Что значит синхронный генератор

Что значит синхронный генератор

Генератор — устройство, преобразующее один вид энергии в другой.
В данном случае рассматриваем преобразование механической энергии вращения в электрическую.

Различают два типа таких генераторов. Синхронные и асинхронные.

Синхронный генератор. Принцип действия

Отличительным признаком синхронного генератора является жёсткая связь между частотой f переменной ЭДС, наведённой в обмотке статора, и частотой вращения ротора n , называемой синхронной частотой вращения:

где p – число пар полюсов обмотки статора и ротора.
Обычно частота вращения выражается в об/мин, а частота ЭДС в Герцах (1/сек), тогда для количества оборотов в минуту формула примет вид:

На рис. 1.1 представлена функциональная схема синхронного генератора. На статоре 1 расположена трёхфазная обмотка, принципиально не отличающаяся от аналогичной обмотки асинхронной машины. На роторе расположен электромагнит с обмоткой возбуждения 2, получающей питание постоянным током, как правило, через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, расположенных на роторе, и двух неподвижных щёток.
В некоторых случаях в конструкции ротора синхронного генератора вместо электромагнитов могут использоваться постоянные магниты, тогда необходимость в наличии контактов на валу отпадает, но существенно ограничиваются возможности стабилизации выходных напряжений.

Приводным двигателем (ПД), в качестве которого используется турбина, двигатель внутреннего сгорания либо другой источник механической энергии, ротор генератора приводится во вращение с синхронной скоростью. При этом магнитное поле электромагнита ротора также вращается с синхронной скоростью и индуцирует в трёхфазной обмотке статора переменные ЭДС EA , EB и EC , которые будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120°), образуют симметричную трёхфазную систему ЭДС.

C подключением нагрузки к зажимам обмотки статора С1, С2 и С3 в фазах обмотки статора появляются токи IA, IB, IC , которые создают вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора. Таким образом, в синхронном генераторе магнитное поле статора и ротор вращаются синхронно. Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе

e = 2Blwv = 2πBlwDn

Здесь: B – магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл;
l – активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, т.е. длина сердечника статора, м;
w – количество витков;
v = πDn – линейная скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с;
D – внутренний диаметр сердечника статора, м.

Формула ЭДС показывает, что при неизменной частоте вращения ротора n форма графика переменной ЭДС обмотки якоря (ста- тора) определяется исключительно законом распределения магнитной индукции B в зазоре между статором и полюсами ротора. Если график магнитной индукции в зазоре представляет собой синусоиду B = Bmax sinα , то ЭДС генератора также будет синусоидальной. В синхронных машинах всегда стремятся получить распределение индукции в зазоре как можно ближе к синусоидальному.

Так, если воздушный зазор δ постоянен (рис. 1.2), то магнитная индукция B в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (график 1). Если же края полюсов ротора «скосить» так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен δmax (как это показано на рис. 1.2), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (график 2), а, следовательно, и график ЭДС, индуцированной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде. Частота ЭДС синхронного генератора f (Гц) пропорциональна синхронной частоте вращения ротора n (об/с)

где p – число пар полюсов.
В рассматриваемом генераторе (см. рис.1.1) два полюса, т.е. p = 1.
Для получения ЭДС промышленной частоты (50 Гц) в таком генераторе ротор необходимо вращать с частотой n = 50 об/с (n = 3000 об/мин).

Способы возбуждения синхронных генераторов

Самым распространенным способом создания основного магнитного потока синхронных генераторов является электромагнитное возбуждение, состоящее в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения, при прохождении по которой постоянного тока, возникает МДС, создающая в генераторе магнитное поле. До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись преимущественно специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.3, а). Обмотка возбуждения (ОВ) получает питание от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронного генератора, возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронного генератора поступает через контактные кольца и щётки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя r1 и подвозбудителя r2 . В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах получила применение также бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе. В качестве возбудителя в этом случае применяют обращенный синхронный генератор переменного тока В (рис. 1.3, б). Трехфазная обмотка 2 возбудителя, в которой наводится переменная ЭДС, расположена на роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора и их электрическое соединение осуществляется через вращающийся выпрямитель 3 непосредственно, без контактных колец и щёток. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя В осуществляется от подвозбудителя ПВ – генератора постоянного тока. Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронного генератора позволяет повысить её эксплуатационную надёжность и увеличить КПД.

Читайте также:  Настройка шва на швейной машине

В синхронных генераторах, в этом числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.4, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь ПП преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счёт остаточного магнетизма машины.

На рис. 1.4, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подаётся в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на входе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты (БЗ), обеспечивающий защиту обмотки возбуждения (ОВ) от перенапряжения и токовой перегрузки.

Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5 % полезной мощности (меньшее значение относится к генераторам большой мощности).
В генераторах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, расположенными на роторе машины. Такой способ возбуждения даёт возможность избавить генератор от обмотки возбуждения. В результате конструкция генератора существенно упрощается, становится более экономичной и надёжной. Однако, из-за высокой стоимости материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничено машинами мощностью не более нескольких киловатт.

Синхронные генераторы составляют основу электроэнергетики, так как практически вся электроэнергия во всём мире вырабатывается посредством синхронных турбо- или гидрогенераторов.
Так же синхронные генераторы находят широкое применение в составе стационарных и передвижных электроустановок или станций в комплекте с дизельными и бензиновыми двигателями.

Асинхронный генератор. Отличия от синхронного

Асинхронные генераторы принципиально отличаются от синхронных отсутствием жесткой зависимости между частотой вращения ротора и вырабатываемой ЭДС. Разницу между этими частотами характеризует коэффициент s — скольжение.

здесь:
n — частота вращения магнитного поля (частота ЭДС).
n r — частота вращения ротора.

Более подробно с расчётом скольжения и частоты можно ознакомиться в статье: асинхронные генераторы. Частота.

В обычном режиме электромагнитное поле асинхронного генератора под нагрузкой оказывает тормозной момент на вращения ротора, следовательно, частота изменения магнитного поля меньше, поэтому скольжение будет отрицательным. К генераторам, работающим в области положительных скольжений, можно отнести асинхронные тахогенераторы и преобразователи частоты.

Асинхронные генераторы в зависимости от конкретных условий применения выполняются с короткозамкнутым, фазным или полым ротором. Источниками формирования необходимой энергии возбуждения ротора могут являться статические конденсаторы или вентильные преобразователи с искусственной коммутацией вентилей.

Асинхронные генераторы можно классифицировать по способу возбуждения, характеру выходной частоты (изменяющаяся, постоянная), способу стабилизации напряжения, рабочим областям скольжения, конструктивному выполнению и числу фаз.
Последние два признака характеризуют конструктивные особенности генераторов.
Характер выходной частоты и методы стабилизации напряжения в значительной степени обусловлены способом образования магнитного потока.
Классификация по способу возбуждения является основной.

Можно рассмотреть генераторы с самовозбуждением и с независимым возбуждением.

Самовозбуждение в асинхронных генераторах может быть организовано:
а) с помощью конденсаторов, включенных в цепь статора или ротора или одновременно в первичную и вторичную цепи;
б) посредством вентильных преобразователей с естественной и искусственной коммутацией вентилей.

Независимое возбуждение может осуществляться от внешнего источника переменного напряжения.

По характеру частоты самовозбуждающиеся генераторы разделяются на две группы. К первой из них относятся источники практически постоянной (или постоянной) частоты, ко второй переменной (регулируемой) частоты. Последние применяются для питания асинхронных двигателей с плавным изменением частоты вращения.

Более подробно рассмотреть принцип работы и конструктивные особенности асинхронных генераторов планируется рассмотреть в отдельных публикациях.

Асинхронные генераторы не требуют в конструкции сложных узлов для организации возбуждения постоянным током или применения дорогостоящих материалов с большим запасом магнитной энергии, поэтому находят широкое применение у пользователей передвижных электроустановок по причине своей простоты и неприхотливости в обслуживании. Используются для питания устройств, не требующих жёсткой привязки к частоте тока.
Техническим достоинством асинхронных генераторов можно признать их устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям.
С некоторой информацией по мобильным генераторным установкам можно ознакомиться на странице:
Дизель-генераторы.
Асинхронный генератор. Характеристики.
Асинхронный генератор. Стабилизация.

Читайте также:  Ультразвук от мышей и насекомых

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Синхронный генератор — это синхронная электрическая машина, работающая в режиме генератора в которой частота вращения магнитного поля статора равна частоте вращения ротора. Ротор сотоит из обмоток при подаче напряжения на которые появлятся магнитное поле с магнитными полюсами и создает вращающееся магнитное поле, которое пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС.

В зависимости от типа обмотки, ротор может быть короткозамкнутым либо фазным. Вращающееся магнитное поле, созданное вспомогательной обмоткой статора, индуцирует на роторе магнитное поле, которое вращаясь вместе с ротором, наводит ЭДС в рабочей обмотке статора, так же как и в асинхронном генераторе

Ротор, при запуске электростанции, создает слабое магнитное поле, но с увеличением оборотов, увеличивается и ЭДС в обмотке возбуждения. Напряжение с этой обмотки через блок автоматической регулировки (AVR) поступает на ротор, контролируя выходное напряжение за счет изменения магнитного поля. Например, подключенная индуктивная нагрузка размагничивает генератор и снижает напряжение, а при подключении емкостной нагрузки происходит подмагничивание генератора и повышение напряжения. Это называется “реакцией якоря”. Для обеспечения стабильности выходного напряжения необходимо изменять магнитное поле ротора путем регулирования тока в его обмотке ( для синхронных генераторов) , что и обеспечивается блоком AVR ( стабилизатор напряжения ). Благодаря такому способу регулировки, вне зависимости от изменения тока нагрузки и оборотов двигателя электростанции стабильность выходного напряжения генератора остается очень высокой, на уровне ±1%.

Преимуществом синхронных генераторов является высокая стабильность выходного напряжения, а недостатком – возможность перегрузки по току, так как при завышенной нагрузке, регулятор может чрезмерно повысить ток в обмотке ротора. Еще к недостаткам синхронных генераторов можно отнести наличие щеточного узла, который рано или поздно придется обслуживать, правда в настоящее время этот недостаток практически устранен. Так как, современные синхронные генераторы являются в большинстве своем бесщеточными, их ротор не имеет коллекторно-щеточного узла, а ток в обмотке возбуждения (в роторе) индуцируется за счет переменного магнитного поля, создаваемого основной и/или дополнительной обмоткой статора.

Асинхронный генератор — асинхронная электрическая машина работающая в режиме торможения, ротор которой вращается с опережением, но в том же направлении что и магнитное поле статора.

В асинхронном генераторе ротор выполнен виде постоянного магнита или электромагнита. Число полюсов ротора может быть два, четыре и т. д. , но кратно двум. В бытовых бензиновых и дизельных электростанциях используется, как правило, ротор с двумя полюсами, чем и обусловлена частота вращения двигателя электростанции 3000 об/мин. В дизельных электростанциях с частотой вращения 1500 об/мин используется четырехполюсной асинхронный генератор.

Вращающееся магнитное поле остается всегда неизменным и не регулируемо, вследствие чего напряжение и частота на выходе генератора зависит от частоты оборотов ротора и следовательно от стабильности вращения двигателя электростанции.

Несмотря на простоту обслуживания, малую чувствительность к короткому замыканию и невысокую стоимость, асинхронные генераторы применяются достаточно редко, так как имеются ряд недостатков: высокая себестоимость, зависящий от активно-индуктивного характера нагрузки; ненадежность работы в экстремальных нагрузках; зависимость выходного напряжения и частоты тока от устойчивости работы двигателя и т. д.

Источники автономного электрического питания, называемые электростанциями, генераторами, бывают синхронные и асинхронные, однофазные и трёхфазные — в зависимости от типа собственно электрического генератора, соединенного посредством вала с двигателем внутреннего сгорания.

Рассмотрим генераторы — электрические машины переменного тока, определяющие потребительские характеристики автономных источников.

Генераторы синхронные и асинхронные имеют различное устройство. Принцип работы и характеристики их также отличаются.

Выбирая тип генератора, важно сделать правильный выбор — от этого будет зависеть как качество работы электрических приёмников, подключённых к нему, так и работоспособность самого генератора.

Синхронный генератор состоит из статора, ротора и блока управления.

Статор и ротор выполнены из тонких пластин из электротехнической стали, хорошо проводящих магнитный поток и плохо — электрические вихревые токи.

Витки статорной обмотки размещены в пазах статора равномерно по окружности. Для однофазного генератора — одна фазная обмотка, для трёхфазного генератора — три фазные обмотки, соединённые в звезду или треугольник и сдвинутые по окружности одна относительно другой на 120 градусов.

Читайте также:  Мотоблок старого образца фото

Ротор представляет собой явнополюсный биполярный электромагнит постоянного тока.

Обмотка ротора соединена через два щёточные узла, представляющие пару «щётка — кольцо», с блоком управления. Последний осуществляет её питание постоянным током и обеспечивает необходимые электрические связи для автоматического регулирования.

Асинхронный генератор состоит из статора и ротора.

Статор имеет такое же устройство, как и у синхронного генератора. Его обмотка также может быть однофазной или трёхфазной.

Ротор короткозамкнутый: токопроводящая часть ротора выполнена из алюминия и напоминает беличью клетку.

При вращении ротора двигателем внутреннего сгорания (ДВС) вращающееся вместе ним магнитное поле электромагнита возбуждает в статорной обмотке переменное синусоидальное — однофазное или трёхфазное — напряжение.

При подключении к статорной обмотке нагрузки в цепи течёт переменный — однофазный или трёхфазный — электрический ток.

Величина напряжения и частота на зажимах статорной обмотки зависимы от скорости вращения ротора. С изменением электрической нагрузки синхронного генератора механическая нагрузка на валу ДВС также имеет тенденцию к изменению в прямо пропорциональной зависимости, могущую привести к изменению скорости вращения ротора и, как следствие, к изменению величины напряжения и частоты.

Во избежание подобных изменений и для поддержания заданных величин напряжения и частоты с необходимой точностью, блоком управления синхронного генератора осуществляется автоматическое регулирование электрических параметров через обратную связь по току и напряжению, подаваемую на роторную обмотку.

При вращении ротора асинхронного генератора под действием остаточного магнетизма статора в беличьей клетке индуцируется электрический ток, магнитное поле которого, вращаясь вместе с ротором, наводит в неподвижной обмотке статора переменное синусоидальное — однофазное или трёхфазное — напряжение.

Поскольку в асинхронном генераторе нет электрической связи с ротором, то и нет возможности искусственного автоматического регулирования электрических параметров напряжения и тока. Они изменяются с изменением электрической нагрузки на обмотке статора в соответствии с конструктивными особенностями асинхронной машины переменного тока.

У синхронного генератора величина напряжения и частота поддерживаются с высокой точностью, в то время как у асинхронного они изменяются в относительно большом диапазоне.

Синхронный генератор, будучи источником реактивной мощности (из-за конструктивных особенностей этого вида электрических машин), не боится перегрузок переходных режимов, связанных с пуском под нагрузкой из потребителей этой реактивной мощности — всех электробытовых приборов и электроинструмента, содержащих электродвигатели.

Асинхронный генератор, сам являясь потребителем реактивной мощности, перегрузок при пуске под нагрузкой с потребителями реактивной мощности боится больше — имеется вероятность протекания больших токов и перегрева статорной обмотки. Для ликвидации этого недостатка профессиональные асинхронные генераторы снабжены пусковыми конденсаторами, которые после стабилизации величины тока статора через несколько секунд после пуска отключаются.

Синхронный генератор, в отличие от асинхронного, меньше боится электрических перегрузок в установившемся режиме, поскольку снабжён системой автоматического регулирования через обратную связь по току и напряжению.

В асинхронном генераторе сила сцепления электромагнитных полей ротора и статора искусственно не регулируется, а имеет значение, описываемое естественной характеристикой.

Несмотря на некоторые слабые стороны, асинхронные генераторы завоевали себе популярность более простой конструкцией, неприхотливостью, отсутствием необходимости квалифицированного технического обслуживания и сравнительной дешевизной.

Синхронный генератор переменного тока необходимо выбрать в следующих случаях:

1. по условиям эксплуатации подключаемых электрических приёмников предъявляются повышенные требования к стабильности величины напряжения и частоты;

2. вероятны перегрузки в переходном режиме при подключении к работающему генератору электрических приемников, являющихся потребителями реактивной мощности;

3. возможны перегрузки в переходном режиме при пуске генератора под нагрузкой из включённых приёмников, являющихся потребителями реактивной мощности;

4. случаются перегрузки в установившемся режиме, когда к генератору подключены приёмники — потребители как активной, так и реактивной мощности.

Асинхронный генератор переменного тока следует предпочесть, если:

1. к величине напряжения и частоте не ставится высоких требований;

2. работа генератора предполагается в запылённых условиях;

3. отсутствует возможность квалифицированного технического обслуживания;

4. нет возможности приобрести более дорогостоящий синхронный генератор.

5. вероятны перегрузки в переходном режиме, но генератор снабжён дополнительными пусковыми конденсаторами.

Следует отметить, что как синхронный, так и асинхронный генераторы не переносят чрезмерных перегрузок, превышающих их максимальную мощность. В таких случаях срабатывает электрическая защита, предохраняющая агрегат от выхода из строя. Для того, чтобы избежать аварийных ситуаций, нужно знать, как рассчитать мощность генератора, исходя из максимальной величины предполагаемой нагрузки.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector