Синхронные генераторы классификация. принцип действия синхронных генераторов

Синхронная машина - это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой равна частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре.

Синхронные двигатели получили широкое распространение в промышленности для электроприводов, работающих с постоянной скоростью (компрессоров, насосов и т.д.). В последнее время, вследствие появления преобразовательной полупроводниковой техники, разрабатываются регулируемые синхронные электроприводы.

Устройство синхронной машины

Статоры синхронной и асинхронной машин полностью одинаковы.

Статор синхронного генератора состоит из чугунной станины - корпуса, внутри которого находится сердеч­ник статора, собранный из отдельных листов электротех­нической стали, изолированной между собой лаком или тонкой бумагой. В пазы сердечника укладывают обмотку статора из медного изолированного провода (рис. 164).

Роторы синхронных генераторов бывают двух типов - явнополюсными и неявнополюсными (балванка).

Явнополюсными выполняют роторы синхронных гене­раторов с небольшим числом оборотов (от 125 об/мин до 1500 об/мин), обычно соединяемых с тихоходными гидротурбинами, и генераторов не­большой и средней мощности.

Роторы неявнополюсные применяют в генераторах с большим числом оборотов (3000 об/мин) и большой мощности, обычно соединяемых на одном валу с паровыми турбинами, называют эти генераторы турбогенераторами.

Сердечники полюсов большей частью изготовляют из литой стали, а башмаки - иногда из отдельных листов электротехнической стали. Обмотку полюсов выполняют из медных изолированных проводов. Для получения синусоидально изменяющейся э.д.с. необходимо иметь синусоидальное распределение магнитной индукции в воз­душном зазоре. Это достигается неравномерностью воз­душного зазора между наконечником полюса и сталью статора: по краям полюсов воздушный зазор больше, чем под серединой полюса (рис. 167).

На вал генератора надевают два кольца, изолирован­ных от него, к которым присоединяют выводы обмотки возбуждения ротора, их называют контактными кольцами. На контактные кольца устанавливают щетки, а к щеткам подводят постоянный ток от воз­будителя.

Чаще всего в качестве возбуди­теля применяют машину постоян­ного тока, которую называют машинным возбудителем, а в по­следнее время используют для возбуждения твердые или механи­ческие выпрямители. У большего количества син­хронных машин возбудитель рас­положен на одном валу с гене­ратором, а в последних конструкциях возбудитель распо­лагают сверху статора синхронной машины.

Принцип действия синхронного генератора

Синхронный генератор состоит из неподвижной - статора, в пазах которого помещается трехфазная обмотка перемен­ного тока, и вращающейся части - ротора, который пред­ставляет собой электромагнит.

Обмотки возбуждения ротора питаются через щетки и кольца постоянным током от возбудителя - машины постоянного тока или какого-нибудь выпрямителя.

Если предположить, что магнитная индукция распределяется в воз­душном зазоре синусоидально - , то ЭДС, индуктируемая в якорной обмотке генератора, будет иметь вид:

Под действием этой ЭДС в цепи генератора, замкнутой на нагрузку Z, появится переменный ток . Частота переменной ЭДС рассматриваемого ге­нератора определяется частотой вращения ротора: при одной паре полюсов поля возбуждения () одному обороту ротора соответствует один период переменного тока. В общем случае частота ЭДС синхронного генератора(Гц) прямо пропорциональна частоте вращения ротора [об/мин], т.е.

Обмотка, в которой индуктируется ЭДС, расположена на неподвижной части генератора - на статоре. При этом обмотку возбуждения располагают на роторе. Такая конструктивная схема наиболее рациональна в синхронных машинах большой мощности, так как при расположении рабочей обмотки на ро­торе пришлось бы передавать в рабочую об­мотку через контактные кольца значительные мощности при напряжении до 20 кВ. В этих ус­ловиях работа контактных колец и щеток стала бы весьма ненадежной, а потери энергии в ще­точном контакте - значительны. При распо­ложении рабочей обмотки на статоре выводы этой обмотки присоединяют непосредственно к электрической сети. Конечно, и в этом случае машина не избавляется от контактных колец и щеток, необходимых для соединения обмотки возбуждения с возбудителем. Но так как вели­чина тока возбуждения в десятки раз меньше рабочего (переменного) тока, а напряжение не превышает 450 В, то щеточный контакт работает более на­дежно, а потери энергии в нем невелики.

Исходя из перечисленных соображений синхронные машины, как правило, выполняют с рабочей обмоткой, располагаемой на статоре.

Обмотка статора синхронных машин обычно представляет собой трехфазную обмот­ку, соединяемую в звезду или треугольник.

На роторе расположена обмотка возбуждения, при подключении которой к источнику постоянного тока (возбудителю) возникает магнитное поле возбуждения. По­средством первичного двигателя ротор ге­нератора приводят во вращение со скоростью . При этом магнитное поле ротора вращаясь индуктирует в трехфазной обмотке статора ЭДС ,,, которые, буду­чи одинаковыми по величине и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 120, образуют трехфазную симметричную систему ЭДС.

Большинство синхронных генераторов проектируют на промышленную частоту 50 Гц. Для получения ЭДС такой частоты необходимо, чтобы частота вращения ротора была равна

Статор . Статор синхронного генератора, как и других машин переменного тока, состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, в пазах которого укладывается обмотка переменного тока, и станины - чугунного или сварного из листовой стали кожуха.

В выштампованные на внутренней поверхности сердечника пазы укладывается обмотка статора. Статорная обмотка синхронного генератора состоит из трех фазных обмоток и ее выполняют по тому же принципу, что и ста-торную обмотку асинхронного двигателя. Обмотка статора выполняется из секций, изготовленных обычно из медных проводников круглого или прямоугольного сечения.

Изоляция обмотки выполняется особо тщательно, так как машина работает обычно при высоких напряжениях. В качестве изоляции применяют миканит и миканитовую ленту.

На рис. 268 дан внешний вид статора синхронного генератора.

Ротор . Роторы синхронных машин по конструкции делятся на два типа: явнополюсные (т. е. с явно выраженными полюсами) и неявнополюсные (т. е. с неявно выраженными полюсами).

На рис. 269 показаны схемы устройства синхронных генераторов с явнополюсным и неявнополюсным роторами.

Та или иная конструкция ротора диктуется соображениями механической прочности. У современных генераторов, вращающихся от быстроходных двигателей (паровая турбина), окружная скорость ротора может достигать 100-160 м/сек. Поэтому быстроходные генераторы имеют неявнополюсный ротор. Скорость вращения быстроходных генераторов составляет 3000 об/мин и 1500 об/мин.

Явнополюсный ротор представляет собой стальную поковку. К ободу ротора прикрепляются полюсы, на которые надеваются катушки возбуждения, соединяемые последовательно между собой. Концы обмотки возбуждения присоединяются к двум кольцам, укрепленным на валу ротора. На кольца накладываются щетки, к которым присоединяется источник постоянного напряжения. На рис. 270 показан внешний вид явнополюсного ротора. Обычно постоянный ток для возбуждения ротора дает генератор постоянного тока, сидящий на одном валу с ротором и называемый возбудителем. Мощность возбудителя равна 0,25-1% от номинальной мощности синхронного генератора. Номинальные напряжения возбудителей 60-350 в.

На рис. 271 показана схема возбуждения синхронной машины.

Имеются также синхронные генераторы с самовозбуждением. Постоянный ток для возбуждения ротора получается с помощью полупроводниковых выпрямителей, подключаемых к обмотке статора генератора. В первый момент слабое поле остаточного магнетизма вращающегося ротора индуктирует в обмотке статора незначительную переменную э.д.с. Селеновые выпрямители, подключенные к переменному напряжению, дают постоянный ток, который усиливает поле ротора, и напряжение генератора увеличивается. Неявнополюсный ротор изготовляется из целой стальной поковки, подвергаемой сложной термической и механической обработке. Для примера приведем данные ротора турбогенератора, изготовленного заводом "Электросила", мощностью 100 тыс. квт при n = n н = 3000 об/мин. Диаметр ротора D = 0,99 м, длина l = 6,35 м. Окружная скорость ротора 155 м/сек. Поковка ротора в обработанном виде весит 46,5 m.

В осевом направлении по окружности неявнополюсного ротора фрезеруют пазы, куда укладывается обмотка возбуждения. Обмотка в пазах закрепляется при помощи металлических (стальных или бронзовых) клиньев. Лобовые части обмотки закрепляются бандажными металлическими кольцами.

На рис. 272 показан общий вид неявнополюсного ротора турбогенератора в готовом виде.

При конструировании электрических машин и трансформаторов большое внимание конструкторы обращают на вентиляцию машин. Для синхронных генераторов применяется воздушное и водородное охлаждение.

Воздушное охлаждение осуществляется при помощи вентиляторов, укрепленных на валу с обеих сторон ротора (для генераторов мощностью от 1,5 до 50 тыс. квт) или расположенных под машиной в отверстии фундамента (для более мощных генераторов).

Массы холодного воздуха, поступающие для вентиляции, во избежание загрязнения машины пылью проходят через фильтры. При замкнутой системе вентиляции машина охлаждается одним и тем же объемом воздуха. Воздух, пройдя через машину, нагревается и поступает в воздухоохладители, затем снова нагнетается в машину и т. д. Для целей охлаждения служит также система вентиляционных каналов, устроенных в отдельных частях машины.

Наиболее эффективным способом охлаждения машины является водородное охлаждение. Водород, обладающий в 7,4 раза большей теплопроводностью, чем воздух, лучше отводит тепло от нагретых частей машины. Потери на трение о воздух при воздушном охлаждении составляют около 50% от суммы всех потерь в машине. Водород имеет удельный вес в 14,5 раза меньше, чем воздух. Поэтому трение о водород резко уменьшается. Водород способствует также сохранению изоляции и лаковых покрытий машины.

Внешний вид явнополюсного синхронного генератора с возбудителем показан на рис. 273, а неявнополюсного синхронного генератора мощностью 50 тыс. квт - на рис. 274.

Гидрогенераторы приводятся во вращение гидравлическими турбинами. Эти турбины чаще всего имеют вертикальный вал с низким числом оборотов. Тихоходный синхронный генератор имеет большое число полюсов и в связи с этим большие размеры.

Так, например, гидрогенератор типа СВ 1200 / 170 96 мощностью 50 тыс. квт, изготовленный заводом "Электросила" им. С. М. Кирова, имеет общий вес 1142 m, диаметр статора 14-м, общую высоту 8,9 м, число полюсов 96.

На рис. 275 показана наглядная схема синхронного генератора с возбудителем, питающим силовую и осветительную нагрузку. На рис. 276 дана электрическая схема соединений синхронного генератора с нагрузкой.

Обмотки статоров синхронных генераторов, как уже указывалось, выполняются так же, как обмотки статоров асинхронных двигателей. Все шесть концов трехфазной обмотки генератора обычно выводятся на его щиток. Соединяя три конца обмоток в одну общую нулевую точку и выводя три начала обмоток во внешнюю сеть, мы получим соединение обмоток звездой. Соединяя конец первой обмотки с началом второй, конец второй с началом третьей, конец третьей с началом первой обмотки и сделав от точек соединений три отвода во внешнюю сеть, получим соединение обмоток треугольником.

Статорные обмотки трехфазных генераторов в большинстве случаев соединяют в звезду.

Качество электрической энергии, вырабатываемой генераторами переменного тока, оценивается:

частотой э.д.с., которая должна быть строго равна заданному значению f 1 ;

величиной напряжения на зажимах, которое должно быть равно заданной величине U н;

форма кривой э.д.с. должна быть возможно ближе к синусоиде.

Заданное значение частоты э.д.с. обеспечивается постоянством скорости вращения первичного двигателя. Необходимая величина напряжения U н достигается регулировкой тока возбуждения. Синусоидальная форма кривой э.д.с. достигается в явнополюсных машинах увеличением воздушного зазора под краями полюсных наконечников и другими мерами. В неявнополюсных машинах синусоидальный характер э.д.с., индуктированной в обмотке статора, обеспечивается соответствующим распределением витков обмотки возбуждения в пазах ротора.

СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

3.1.1. Общие сведения

Синхронными машинами называются электрические машины пе­ременного тока, у которых магнитное поле, созданное обмоткой переменного тока, вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор, т. е. синхронно с ротором.

В настоящее время подавляющее большинство электрической энергии переменного тока вырабатывается с помощью синхрон­ных генераторов. Генераторы, приводимые во вращение гидро­турбинами, называются гидрогенераторами. На тепловых стан­циях с помощью паровых турбин приводят во вращение турбо­генераторы. Во всевозможных промышленных установках можно встретить синхронные генераторы, приводимые во вращение дви­гателями внутреннего сгорания. Во всех перечисленных случаях механическая энергия турбин или двигателей превращается в электрическую энергию переменного тока.

Частота f 1 энергии переменного тока, вырабатываемой син­хронными генераторами, зависит от частоты вращения ротора n 1 и числа пар полюсов р :

f 1= p n 1 / 60.

Однако в современной технике синхронные машины исполь­зуют не только в качестве генераторов. В силовом электропри­воде, в устройствах автоматики, в устройствах звукозаписи при­меняют большое количество синхронных машин, работающих в двигательном режиме,- синхронных двигателей .

Основная особенность синхронного двигателя - при постоян­ной частоте тока питающей сети f 1 его ротор вращается со строго постоянной (синхронной) частотой вращения

n 1 = 60 f 1 / p

3.1.2. Конструкция синхронных генераторов

Любая синхронная машина состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора (рис. 1). Ста­тор и ротор разделены воздушным зазором, который у крупных синхронных машин обычно значительно больше, чем у асинхронных машин, одинаковых по мощности.

По конструкции статор синхронной машины принципиальо не отличается от статора асинхронной машины. Сердечник статора 1 набирают из штампованных изолированных листов электротехнической стали. В пазах статора размещают распределенную обмотку переменного тока 2 (обычно трехфазную). На валу 4 укрепляют ротор 3 с обмоткой возбуждения.

Рис.1. Устройство явнополюсной синхронной машины

Концы этой обмотки подводят к контактным кольцам 5 . Для подачи постоянного тока в обмотку возбуждения по контактным кольцам скользят щетки 6 . Источником постоянного тока в рассматриваемой машине служит возбудитель 7 , представляющий собой генератор постоянного тока, якорь которого укреплен на общем валу с ротором синхронной машины.

Постоянный ток, проходя по обмотке возбуждения, создает магнитное поле ротора - поле возбуждения.

Роторы синхронных генераторов бывают с явно выраженными и неявно выраженными полюсами.

Явнополюсный ротор (рис.2) состоит из вала 1 , на кото­ром укреплены сердечники полюсов с полюсными катушками 2 . Сердечники полюсов заканчиваются полюсными наконечниками 3 , которые обычно обрабатывают таким образом, чтобы воздушный зазор между полюсным наконечником и статором получался не­равномерным. Он минимален под серединой полюса и максимален у его краев (рис.3, ). Делается это для того, чтобы кри­вую магнитной индукции B o в воздушном зазоре, имеющую форму трапеции при равномерном зазоре 1 , максимально приблизить к синусоиде 2 .

Синхронные машины с явно выраженными полюсами обычно многополюсные. Они, как правило, рассчитываются на небольшие частоты вращения. Так, гидрогенератор Куйбышевской ГЭС имеет 88 полюсов (2р= 88) и вращается с частотой n 1 =68,3 об/мин.

Рис. 2. Явнополюсный ротор Рис. 3. Распределение

магнитной индукции в зазо­ре

синхронной машины

Гидрогенераторы всегда явнополюсные. Так как при малых частотах вращения n 1 (которые развивает гидротурбина) гидро­генераторы должны выдавать электроэнергию промышленной час­тоты 50 Гц, то они должны иметь большое число пар полюсов:

p = 60*50/ n 1

Роторы гидрогенераторов имеют большой диаметр (для разме­щения полюсов) и малую длину.

Турбогенераторы являются быстроходными синхронными маши­нами. Объясняется это высокой частотой вращения паровых тур­бин, к. п. д. которых возрастет с увеличением частоты вращения. Обычно турбогенераторы делаются двухполюсными (2р = 2) и име­ют частоту вращения n 1 = 3000 об/мин.

При такой большой частоте вращения явнополюсная конструк­ция ротора непригодна из-за недостаточной механической прочно­сти. Поэтому турбогенераторы имеют неявнополюсный ротор - ко­ваный стальной цилиндр с профрезерованными продольными паза­ми для укладки обмотки возбуждения (см. рис. 7). Неявнополюсные роторы имеют сравнительно небольшой диаметр при зна­чительной длине.

В синхронных машинах применяются два способа возбуждения: электромагнитное возбуждение и возбуждение постоянными маг­нитами .

В зависимости от способа питания обмотки возбуждения постоянным током различают независимое возбуждение и самовозбуждение .

При независимом возбуждении для получения постоянного тока применяют возбудитель В (см. рис. 1), который располагается на одном валу с синхронной машиной и представляет собой гене­ратор постоянного тока, мощность которого не превышает 2-5% от мощности синхронной машины.

При самовозбуждении для питания обмотки возбуждения постоянным выпрямленным током, получаемым от генератора, используются выпрямители.

В случае возбуждения постоянными магнитами ротор не имеет обмотки возбуждения, а его полюсы представляют собой постоянный магнит. Это дает возможность получить машину без контактных колец, а следовательно, повысить ее надежность и к. п. д.

На полюсных наконечниках явно выраженных полюсов ротора имеются пазы, в которых укладывают стержни демпферной (успокоительной) короткозамкнутой обмотки, выполняемой по типу короткозамкнутой обмотки ротора асинхронных машин. Эта обмотка служит для успокоения ротора (уменьшения качаний) в генераторах, а также для пуска в синхронных двигателях.

Синхронные машины небольшой мощности иногда выполняют обращенными (по типу машин постоянного тока). У таких машин обмотка переменного тока размещается в пазах ротора и выводит­ся к трем контактным кольцам, а обмотка возбуждения размеща­ется на явно выраженных полюсах статора. Мощными эти машины не делаются, так как при такой конструкции через контактные кольца приходится пропускать большой переменный ток (основной ток машины) при высоком напряжении, тогда как в машинах обыч­ного исполнения через контактные кольца ротора проходит небольшой по величине ток возбуждения при напряжении до 440 В.

Синхронные двигатели малых мощностей весьма разнообразны по конструкции.

3.1.3. Принцип действия синхронного генератора

Синхронные генераторы в зависимости от типа обмотки статора могут быть одно-, двух- и трехфазными. Наибольшее распространение получили трехфазные генераторы. На рис.4 представлена электромагнитная схема такого генератора. Трехфазная обмотка статора состоит из трех однофазных обмоток, равномерно распре­деленных по статору и сдвинутых в пространстве на 120° относи­тельно друг друга (рис.4). Посредством первичного двигателя, в качестве которого применяются турбины (паровые или гидрав­лические), двигатели внутреннего сгорания или электродвигатели, ротор генератора приводится во вращение с частотой n 1 .

Рис. 4. Электромагнитная схема синхронного генератора

Если в рассмотренных выше асинхронных машинах ротор имел частоту вращения, отличную от частоты вращения магнитного поля статора, то в синхронных эти частоты равны между собой.
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.

6.1. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

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. 6.1.1 приведены две конструкции генераторов, с тихоходным и быстроходным ротором.

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

На гидроэлектростанциях вращение ротора зависит от движения водяного потока. Но и при медленном вращении такой генератор должен вырабатывать электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц.
Поэтому для каждой гидроэлектростанции конструируется свой генератор, на определенное число магнитных полюсов на роторе.
В качестве примера приведем параметры синхронного генератора, работающего на Днепровской ГЭС.
Водяной поток вращает ротор генератора с частотой n = 33,3 об / мин. Задавшись частотой f = 50 Гц, определим число пар полюсов на роторе:

Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, кото-рое, пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС. При подключении к генератору нагрузки генератор будет являться источником переменного тока.

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.

6.3. СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

6.3.1. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Конструкция синхронного двигателя такая же, как и у синхронного генератора.
При подаче тока в трехфазную обмотку статора в нем возникает вращающееся магнитное поле. Частота вращения его определяется формулой:

где f - частота тока питающей сети,
р - число пар полюсов на статоре.
Ротор, являющийся часто электромагнитом, будет строго следовать за вращаю-щимся магнитным полем, т.е. его частота вращения n 2 = n 1 .
Рассмотрим принцип действия синхронного двигателя на следующей условной модели (рис. 6.3.1.). Пусть магнитное поле статора будет смоделировано системой вращающихся магнитных полюсов N - S.

Ротор двигателя тоже представляет собой систему электромагнитов S - N, кото-рые "сцеплены" с полюсами на статоре. Если нагрузка на двигателе отсутствует, то оси полюсов статора будут совпадать с осями полюсов ротора ( = 0).
Если же к ротору подключена механическая нагрузка, то оси полюсов статора и ротора могут расходиться на некоторый угол .
Однако "магнитное сцепление" ротора со статором будет продолжаться, и частота вращения ротора будет равна синхронной частоте статора (n 2 = n 1). При больших значениях ротор может выйти из "сцепления" и двигатель остановится.
Главное преимущество синхронного двигателя перед асинхронным - это обеспечение синхронной скорости вращения ротора при значительных колебаниях нагрузки.

6.3.2. СИСТЕМА ПУСКА СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Как мы показали выше, синхронное вращение ротора обеспечивается "магнитным сцеплением" полюсов ротора с вращающимся магнитным полем статора.
В первый момент пуска двигателя вращающееся магнитное поле статора возникает практически мгновенно. Ротор же, обладая значительной инерционной массой, прийти в синхронное вращение сразу не сможет. Его надо "разогнать" до подсинхронной скорости каким-то дополнительным устройством.
Долгое время роль разгонного двигателя играл обычный асинхронный двигатель, механически соединенный с синхронным.
Ротор синхронного двигателя приводится во вращение до подсинхронной скорости. Далее двигатель сам втягивается в синхронизм.
Обычно мощность пускового двигателя составляет 5-15 % от мощности синхронного двигателя. Это позволяет пускать в ход синхронный двигатель только вхолостую или при малой нагрузке на валу.
Применение пускового двигателя мощностью, достаточной для пуска синхронного двигателя под нагрузкой делает такую установку громоздкой и дорогой.
В последнее время используется так называемая система асинхронного пуска синхронных двигателей. С этой целью в полюсные наконечники забивают стержни, напоминающие собою короткозамкнутую обмотку асинхронного двигателя (рис. 6.3.2.1).

В начальный период пуска синхронный двигатель работает как асинхронный, а в последующем - как синхронный. В целях безопасности обмотку возбуждения в начальном периоде пуска закорачивают, а на заключительном подключают к источнику по-стоянного тока.

6.4. РЕАКТИВНЫЙ СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

В лабораторной практике, в быту и в маломощных механизмах применяют так называемые реактивные синхронные двигатели .
От обычных классических машин они отличаются лишь конструкцией ротора. Ротор здесь не является магнитом или электромагнитом, хотя по форме напоминает собой полюсную систему.
Принцип действия реактивного синхронного двигателя отличен от рассмотренного выше. Здесь работа двигателя основана, на свободной ориентации ротора таким образом, чтобы обеспечить магнитному потоку статора лучшую магнитную проводимость (рис. 6.4.1).

Действительно, если в какой-то момент времени максимальный магнитный поток будет в фазе А - X, то ротор займет положение вдоль потока ФА. Через 1/3 периода максимальным будет поток в фазе В - У. Тогда ротор развернется вдоль потока ФВ. Еще через 1/3 периода произойдет ориентация ротора вдоль потока. ФС. Так непрерывно и синхронно ротор будет вращаться с вращающимся магнитным полем статора.
В школьной практике иногда, при отсутствии специальных синхронных двигателей, возникает необходимость в синхронной передаче.
Эту проблему можно решить с помощью обычного асинхронного двигателя, если придать ротору следующую геометрическую форму (рис. 6.4.2).

6.5. ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Этот тип двигателя является машиной постоянного тока, хотя принцип действия его напоминает синхронный реактивный двигатель.
Как видно из рис. 6.5.1, статор двигателя имеет шесть пар выступающих полюсов.

Каждые две катушки, расположенные на противоположных полюсах статора, образуют обмотку управления, включаемую, в сеть постоянного тока. Ротор - двухполюсный.
Если подключить к источнику постоянного тока катушки полюсов 1 - 1", то ротор расположится вдоль этих полюсов. Если задействовать катушки полюсов 2 - 2", а ка-тушки полюсов 1 - 1" обесточить, то ротор повернется и займет положение вдоль полю-сов 2 - 2". Такой же поворот ротора произойдет, если включить в сеть катушки полюсов 3 - 3". Так, шагами, ротор будет "следовать" за своей обмоткой управления.
Преимуществом шаговых двигателей является то, что в них совершенно отсутствует "самоход". Они поворачиваются и строго фиксируются с шагом, пропорциональ-ным числу полюсов на статоре. Это качество делает его незаменимым в особо точных механизмах (для привода часов, механизмов подачи ядерного топлива в реакторах, в станках с ЧПУ и т.д.).
Управление шаговыми двигателями ведется с применением различных электронных устройств (триггеров Шмидта и др.).

6.6. КОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Безколлекторные асинхронные и синхронные двигатели при многих положительных качествах имеют существенные недостатки. Они не допускают достаточно плавного и экономичного регулирования вращения.
Этот пробел частично восполняют коллекторные двигатели переменного тока.
Коллекторные двигатели бывают однофазными и трехфазными.
Ротор однофазного коллекторного двигателя выполнен в виде цилиндра с фазными обмотками, статор - явнополюсный.
Так как обмотка полюсов статора, подключаемая к сети переменного тока, создает пульсирующее магнитное поле, то все элементы магнитной цепи машины набираются из отдельных листов электротехнической стали.
Вращающий момент в однофазном коллекторном двигателе создается взаимодействием токов в обмотке ротора с магнитным потоком полюсов. На рис. 6.6.1- показана схема подключения к сети коллекторного двигателя.

Коллекторные двигатели могут работать как от сети переменного тока, так и от сети постоянного тока. Это обстоятельство послужило для присвоения им наименования универсальных коллекторных двигателей. Коллекторные двигатели широко при-меняются для привода швейных машин, пылесоса и т.д.

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:

n = f / p

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:

n = 60· f / p

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 E A , E B и E C , 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 I A , I B , I C , 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 = B max 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 δ max (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 r 1 и подвозбудителя r 2 . 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.

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.

s = (n - n r)/n

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 .

Замечания и предложения принимаются по адресу [email protected]