Основы теории работы генераторов

Синхронные генераторы состоят конструктивно из неподвижного статора с трехфазной обмоткой и приводимого во вращение первичным двигателем (турбиной) ротора с обмоткой возбуждения, в которую подается постоянный ток от системы возбуждения.

Частота вращения ротора n y синхронных машин связана с частотой переменного тока f соотношением

,

(1.6)

где - число пар полюсов;

f - частота.

при частоте 50 Гц и об/мин.

Роторы турбогенераторов неявнополюсные, что достигается соответствующей укладкой обмотки возбуждения в пазы. Обмотка занимает примерно две трети окружности. При этом ротор оказывается симметричным только относительно двух взаимоперпендикулярных осей d и q, называемых соответственно продольной и поперечной осями машины. Продольная ось условно проходит через центр ротора и делит пополам большой зуб ротора, как это показано на рисунке 1.1.

1 – большой зуб ротора; 2 – воздушный зазор; 3 – проводники обмотки статора; 4 – проводники обмотки ротора.

Рисунок 1.1 – Расположение потока Ф при холостом ходе генератора

Обмотка статора выполняется с таким же числом полюсов, что и ротор. При работе машины постоянный ток от возбудителя, проходя по обмотке возбуждения генератора, создает магнитный поток Ф, вращающийся вместе с ротором. Вустановившемся режиме, т.е. при неизменной нагрузке и неизменной скорости вращения сумма моментов, действующих на вал генератора, равна нулю. Если по какой-либо причине это условие нарушается, возникает избыточный момент (вращающий или тормозящий) и скорость вращения увеличивается или уменьшается. Можно сказать, что вращающий момент турбины уравновешивается равным ему по величине, но противоположным по знаку тормозящим моментом турбогенератора.

Вращающий момент паровой турбины определяется давлением, температурой, количеством пара, поступающего на лопатки, и глубиной вакуума в конденсаторе. Тормозящий момент на валу турбогенератора возникает в результате взаимодействия магнитного потока, пересекающего зазор между статором и ротором, с током в проводниках и противоположен моменту на валу турбины.

На холостом ходу турбогенератора ось магнитного потока Ф совпадает с осью полюсов ротора. Угол δ между ними нулю. Результирующий момент на валу, а следовательно, и развиваемая активная мощность . В отсутствии углового сдвига между осью Ф и осью полюсов ротора d обмотанная часть окружности делится на четыре равные части, что изображено на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 — Моменты, действующие на проводник обмотки ротора,

включенного в сеть генератора, при холостом ходе

Ток во всех проводниках один и тот же, число проводников на каждом участке также одно и то же. Отдельные проводники находятся в зоне различной магнитной индукции В, но распределение индукции на каждом участке одинаково.

В таких условиях усилия и моменты на валу, образованные по правилу левой руки каждым участком в отдельности, равны по величине и попарно компенсируются. Результирующий момент и активная мощность на валу равны нулю.

При нагрузке появляется угловой сдвиг между потоком Ф осью d - δ.

При сдвиге оси полюсов d относительно оси магнитного тока машины Ф на угол в пределах от нуля до 90⁰ обмотанная часть окружности ротора может быть разделена на шесть симметричных попарно равных участков. Усилия на участках А и К противоположны, а на участках С и D совпадают с направлением вращения часовой стрелки.

На участках L и M различно не только направление тока в проводниках, но и направление магнитного поля относительно проводников. Поэтому на этих участках усилия и соответственно моменты на валу действуют в одном и том же направлении и суммируются.

Эти зоны магнитного потока и обмотки ротора являются активно действующими. Они образуют результирующий момент на валу и определяют активную мощность турбогенератора в данном режиме.

Чем больше угол между d и Ф, тем больше размеры активно действующих зон (на рисунке 1.3 они заштрихованы).

Вместе с тем, эти участки оказываются в зоне все большей магнитной индукции. В результате увеличиваются усилие на валу и активная мощность.

Рисунок 1.3 - Моменты, действующие на проводники обмотки ротора генератора в режиме нагрузки

При угловом сдвиге 90⁰ активно действующей является вся обмотка, что отражено на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Условие получения максимального момента

Соответственно, момент на валу и активная мощность наибольшие. При еще большем сдвиге угла, размеры активных участков становятся меньше, уменьшается и момент на валу. При сдвиге на 180⁰ момент и мощность равны нулю. При сдвиге на 270⁰ величины снова достигают максимума, но действуют в обратном направлении. Сдвиг между осями полюсов и потока в пределах 180…360⁰ соответствуют работе турбогенератора в режиме двигателя.