Устройство и принцип работы синхронного генератора. С какой скоростью вращается ротор синхронного генератора.

Почти вся электроэнергия, потребляемая в частных домах и промышленности, вырабатывается генераторами этого типа. Стоит подробнее рассмотреть устройство и принцип работы этих интересных современных машин.

Устройство и принцип работы синхронного генератора

Синхронный генератор (СГ) — это электростанция, преобразующая механическую энергию в электрическую. Он имеет надежную конструкцию и относительно простой принцип работы. СГ востребованы в энергетике, на транспорте, в нефтегазовой и других отраслях промышленности.

Конструкция ГА состоит из:

• Обмотка возбуждения (ОВ) статора. Для ее питания применяется источник постоянного электротока, его функции реализует электронный регулятор напряжения. Этот элемент применяется в СГ с самовозбуждением. Первичное возбуждение происходит благодаря остаточному магнетизму магнитопровода генератора. Переменный ток, который понижающий трансформатор и выпрямитель преобразуют в постоянный, поставляет обмотка статора.
• Обмотка ротора. Обмотка, в которой инициируется электродвижущая сила, называется обмоткой возбуждения якоря.
• Схема вращающихся диодов («диодный мост») – обеспечивает выпрямление переменного напряжения, которое генерирует обмотка якоря возбудителя.
• Статор – неподвижный узел. В его составе имеется корпус, внутри которого предусмотрен сердечник или пакет, состоящий из листов электротехнической стали особой конфигурации. Качество генерируемой электроэнергии во многом зависит от того, какие листы используются в пакете – цельные или сборные, от их качества и материала, из которого изготовлена обмотка. В дорогих моделях обмотка изготавливается из медного эмаль-провода, в более дешевых ее функции выполняет алюминиевый провод.
• Ротор – вращающаяся часть генератора. Может быть явнополюсным и неявнополюсным. Роторы первого типа используются в СГ, совмещенных с низкочастотными ДВС, частота вращения которых составляет до 3000 об/мин. В высокомощных и высокочастотных агрегатах применяют неявнополюсные роторы. Их часто монтируют на валу совместно с паровыми турбинами. СГ с таким конструктивным исполнением называют турбогенераторами.

Обмотки питания и возбуждения размещаются в специальных пазах в конструкции ротора и якоря. В зависимости от типа выходного напряжения, ГА делятся на однофазные и трехфазные.

Синхронный генератор может работать как генератор или как двигатель. В последнем случае на входе генератора имеется электрическая энергия, а на выходе — механическая. Синхронные генераторы берут на себя функцию электродвигателя в системах мощностью более 50 кВт. При использовании СГ в качестве электродвигателя обмотка статора подключается к сети, а ротор — к источнику постоянного тока.

Принцип действия синхронного генератора

В качестве генератора тока устройство работает следующим образом:

• При прохождении через ОВ постоянного тока появляется магнитное поле с чередованием полюсов.
• Магнитное поле вращается относительно обмотки якоря. При этом происходит возбуждение переменных ЭДС, которые при суммировании образуют ЭДС фаз.
• Трехфазную схему образуют три одинаковые обмотки, которые размещаются на якоре под углом друг к другу, равным 120°.

Области применения

Дроссельные катушки в сочетании с бензиновым или дизельным двигателем востребованы, например, там, где отсутствует или недостаточно централизованное электроснабжение:

• на строительных площадках;
• в местах ведения разведочных и добывающих работ;
• на морских судах.

Если необходимо выработать электроэнергию для крупных потребителей, то несколько агрегатов подключаются параллельно. Такой тип подключения позволяет отключать отдельные ДГ без прерывания работы всей сети.

Устройство

Современные генераторы состоят из двух основных компонентов — вращающегося ротора и неподвижного статора. Вал ротора оснащен либо постоянными магнитами, либо обмоткой возбуждения. Магниты зубчатые и имеют противоположные полюса.

Альтернаторы без щеток.

Катушки статора наматываются так, чтобы сердечники были совмещены с выступами магнитных полюсов ротора или с сердечниками катушек ротора. Число зубцов на магните обычно не превышает 6. В такой конструкции генерируемый ток берется непосредственно из обмоток статора. Другими словами, статор действует как якорь.

В принципе, постоянные магниты можно разместить на статоре, а рабочие обмотки, на которых индуцируется ЭЭД, на роторе. Это не влияет на характеристики генератора, но требует установки втулок и отбойников для отвода напряжения от обмоток ротора, что зачастую нерационально.

Принципиальная схема бесщеточного генератора без обмоток возбуждения показана на рисунке 1.

Пояснение:

• схема устройства;
• схема расположения магнитных полюсов на якоре. Здесь буквами NS обозначено коаксиальный магнит с полюсами, а литерой R – стальной магнитопровод ротора в виде когтеобразных наконечников.
• модель генератора в разрезе. Выводы фазных обмоток статора соединены «звездой».

Современные машины с катушками.

Обратите внимание, что в генераторах малой мощности в качестве роторов используются постоянные магниты. В электрических машинах большой мощности всегда используются индукционные обмотки с независимым возбуждением. Независимое питание — это генератор малой мощности, установленный на валу синхронной машины.

Существуют современные генераторы малой и средней мощности, которые оснащены обмотками с независимым возбуждением. Для возбуждения индуктора выпрямленный ток фазных обмоток проходит через щетки во втулки на валу статора. Конструкция такого генератора показана на рисунке 2.

Обратите внимание на наличие щеток, которые питаются от независимого источника.

Синхронные генераторы делятся на несколько фаз:

• однофазные;
• двухфазные;
• трёхфазные.

В зависимости от конструкции ротора различают генераторы с определенными полюсами и генераторы с невидимыми полюсами. В роторе с неявными полюсами отсутствуют выступы, а витки провода ротора скрыты в пазах статора.

Трехфазные генераторы различают по типу соединения фазных обмоток:

• соединённые по шестипроводной системе Тесла (не нашли практического применения);
• «звезда»;
• «треугольник»;
• сочетание шести обмоток, соединённых в виде одной «звезды» и «треугольника». Это соединение ещё называют «Славянка».

Наиболее распространенным соединением является соединение звездой с нейтралью.

Принцип работы

Рассмотрим принцип генерации тока на примере петлевой рамки, расположенной между магнитными полюсами. (рис. 3)

Если мы приведем рамку во вращение (в направлении стрелок), то она пересечет магнитные силовые линии. Согласно закону электромагнитной индукции, при подключении нагрузки к щеткам в рамке индуцируется электрический ток. Его направление можно определить с помощью правила Бюравера. На схеме направление тока показано черными стрелками.

Обратите внимание, что в секциях рамы ab и cd ток течет в противоположных направлениях. Эти направления меняются по мере того, как секции рамки перемещаются от одного полюса магнита к другому. Если каждый провод рамки подключить к отдельному кольцу (на рисунке оно подключено к коллектору!), то на выходе мы получим переменный ток.

Величина тока пропорциональна скорости вращения ротора. Кроме того, переменный ток характеризуется еще одним параметром — частотой. Это значение напрямую связано со скоростью вращения вала.

Частота тока в электросетях строго соблюдается. В России и некоторых других странах она составляет 50 Гц, т.е. 50 колебаний в секунду.

Рассчитать этот параметр довольно просто, исходя из следующих соображений: Вращение рамки (или двухполюсного магнита) приводит к изменению направления тока. Если вал синхронного генератора совершает один оборот в секунду, частота переменного тока равна 1 Гц. Для достижения частоты 50 Гц требуется 50 оборотов статора в секунду или 3000 оборотов в минуту.

При увеличении числа полюсов частота поддерживается на определенном уровне за счет снижения частоты вращения статора. (обратная зависимость). Так, при использовании четырехполюсных статоров (удвоенное число полюсов) для получения частоты 50 Гц скорость вращения вала должна быть уменьшена вдвое. При использовании 6 полюсов скорость вращения вала должна быть уменьшена вдвое при 1000 об/мин.

Обратите внимание, что в некоторых странах, таких как США, Япония и т.д., действуют другие стандарты — например, в электрических системах современных самолетов используется переменный ток 60 Гц и 400 Гц.

Регулирование частоты

Существует два способа достижения требуемой номинальной частоты:

1. Сконструировать генератор с определённым количеством полюсов электромагнитов.
2. Обеспечить соответствующую расчётную частоту вращения вала.

Например, в случае тихоходных водяных турбин, вращающихся со скоростью 150 об/мин, для регулирования частоты число полюсов синхронного генератора увеличивается до 40. Для дизельных электростанций, вращающихся со скоростью 750 об/мин, оптимальное число полюсов — 8.

Ротор синхронной машины

Благодаря своей конструкции, ротор современных двигателей позволяет улучшить демпфирующие и пусковые характеристики электрооборудования, работающего в режиме синхронного генератора или двигателя. Конструкция ротора современного двигателя включает в себя:

• магниты;
• немагнитные вставки;
• запорные кольца;
• стакан.

Магниты ротора выполнены секциями и разделены немагнитными вставками. Циркули, прикрепленные к концам ротора, изготовлены из материалов с низким электрическим сопротивлением, в большинстве случаев из меди.

Конструкция устройства

Ротор — это движущаяся часть генератора или электродвигателя. Ротор двигателя постоянного тока состоит из следующих основных компонентов:

• Сердечник. В его состав входит большое количество металлических пластин, каждая из которых отсекается специальным диэлектриком. Сердечник представляет собой слоеный пирог из пластин, благодаря такой конструкции электроны не могут сильно разогнаться, из-за чего нагрев ротора намного меньше, а производительность больше из-за уменьшения потерь. Также такая конструкция обеспечивает уменьшение вихревых токов Фуко. Они гарантировано появляются при работе двигателя из-за перемагничивания сердечника;
• Обмотка. Представляет собой медную проволоку, которая размещается вокруг сердечника. Вся проволока покрыта лаковой изоляцией, чтобы исключить возможность образования короткозамкнутых витков. Также для лучшего крепления и предотвращения порчи обмотки при вибрации мотора она дополнительно пропитана эпоксидной смолой;
• Коллектор. Обмотка может быть соединена с коллектором, который находится на валу. Он представляет собой специальный блок с контактами. Контакты изготовлены из меди и по ним скользят графитовые щетки;
• Вал. Представляет собой стержень, изготовленный из стали. На концах вала есть специальные места для крепления подшипников качения. Также на нем могут быть резьбы, выемки или пазы, служащие для крепления других деталей, которые приводят в движение двигатель;
• Крыльчатка вентилятора. Она размещается на валу и выполняет роль охладителя при работе двигателя.

С какой скоростью вращается ротор синхронной машины

Скорость вращения ротора современного двигателя обычно не превышает 3000 оборотов в минуту. Скорость вращения ротора двигателя постоянного тока составляет не более 3000 оборотов в минуту.

По конструкции ротора современные машины бывают двух типов:

Ротор современной машины, с полюсом или без полюса, отвечает за генерацию основного магнитного поля. О различиях между этими типами роторов вы можете прочитать в соответствующей статье.

Синхронный генератор. Принцип действия

Характерной особенностью синхронного генератора является жесткая зависимость между частотой f величины ЭДС, индуцируемой в обмотке статора, и скоростью вращения ротора n, которая называется синхронной скоростью:

n = f / p

где p — число пар полюсов обмоток статора и ротора. Обычно скорость выражается в оборотах в минуту, а частота ЭЭД в герцах (1/сек), так что формула для числа оборотов в минуту имеет следующий вид

n = 60- f / p

На рисунке 1.1 показана функциональная схема синхронного генератора. Статор 1 имеет трехфазную обмотку, которая в принципе не отличается от такой же обмотки асинхронной машины. Ротор содержит электромагнит с обмоткой возбуждения 2, на которую подается постоянный ток, обычно через скользящий контакт, реализованный двумя контактными кольцами, расположенными в роторе, и двумя неподвижными щетками. В некоторых случаях вместо электромагнитов в роторе синхронного генератора могут использоваться постоянные магниты, и контакты на валу больше не нужны, но способность стабилизировать выходное напряжение значительно снижается.

Первичный двигатель (ПД), т.е. турбина, двигатель внутреннего сгорания или другой источник механической энергии, приводит в движение ротор генератора на синхронной скорости. Магнитное поле магнита ротора также вращается с синхронной скоростью и индуцирует в трехфазной обмотке статора переменный ток E_A, E_Bи E_Cкоторые равны по величине и сдвинуты по фазе на 1/3 периода (120°) и образуют симметричную трехфазную систему ЭЭД.

При подключении нагрузки к клеммам C1, C2 и C3 обмотки статора, токи I_A, I_B, I_Cкоторые генерируют вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора. Поэтому в синхронном генераторе магнитное поле статора и ротора вращаются синхронно. Мгновенное значение ЭЭД обмотки статора в синхронном генераторе рассчитывается следующим образом

e = 2Blwv = 2πBlwDn

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

Формула ЭЭД показывает, что при постоянной скорости вращения ротора n форма графика переменной ЭЭД обмотки ротора (статора) определяется только магнитной индукцией B в зазоре между полюсами статора и ротора. Если график магнитной индукции в зазоре представляет собой синусоидальную кривую B = B_maxsinα, то ЭДС генератора также будет синусоидальной. В современных машинах всегда стремятся к тому, чтобы распределение индукции в зазоре было как можно ближе к синусоидальной кривой.

Так, если воздушный зазор δ постоянен (рис. 1.2), то магнитная индукция B в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (график 1). Если же концы полюсов ротора «перекошены» так, что воздушный зазор на концах полюсных наконечников δ_max(как показано на рис. 1.2), то кривая распределения магнитной индукции в воздушном зазоре приближается к синусоидальной форме (рис. 2) и, следовательно, кривая ЭЭД, наведенной в обмотке генератора, также приближается к синусоидальной форме. Частота ЭЭД синхронного генератора f (Гц) пропорциональна синхронной скорости ротора n (об/с).

Способы возбуждения синхронных генераторов

Наиболее распространенным методом генерации основного магнитного потока современных генераторов является электромагнитное возбуждение, которое заключается в размещении обмотки возбуждения на полюсах ротора; когда через нее протекает постоянный ток, генерируется ЭЭД, которая создает магнитное поле в генераторе. До недавнего времени обмотка возбуждения питалась в основном от специальных независимых генераторов постоянного тока, называемых возбудителями В (рис. 1.3, а). Обмотка возбуждения (ОВ) питается от другого генератора (параллельное возбуждение), так называемого субвозбудителя (СП). Ротор генератора, возбудителя и подвозбудителя находятся на общей оси и вращаются одновременно. Обмотка возбуждения синхронного генератора питается током через движки и щетки. Для регулирования тока возбуждения используются реостаты, которые включаются в цепь возбуждения возбудителя r₁и возбудителя r₂. В современных генераторах средней и большой мощности процесс управления током возбуждения автоматизирован.

В современных генераторах также используется бесконтактная система электромагнитной проводимости, при которой современный генератор не имеет контактных колец на роторе. Возбудителем в этом случае является инвертированный синхронный генератор В (рис. 1.3, б). Трехфазная обмотка 2 возбудителя, на которой индуцируется переменная ЭДС, расположена в роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора, а их электрическая связь прямая, без контактных колец и щеток, через вращающийся выпрямитель 3. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя В осуществляется от фотоэлектрического возбудителя — генератора постоянного тока. Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронного генератора позволяет повысить его надежность и эффективность работы.

В синхронных генераторах, в том числе гидрогенераторах, используется принцип самовозбуждения (рис. 1.4, а), при котором энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и преобразуется в энергию постоянного тока через понижающий трансформатор и полупроводниковый выпрямитель СП. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного магнетизма машины.

На рис. 1.4, б показана принципиальная схема системы автоматического самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через который переменный ток из цепи статора СГ после преобразования в постоянный поступает в обмотку возбуждения. Тиристорный преобразователь управляется автоматическим регулятором возбуждения ARB, который получает сигналы входного напряжения СГ (через ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока). В состав схемы входит модуль защиты (МЗ), который защищает обмотку возбуждения от перенапряжения и перегрузки по току.

Асинхронный генератор. Отличия от синхронного

Асинхронные генераторы принципиально отличаются от синхронных тем, что не существует фиксированной зависимости между скоростью вращения ротора и генерируемой ЭЭД. Разница между этими частотами характеризуется коэффициентом скольжения s.

где: n — частота вращения магнитного поля (частота ЭЭД). n_r— частота вращения ротора.

Более подробную информацию о расчете скольжения и частоты см. в статье: Асинхронные генераторы. См.

В нормальном режиме работы электромагнитное поле асинхронного генератора под нагрузкой оказывает тормозящий момент на вращение ротора, поэтому частота изменения магнитного поля ниже и, следовательно, скольжение отрицательное. Генераторы, работающие в диапазоне положительного скольжения, — это асинхронные генераторы и преобразователи частоты.

В зависимости от области применения асинхронные генераторы выполняются в виде короткозамкнутых сепараторов, фазовых или пустотелых генераторов. Энергия возбуждения, необходимая для ротора, может вырабатываться либо статическими конденсаторами, либо инверторами с искусственно регулируемыми затворами.

Асинхронные генераторы переменного тока можно классифицировать по способу возбуждения, типу выходной частоты (переменная, постоянная), способу стабилизации напряжения, диапазонам рабочего скольжения, конструкции и количеству фаз. Последние две характеристики характеризуют конструктивные особенности генераторов. Тип выходной частоты и метод стабилизации напряжения в значительной степени определяются способом генерации магнитного потока. Классификация по способу возбуждения является наиболее важной.

Различают генераторы с самовозбуждением и генераторы с независимым возбуждением.

Самовозбуждение в асинхронных генераторах может осуществляться (а) конденсаторами, подключенными в цепи статора или ротора или одновременно в первичной и вторичной цепях; (б) вентильными преобразователями с естественным и искусственным переключением затворов.

Самовозбуждение может обеспечиваться внешним источником переменного напряжения.

По частоте самовозбуждения генераторы можно разделить на две группы. К первой группе относятся источники с практически постоянной (или фиксированной) частотой, ко второй — источники с переменной (регулируемой) частотой. Последние используются для работы асинхронных двигателей с непрерывным изменением частоты.

Более подробно принцип работы и конструктивные особенности асинхронных трехфазных двигателей рассмотрены в отдельных публикациях.

Асинхронные генераторы не требуют сложных компонентов возбуждения постоянного тока или дорогих материалов с высоким запасом магнитной энергии и поэтому широко применяются пользователями мобильных электростанций благодаря своей простоте и низким требованиям к обслуживанию. Они используются для питания оборудования, не требующего постоянного задания частоты. Техническим преимуществом асинхронных генераторов является их устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям. На этой странице вы найдете некоторую информацию о мобильных электрогенераторах: Дизельные генераторы. Дизельные дизель-генераторы. Генераторы переменного тока. Асинхронные генераторы. Stabilisierun

Комментарии и предложения приветствуются!

5. ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Этот тип двигателя является двигателем постоянного тока, хотя принцип его работы аналогичен синхронному двигателю реактивного тока. Как показано на рис. 6.5.1, статор двигателя имеет шесть пар выступающих полюсов.

Две катушки на противоположных полюсах статора образуют обмотку управления, которая подключается к сети постоянного тока. Ротор является двухполюсным. Если катушки полюсов 1 — 1′ подключены к сети постоянного тока, то ротор располагается вдоль этих полюсов. Когда на катушки полюсов 2 — 2′ подается напряжение, а катушки полюсов 1 — 1′ обесточиваются, он вращается и следует за полюсами 2 — 2′. Такое же вращение ротора происходит при подаче напряжения на катушки полюсов 3 — 3′. Таким образом, ротор постепенно «следует» за своей управляющей обмоткой. Преимущество шаговых двигателей в том, что у них нет абсолютно никакого «самоконтроля». Они вращаются и фиксируются строго по шагам в соответствии с количеством полюсов статора. Это делает их незаменимыми для прецизионных приложений, таких как часовые механизмы, питатели топлива реакторов, обрабатывающие центры с ЧПУ и т.д. Шаговые двигатели управляются с помощью различных электронных устройств (триггеры Шмидта и т.д.).

6. КОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Асинхронные двигатели и современные бесщеточные двигатели также имеют существенные недостатки, несмотря на множество положительных качеств. Они не позволяют в достаточной степени плавно и экономично регулировать скорость. Этот пробел частично закрывается коллекторными двигателями переменного тока. Коллекторные двигатели бывают однофазными и трехфазными. Ротор однофазного коммутаторного двигателя имеет форму цилиндра с фазными обмотками, статор — чисто полярный. Полюсная обмотка статора создает пульсирующее магнитное поле, поэтому все компоненты магнитной цепи выполнены из отдельных электрических листов. Вращающий момент в однофазном коллекторном двигателе создается за счет взаимодействия токов в обмотке ротора с магнитным потоком на полюсах. На рис. 6.6.1- показана схема подключения коллекторного двигателя к сети.

Коллекторные двигатели могут работать как на переменном, так и на постоянном токе. Это привело к тому, что их стали называть коллекторными двигателями общего назначения. Коллекторные двигатели часто используются для привода швейных машин, пылесосов и т.д.

Область применения

Современные электродвигатели используются в качестве источников переменного тока: Они используются в мощных тепловых, гидро- и атомных электростанциях, в передвижных электростанциях, в транспортных системах (локомотивы, самолеты, дизельные двигатели). Синхронная генераторная установка может работать автономно — генератор питает подключенную нагрузку — или параллельно с сетью — к ней подключены другие генераторы.

Синхронная генераторная установка может питать агрегаты в местах, где нет централизованного электроснабжения от сети. Такие установки могут использоваться на фермах, расположенных далеко от жилых районов.