Устройство генератора

 

Синхронный генератор. Частота переменного тока жёстко зависит от скорости вращения ротора электрической машины и наоборот. Таким образом, можно относительно легко контролировать частоту переменного тока. Сам по себе синхронный генератор имеет ряд преимуществ, благодаря которым стал наиболее распространенным. Скажу вам по большому секрету, именно синхронные генераторы используются на всех станциях, где производят электричество.

 

Рисунок 1.1. Функциональная схема синхронного генератора

 

Приводным двигателем (на схеме обозначен как ПД) может выступать любое вращающее устройство: двигатель, турбина, крыльчатка ветряной мельницы или водяного колеса. На одном валу с ПД находится ротор генератора с обмоткой возбуждения. На обмотку подается постоянное напряжение и вокруг обмотки образуется магнитное поле. Когда ротор вращается, в обмотках статора возникает ЭДС, то есть появляется напряжение, только уже переменное, частота которого зависит от скорости вращения ротора n1 и количества пар полюсов p.

Асинхронный генератор. Асинхронный генератор, это, по сути, асинхронный двигатель. То есть любой асинхронный двигатель можно перевести в режим генерации энергии и наоборот. Конструктивно, устройство, которое называют генератором, выполнено таким образом, чтобы иметь хорошее охлаждение.

Рисунок 1.2. Устройство асинхронного генератора

 

Когда на обмотки статора подается напряжение, образуется магнитное поле, у трёхфазных двигателей оно круговое, у однофазных эллипсообразное, стремящееся к круговому. Магнитное поле начинает пересекать витки обмотки статора. В короткозамкнутой обмотке ротора возникает ЭДС, то есть напряжение, а поскольку обмотка короткозамкнутая, по ней начинает протекать ток, который тоже создает магнитное поле. Взаимодействие этих магнитных полей приводит ротор в движение. Если скорость ротора станет равна скорости магнитного поля, создаваемого статором, то магнитное поле статора перестанет пересекать обмотку ротора. Это можно сравнить с тем, что две машины двигаются на одинаковой скорости. Вроде бы машины двигаются, но при этом по отношению друг к другу они словно стоят на месте, просто земля с большой скоростью проносится под машинами. Как только скорость ротора и скорость магнитного поля статора станут одинаковыми, в обмотке ротора перестанет вырабатываться ЭДС, прекратится взаимодействие магнитных полей статора и ротора и ротор начнёт останавливаться. Поэтому скорость вращения ротора асинхронного двигателя всегда несколько меньше скорости вращения магнитного поля статора и эта величина называется скольжение.

Чтобы асинхронный двигатель стал генератором, надо определить скольжение и увеличить скорость вращения ротора на эту величину. Допустим, мы имеем однополюсный трехфазный асинхронный двигатель со скоростью вращения вала 2800 оборотов. Если бы такой двигатель был синхронным, скорость вращения составила бы 3000 оборотов. То есть скольжение составляет 200 оборотов в минуту. Это значит, что если мы начнём вращать ротор со скоростью 3200 оборотов в минуту, то двигатель перейдёт в генераторный режим и будет уже не потреблять, а вырабатывать ЭДС.

Сложность применения таких генераторов в том, что они подвержены провалам. Например, если включить активную нагрузку (лампочку накаливания или нагреватель), пусковой ток будет небольшим. Значительной перегрузки не произойдет, и генератор будет работать стабильно. Если же включить реактивную нагрузку, например, двигатель, то будет большой пусковой ток, превышающий номинальный в 5-20 раз, который «провалит» генератор, то есть вызовет резкое падение напряжения на обмотках генератора. После такого провала асинхронный генератор снова нужно возбуждать. Так что, простота асинхронного генератора перевешивается серьезным недостатком.

Также необходима конденсаторная установка для возбуждения короткозамкнутой обмотки ротора. Если подобрать неверно ёмкость конденсаторов, то в случае «недобора» от генератора мы получим меньше тока, а в случае «перебора», генератор будет сильно перегреваться.

Генератор с независимым возбуждением. Принцип работы этого генератора довольно прост. Однако простота генератора является его же недостатком – он требует внешнего независимого источника питания. Якорь генератора разгоняют до необходимой скорости, затем с помощью реостата начинают возбуждать генератор. На обмотках якоря возникает ЭДС и при подключении нагрузки начинает протекать ток.

Нагрузочная способность такого генератора очень хорошая. Как правило, разница между напряжением холостого хода, когда нагрузка не подключена и напряжением при номинальной нагрузке генератора, когда потребитель загружает полностью, составляет всего 5-10%.

Преимущество генератора с независимым возбуждением ещё и в том, что его можно запускать под нагрузкой, то есть с присоединенными электроприборами.

 

Рисунок 1.3. Устройство генератора с независимым возбуждением

 

Генератор с параллельным возбуждением. У генератора с параллельным включением обмотки возбуждения, в принципе, тоже неплохие нагрузочные характеристики, хотя и несколько хуже, чем у схем с независимым возбуждением – 10-30%. У схем с зависимым возбуждением есть одна особенность, для того, чтобы произошло возбуждение, металл генератора должен иметь остаточную намагниченность. Достаточно 2-3% остаточной намагниченности чтобы запустился процесс самовозбуждения. Конечно же, при этом направление обмотки возбуждения должно совпадать с направлением поля остаточной намагниченности.

Якорь генератора раскручивают до номинальных оборотов, за счет остаточного намагничивания происходит самовозбуждение, то есть в контуре генератор-обмотка возбуждения появляется ЭДС, появляется небольшой ток. Он увеличивает ЭДС, ток снова увеличивается, пока не будет достигнут баланс между падением напряжения в обмотке генератора и падением напряжения в обмотке возбуждения.

В работе генератора есть одна особенность. Если плавно увеличивать нагрузку вплоть до короткого замыкания, то в какой-то момент мощность генератора достигнет пиковых значений, затем пойдет на спад. По сути, если в момент номинальной загрузки генератора устроить короткое замыкание, то ничего страшного не произойдет. Но если это сделать при небольшой нагрузке, то ток короткого замыкания достигает критических значений, а значит, такие генераторы крайне настоятельно рекомендуется защищать от короткого замыкания любым доступным способом.

Такие генераторы получили наибольшее распространение, поскольку не требуют внешних источников питания, имеют неплохую нагрузочную способность и позволяют контролировать ток возбуждения.

 

Рисунок 1.4. Устройство генератора с параллельным возбуждением

 

Генератор с последовательным возбуждением. Поскольку ток обмотки возбуждения в данном случае равен току в цепи, а значит, достигает больших значений, обмотка возбуждения выполняется толстым проводом и имеет меньшее количество витков, чем в предыдущих двух схемах. Принцип работы такой же, как и у предыдущей схемы. Обмотка и поле остаточной намагниченности должны совпадать по направлению. При раскручивании якоря до номинальной частоты возникает ЭДС, поднимается ток и дальше по нарастающей, пока не будет достигнут баланс. Ток обмотки возбуждения изменяется от тока нагрузки, и регулировать ток возбуждения возможности нет. А это приводит к тому, что очень сильно изменяется и напряжение. Здесь мы получаем самый настоящий генератор тока, а не напряжения. Именно поэтому область применения генератора с последовательным возбуждением сильно ограничена.

Рисунок 1.5. Устройство генератора с последовательным возбуждением

 

Генератор со смешанным возбуждением. Итак, раскручиваем якорь до номинальных оборотов. Остаточная намагниченность возбуждает параллельную обмотку, генератор выходит на рабочий режим. Теперь, если мы подключим нагрузку, при этом последовательная обмотка включена согласованно, то возникает дополнительный ток возбуждения. Последовательная обмотка становится поддерживающей или опорной. Этот вид включения, если последовательная обмотка была рассчитана, как компенсирующая, позволяет довольно жестко поддерживать напряжение в заданных пределах. Если требуется получить некий запас напряжения, например, генератор находится на значительном удалении от потребителя и требуется учесть потери на кабельных линиях, то в последовательной катушке возбуждения увеличивают количество витков. Тем самым, мы получаем более крутую внешнюю характеристику, но поддержание напряжения на номинальных нагрузках остается по-прежнему жестким. К сожалению, у всех схем, где используется зависимое возбуждение, есть один существенный недостаток. Поскольку это трудно назвать возбуждением, скорее это самовозбуждение, то запускать такие генераторы вместе с нагрузкой не представляется возможным. Как я уже говорил выше, возбуждение происходит за счёт остаточного намагничивания, которое составляет буквально 2-3%. А значит, если к выводам генератора будет подключена нагрузка, ток будет стремиться по пути наименьшего сопротивления, то есть самой нагрузки. Другими словами, вместе с нагрузкой тока будет недостаточно для формирования магнитного поля.

Рисунок 1.6. Устройство генератора с смешанным возбуждением

 

ВЫВОД

 

В результате прохождения учебной практики были изучены электрические схемы в лабораториях кафедры и их описание. Проведены работы по измерению электрических параметров в цепях, получены первичные умения и навыки научно-исследовательской деятельности в области электроэнергетики и электротехники. Ознакомление с техническими данными существующего электрооборудования.