупности с обмоткой составляют индуктор.
В синхронном агрегате частота вращения, которую создает статор магнитного поля, совпадает с частотой роторного вращения.
Принцип работы
Синхронный генератор функционирует следующим образом: магнитное поле при вращении ротора пересекает статорные обмотки, чем возбуждает в них переменное напряжение. Когда подключается нагрузка в виде потребителей, в цепи появляется переменный ток. От скорости, с которой вращается ротор, непосредственно зависит напряжение, частота тока.
Электронагрузка на синхронный агрегат прямо пропорциональна нагрузке на вал двигателя, что способно повлечь изменение частоты вращения ротора, показателя напряжения. Избежать колебаний помогает блок управления, который в автоматическом режиме регулирует ток в обмотке ротора путем влияния на магнитное поле. В асинхронном генераторе электрическая связь с ротором отсутствует, поэтому параметры напряжения и тока искусственно не регулируются.
Преимущества синхронного генератора
Основным преимуществом является стабильность выходного напряжения. У асинхронных аппаратов данный показатель может существенно колебаться.
Синхронный генератор не боится повышенной нагрузки, создаваемой при подключении его во время работы энергоемкого потребителя (нагрузка переходного режима), поскольку сам является источником реактивной мощности. Асинхронные генераторы для этого снабжаются пусковыми конденсаторами.
Синхронный генератор не слишком восприимчив к перегрузкам в процессе работы благодаря системе авторегулирования.
Щеточные и бесщеточные
Щетки представляют собой скользящие контакты − токосъемы, которые прижаты к коллектору. От их качества напрямую зависит вырабатываемое напряжение. Длительная работа при больших перегрузках приводит к «выгоранию» щеток. После замены необходим небольшой период «обкатки», прежде чем подавать полную нагрузку на генератор. Наиболее долговечны и устойчивы к перегрузкам медно-графитовые щетки.
Синхронный генератор может быть бесщеточным при условии, что ток в роторе создается магнитным полем, исходящим от основной, а также от дополнительной статорной обмотки (либо только от дополнительной). То есть схема альтернатора более сложная, чем у щеточных. Преимуществом является отсутствие необходимости замены угольных компонентов (в некоторых моделях – каждые 100 часов работы), а также нет пыли от их износа, которая часто является причиной электрических пробоев.
Выбор в пользу синхронного генератора следует делать, если потребители требовательны к качеству выходного тока. Например, такой тип подойдет для обеспечения резервной электроэнергией загородного дома, где установлены различные типы чувствительных приборов.
Устройство трехфазной синхронной машины
Статор синхронной машины устроен так же, как асинхронной. В пазы пакета из листов электротехнической стали уложены катушки трехфазной обмотки, токи которой создают вращающееся магнитное поле.
Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит. На рис. 4.2.1, а показана электрическая схема статора и ротора, а на рис. 4.2.1, б — стандартное графическое обозначение синхронной машины на схемах. Обмотку статора 1 (см. рис. 4.2.1, а) обычно соединяют звездой. Обмотка ротора 2, которую называют обмоткой возбуждения, подключают через два контактных кольца^ и щетки 4 к независимому источнику постоянного напряжения (ИПН) 5.
Рис. 4.2.1. Электрическая схема синхронной машины (а) и ее условное графическое обозначение на схемах (6):
- 1 — обмотка статора; 2 — обмотка ротора; 3 — контактные кольца;^ — щетки;
- 5 — источник постоянного напряжения ИПН
Роторы выполняются явнополюсными (рис. 4.2.2, а) или неявнополюсными (рис. 4.2.2, б). Явнополюсный ротор имеет явно выраженные полюсы, на которые надеты катушки обмотки возбуждения. Полюсы имеют полюсные наконечники (см. рис. 4.2.2, а). Неявнополюсный ротор имеет распределенную обмотку возбуждения, которая укладывается в пазы, выфрезерован- ные в цельной стальной поковке (см. рис. 4.2.2, б). При этом обеспечивается высокая механическая прочность ротора.
Синхронные машины проектируются таким образом, чтобы количество полюсов на статоре было равно количеству полюсов на роторе. От количества полюсов зависит синхронная частота вращения ротора:
где /— частота токов статора, Гц; р — число пар полюсов.
Рис. 4.2.2. Поперечное сечение явнополюсного (а) и неявнополюсного (б) роторов:
1 — полюс; 2 — обмотка возбуждения; 3 — полюсный наконечник
Неявнополюсные роторы применяются в синхронных машинах большой мощности, имеющих одну или две пары полюсов и соответственно частоту вращения п = 3000 или 1500 об/мин. Изготовление синхронных машин большой мощности с такими частотами вращения при явнополюсной конструкции ротора невозможно по условиям механической прочности ротора. Неявнополюсные роторы (рис. 4.2.3, а) имеют синхронные генераторы, предназначенные для непосредственного соединения с паровыми и газовыми турбинами на ТЭС и АЭС. Такие машины называют турбогенераторами. По условиям обеспечения механической прочности диаметр ротора при
Рис. 4.23. Конструкции неявнополюсного ротора (а) и явнополюсных роторов (бу в) (масштабы разные):
1 — контактные кольца; 2 — кольцевые бандажи; 3 — ротор; 4 — металлические клинья; 5 — вентилятор; 6 — вал; 7 — катушка обмотки возбуждения; 8 — полюсы; 9 — пусковая асинхронная
частоте вращения 3000 об/мин не должен превышать 1,2—1,3 м, а активная длина ротора должна быть не более 6,5 м.
Явгюполюсные роторы применяются в синхронных машинах с большим числом полюсов и соответственно относительно низкой частотой вращения (рис. 4.2.3, б, в). Синхронные машины с явнополюсным ротором и горизонтальным расположением вала широко используются в качестве двигателей и генераторов. Явнополюсные роторы с вертикальным расположением вала имеют синхронные генераторы, предназначенные для непосредственного соединения с гидравлическими турбинами на ГЭС. Такие генераторы называются гидрогенераторами. Самые мощные гидрогенераторы имеют диаметр ротора около 12 м при относительно небольшой длине — около 2,5 м, число полюсов 2р = 42 и частоту вращения 143 об/мин.
Источниками постоянного напряжения для обмоток возбуждения являются специальные устройства, называемые возбудителями. Простейшим возбудителем является самовозбуждающийся генератор постоянного тока, установленный на валу синхронного генератора. Его мощность составляет 1—3% мощности синхронного генератора. С увеличением единичной мощности синхронного генератора возбудитель с коллектором стал ненадежным (истираются щетки, возрастает опасность искрения на коллекторе), поэтому в последнее время все большее применение находят вентильные системы возбуждения с диодами и тиристорами. В вентильной системе возбуждения используется специальный возбудитель, выполненный в виде трехфазного синхронного генератора, ротор которого укреплен на валу главного генератора. Переменное напряжение возбудителя выпрямляется и подводится через щетки и контактные кольца к обмотке возбуждения.
Для наиболее мощных синхронных генераторов применяется вентильная бесщеточная система возбуждения (рис. 4.2.4). На валу синхронного генератора размещается якорь возбудителя В, который представляет собой генератор переменного тока «обращенной конструкции». Полюсная система у такого возбудителя расположена на статоре (как в машинах постоянного тока), а трехфазная обмотка — на роторе. Переменное напряжение этой обмотки с помощью выпрямителя, закрепленного на валу машины, преобразуется в постоянное и непосредственно (без колец) подается на обмотку возбуждения главного генератора. Обмотка возбуждения возбудителя, расположенная на статоре, получает питание от подвозбудителя ПВ — генератора переменного тока меньшей мощности с постоянными магнитами на роторе и выпрямителем на статоре. Ротор подвозбудителя укреплен на валу главного генератора.
Рис. 4.2.4. Схема бесщеточного возбуждения мощного синхронного генератора
Задание 4.2.1. Как отразится на КПД и потерях синхронной машины, если ее ротор будет изготовлен не из массивной стали, а набран из тонких стальных листов?
Варианты ответа:
- 1. Магнитные потери уменьшатся, а КПД увеличится.
- 2. КПД и магнитные потери в роторе не изменятся.
- 3. КПД не изменится, так как магнитных потерь в роторе нет.
Устройство синхронного генератора переменного тока
Синхронный генератор переменного тока – агрегат, предназначенный для преобразования любого вида энергии, чаще всего механической, в электрическую. В таких электромашинах магнитное поле токов якорной обмотки вращается синхронно с ротором. Может быть одно- или трехфазным, работать самостоятельно, а также параллельно с другими генераторами или централизованной электросетью. Используется режиме как генератора, так и двигателя. Такие аппараты востребованы на предприятиях энергетического комплекса, в транспортной сфере, на объектах производственного назначения.
Конструктивные особенности синхронного генератора
Конструкция синхронных машин может быть разной, но в нее обязательно входят:
- Ротор. Вращающийся узел, образуемый системой вращающихся электромагнитов, которые питаются постоянным электротоком, поступающим от наружных источников. Магниты имеют зубчатую конфигурацию. Роторы могут быть явнополюсными, используемыми в низкоскоростных машинах, и неявнополюсными, востребованными для высокоскоростных моделей.
- Статор. Неподвижный узел, состоящий из сердечника, который набирается из листов электротехнической стали, и обмотки. Витки статорной обмотки равномерно распределены по окружности. В однофазных моделях присутствует одна обмотка, в трехфазных – три, соединяемые по схемам «звезда» или «треугольник».
Принцип работы синхронного электрогенератора
Один из вариантов рабочей схемы синхронной машины переменного тока:
- Механическая энергия от бензинового или дизельного ДВС передается к ротору, что провоцирует вращение поля электромагнита.
- В статорной обмотке генерируется одно- или трехфазное переменное напряжение, величина которого зависит от скорости вращения ротора.
- Блок управления осуществляет автоматическую регулировку электрических параметров генерируемого переменного тока посредством обратной связи.
В синхронных машинах применяют два способа возбуждения: электромагнитное и постоянными магнитами.
Трехфазный СГ может работать в режиме электрогенератора или мотора. В первом случае на входе будет механическая (или другая) энергия, во втором – электрическая энергия будет входящей, а механическая – выходящей.
Виды синхронных генераторов переменного тока
Тип электромашины выбирают в зависимости от запланированной области использования:
- Импульсные. Востребованы для механизмов, работающих импульсном режиме, или для оборудования, функционирующего в стабильном рабочем режиме, но с импульсным руководящим сигналом.
- Безредукторные. Подходят для автономных систем.
- Бесконтактные. Выполняют функции электростанций на водных судах.
- Гистерезисные. Устанавливаются в системах автоматизированного управления, инерционных электроприводах, временных счетчиках.
Области использования синхронных генераторов переменного тока
Такие электромашины при работе в условиях высоких и меняющихся нагрузок эффективно синхронизируются с другим энергооборудованием. Это свойство позволяет в часы пик подключать резервные генераторы.
Синхронные электрогенераторы востребованы:
- в тепловозах и других транспортных системах, в этом случае электромашины работают в комплексе с выпрямителями на полупроводниках;
- на мощных ГЭС, ТЭС, АЭС, мобильных электростанциях;
- на гибридных автомобилях.
СГ могут выполнять функции электромоторов мощностью выше 50 кВт.
В каких случаях используют синхронные электрогенераторы переменного тока
СГ эффективны при:
- высоких требованиям к стабильности напряжения и частоты электротока;
- при большой вероятности возникновения перегрузок у потребителей с реактивной мощностью;
- при вероятности перегрузов, возникающих в рабочем режиме при подключении активных и реактивных нагрузок.
Преимущества применения СГ
Синхронные генераторы широко используются, благодаря комплексу преимуществ, среди которых:
- устойчивость к перегрузкам в сети и КЗ;
- более высокое качество генерируемой электроэнергии, по сравнению с асинхронными машинами, что позволяет использовать СГ для питания дорогостоящего оборудования;
- наличие автоматических регуляторов электрических параметров и выпрямителей, которые отключают электропитание при возникновении аварийных ситуаций.
Современные синхронные генераторы изготавливаются в соответствии с требованиями мировых стандартов качества.
Устройство и принцип работы синхронного генератора
Синхронный генератор – агрегат, назначением которого является преобразование любой энергии (тепловой, солнечной, механической) в электрическую. Отличается простым принципом работы и надежным конструктивным исполнением. Особенность – вращение ротора и магнитного поля статора с одинаковой частотой. СГ с мощностью до нескольких тысяч мегаватт используются практически на всех типах электростанций во всем мире. Агрегаты обратимы, они могут как работать электрогенераторами, так и выполнять функции электромоторов.
Особенности конструкции синхронных генераторов
В устройство синхронных генераторов входят следующие компоненты: статор, ротор, обмотки, система охлаждения.
Статор
Статор – неподвижная часть, состоящая из корпуса и сердечника, собираемого из тонких листов. Между собой листы разделяются изоляционными материалами, например, лаковыми составами. В пазы сердечника укладывается трехфазная обмотка. Качество генерируемого электротока зависит от того, какие листы используются в сердечнике, – цельные или сборные.
Статор имеет вид цельного или набранного из сегментов цилиндра. Статоры мощных машин состоят из двух частей, которые можно разделить вдоль оси ротора. Такой конструктивный вариант облегчает транспортировку, установку, монтаж СГ.
В моделях с самовозбуждением присутствует обмотка возбуждения статора. В дорогих системах ее изготавливают из медного эмаль-провода, в более дешевых – из алюминиевого проводника. В бесщеточных СГ обмотки статора расположены таким образом, что их сердечники совпадают с выступами магнитных полюсов ротора. Электроток снимается непосредственно со статорных обмоток.
В мощных электромашинах всегда устанавливаются только обмотки с независимым возбуждением. Для их электропитания востребованы генераторы постоянного электротока невысокой мощности.
Ротор
Ротор – вращающаяся часть СГ, в которой располагается сердечник с обмоткой возбуждения или магниты. Роторы изготавливаются явно и неявнополюсными. Устройства первого типа востребованы в синхронных машинах, совмещенных с ДВС с низкочастотным валом. В генераторах высокой мощности и частоты устанавливаются роторы второго типа, часто монтируемые на одном валу с паровыми турбинами. СГ такой конструкции называют турбогенераторами.
Система охлаждения
Тепло от статора и ротора отводят с помощью систем охлаждения. В электромашинах невысокой мощности эта проблема решается с помощью вентиляторов. В крупных устройствах предусмотрена водородная система охлаждения.
Преимущества и недостатки синхронных генераторов
Популярность синхронным генераторам обеспечивают следующие технические характеристики:
- возможность поддерживать постоянное напряжение на выходе;
- возможность синхронной работы нескольких синхронных машин, что позволяет оперативно повышать мощность в часы пик подключением резервных генераторов;
- низкая чувствительность к коротким замыканиям;
- возможность управлять загрузкой СГ.
К минусам этого технического решения относят:
- ненадежность щеточного узла (есть и бесщеточные конструкции);
- сложность конструктивных элементов;
- в крупных электромашинах – дорогое обслуживание.
Виды синхронных генераторов
В соответствии с конструктивным исполнением СГ разделяют на типы:
- Гидрогенераторы. В их конструкции предусмотрены роторы с выраженными полюсами. Востребованы в ситуациях, не требующих высоких оборотов.
- Турбогенераторы. В таких агрегатах выраженные полюса отсутствуют. Машины, собранные из нескольких турбин, значительно повышают число оборотов ротора.
- Синхронные компенсаторы. Востребованы на производственных объектах для получения качественного электротока и стабилизации напряжения.
Синхронные генераторы могут работать в режиме электромоторов: на входе присутствует электроэнергия, на выходе – механическая энергия. Обмотка статора подсоединяется к централизованной сати электроснабжения, а ротора – к источнику постоянного электротока. Синхронные электромоторы обычно используются в электроустановках с мощностью более 50 кВт.
Принцип работы СГ
В синхронной электромашины, используемой в режиме электрогенератора, первичной является механическая энергия, вращающая вал.
Принцип работы синхронного генератора переменного тока:
- Первичный двигатель вращает ротор-индуктор. Магнитное поле вращается вместе с ротором, что и обеспечило название такой электрической машине.
- При вращении ротора магнитный поток пересекает статорную обмотку, в результате чего в ней по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС. Индуктированная ЭДС прямо пропорциональна магнитному полю электромашины и скорости вращения ротора. Частота переменного тока напрямую зависит от частоты вращения ротора.
- При необходимости параметры магнитной индукции установкой дополнительных реостатов или электронных блоков.
Где применяются синхронные генераторы переменного тока
Трехфазные СГ востребованы в:
- транспортных средствах, переменный ток выпрямляют в полупроводниковых блоках;
- строительстве – на площадках, где отсутствует центральное электроснабжение или его параметры не соответствуют запланированным задачам;
- местах ведения геологоразведочных и добывающих работ;
- мощных ГЭС и ТЭС, мобильных станциях и на объектах атомной энергетики;
- гибридных автомобилях, в этом случае в ТС устанавливают ДВС и синхронный электромотор.
СГ могут использоваться и в других областях, в которых требуются постоянные параметры напряжения и тока на выходе, устойчивость к перегрузам при подключении нагрузок с активной и реактивной мощностью.