Синхронные генераторы

Тема 7.2 Электрические машины переменного тока.

Вопросы:

1. Устройство трёхфазного генератора.

2. Принцип действия трёхфазного генератора.

3. Режимы работы генератора.

4. Внешняя характеристика генератора.

Существуют однофазные и трёхфазные синхронные генераторы (СГ). Более широкое применение находят трёхфазные синхронные генераторы.

1. Устройство трёхфазного генератора.

Статор трёхфазного генератора устроен аналогично статору трёхфазного асинхронного электродвигателя.

Ротор генератора представляет собой электромагнит. Они бывают двух видов: с явно выраженными и неявно выраженными полюсами. Роторы с явно выраженными полюсами имеют генераторы, частота вращения которых не превышает 1500 об/мин. При более высокой частоте вращения в генераторах устанавливают роторы с неявно выраженными полюсами.

На валу ротора с явно выраженными полюсами (рис.7.13,а) крепятся сердечники полюсов, на которых, на которых помещают катушки из изолированного медного провода. Соединённые между собой катушки, образуют обмотку возбуждения генератора. начало и конец обмотки возбуждения присоединяют к медным кольцам (2 и 3 на рис.7.13,а), расположенным на валу. Через кольца и щётки обмотку возбуждения соединяют с источником постоянного тока.

На валу ротора с неявно выраженными полюсами (рис. 7.13,б) напрессован стальной сердечник с пазами. В пазы укладывают катушки из изолированного медного провода. Катушки соединяют между собой в отдельные группы, образующие полюса электромагнита (на рис.7.13, б - одна пара полюсов).все группы катушек соединяют между собой, в результате чего образуется обмотка возбуждения генератора. Начало и конец обмотки возбуждения присоединяют к медным контактным кольцам, расположенным на валу. Чере кольца и угольные щётки (2 и 3 на рис. 7.13,б) обмотка возбуждения соединяется с источником постоянного тока.

2. Принцип действия трёхфазного генератора.

Обмотка возбуждения генератора может получать питание постоянным током от возбудителя (небольшого генератора постоянного тока, находящемся на одном валу с синхронным генератором) или через трансформатор и выпрямитель от обмотки статора своего же генератора. В первом случае генератор называется генератором с независимым возбуждением, а во втором случае – генератором с самовозбуждением, в котором начальное возбуждение (индуктирование ЭДС в обмотке статора) происходит за счёт остаточного намагничивания всех стальных деталей генератора, и прежде всего, стальных сердечников ротора и статора.

Постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения, возбуждает в генераторе постоянный магнитны поток. Вращаясь вместе с ротором, этот поток пересекает проводники трёхфазной обмотки статора и индуктирует в них ЭДС. Конструкция генератора такова, что магнитная индукция в воздушном зазоре между статором и ротором распределена по синусоидальному закону: максимальное значение индукция имеете в зазоре, находящемся над серединами полюсов, и нулевое – в зазоре, находящемся посредине меду соседними разноимёнными полюсами. Из-за синусоидального распределения магнитной индукции в воздушном зазоре и и ЭДС, возбуждённая в каждой фазе обмотке статора будет синусоидальной. Оси фаз обмотки статора расположены в пространстве под углами 120⁰ относительно друг друга, поэтому и ЭДС, индуктированные в фазах буду сдвинуты по фазе относительно друг друга на электрический гол, равный 120⁰.

Обмотка статора, в которой индуктируется ЭДС, т.е. в которой механическая энергия первичного двигателя, вращающего ротор, преобразуется в электрическую энергию, называется так же и обмоткой якоря.

Как было отмечено ранее, (см формулу 3.3) частота ЭДС, индуктированной в обмотке якоря, зависит от числа пар полюсов генератора и частоты вращения его ротора, т.е.

3. Режимы работы генератора.

Режим холостого хода. В этом режиме генератор возбуждён (в обмотке якоря индуктирована ЭДС), но потребители электроэнергии к генератору не подключены (ток в обмотке якоря не протекает). В режиме холостого хода магнитный поток в генераторе Ф₀ создаётся только обмоткой возбуждения.

Режим работы под нагрузкой. В этом режиме к возбуждённому генератору подключены потребители и по его якорной обмотке протекает ток нагрузки (ток якоря). Переменный ток якоря возбуждает в генераторе переменное магнитное поле. Это поле вращается относительно статора в ту же сторону и стой же скоростью, что и поле ротора. Поля якоря и ротора образуют в генераторе результирующее вращающееся магнитное поле, которое будет отличаться как по величине, так и по форме распределения в воздушном зазоре от магнитного поля генератора в режиме холостого хода.

Действие, оказываемое полем якоря на основное поле ротора, называется реакцией якоря.

Реакция якоря синхронного генератора зависит не только от величины нагрузки, но и от её характера (активная, индуктивная, ёмкостная и т.д.).

При активной нагрузке ось магнитного поля якоря перпендикулярна оси поля ротора. Такое поле называется поперечным. Поперечное поле якоря изменят форму распределения магнитной индукции в зазоре между статором и ротором, делая её несинусоидальной.

При ненасыщенном состоянии магнитной системы генератора поток результирующего магнитного поля остаётся таким же, каким он был в режиме холостого хода (Ф₀).

При полунасыщенном и насыщенном состоянии магнитной системы поперечное поле якоря уменьшает поток Ф₀ и изменяет форму распределения в зазоре магнитной индукции.

Действие, оказываемое поперечным полем якоря на поле ротора, называется поперечной реакцией якоря.

Итак, при активной нагрузке в синхронном генераторе имеет место поперечная реакция якоря, которая при насыщенном состоянии магнитной системы генератора только искажает, а при полунасыщенном и насыщенном состояниях магнитной системы искажает и уменьшает поле ротор а.

При индуктивной нагрузке оси полей якоря и ротора совпадают, но магнитные потоки поля якоря Ф_аи поля ротора Ф₀ направлены в противоположные стороны. Такое поле называется продольным размагничивающим полем якоря, а его действие на поле ротора – продольной размагничивающей реакцией якоря.

Поток результирующего поля будет меньше потока Ф₀, следовательно становится меньше и ЭДС обмотки якоря.

Итак, при индуктивной нагрузке имеет место продольная размагничивающая реакция якоря, которая уменьшает поле ротора, но не искажает его.

При ёмкостной нагрузке оси полей якоря и ротора то же совпадают, но потоки этих полей направлены в одну сторону. Такое поле называется продольным подмагничивающим полем якоря, а его действие на поле ротора – продольной подмагничивающей реакцией якоря.

Магнитный поток результирующего поля становится больше потока Ф₀, следовательно становится больше и ЭДС обмотки якоря.

Итак, при ёмкостной нагрузке.имеет место продольная подмагничивающая реакция якоря, которое усиливает поле ротора, но не искажает его.

В большинстве электроэнергетических систем синхронные генераторы работают при активно-индуктивной нагрузке. В этом случае имеет место продольно- поперечная реакция якоря. В результате действия этой реакции происходит уменьшение магнитного потока ротора и его искажение

4. Внешняя характеристика генератора.

Внешней характеристикой называют зависимость действующего напряжения генератора от действующего значения его тока нагрузки при постоянных значениях скорости, тока возбуждения и коэффициента мощности генератора.

Для нормальной работы потребителе электрической энергии нужно, что бы при изменении тока нагрузки и коэффициента мощности напряжение генератора оставалось стабильным. С этой целью на генераторах устанавливают автоматические регуляторы напряжения.

5. Синхронный электродвигатель.

Устройство статора синхронного двигателя аналогично устройству статора асинхронного двигателя. Ротор представляет собой электромагнит или постоянный магнит (рис.7.17,а).

Принцип работы поясняется рис. 7.17,б. внутри магнита N₁S₁ помещён магнит NS. Если магнит N₁S₁ вращать, то он потянет за собой магнит NS.

К валу магнита NS можно приложить механическую нагрузку. Чем больше эта нагрузка, тем больше угол α (угол отставания оси магнита NS от оси магнита N₁S₁). При некоторой нагрузке силы притяжения между магнитами будут преодолены и ротор остановится.

В реальном двигателе поле магнита N₁S₁ заменено вращающимся магнитным полем статора; при этом ротор либо вращается синхронно с магнитным полем статор а, отставая на угол α, либо останавливается (выпадает из синхронизма) при перегрузке. Таким образом, независимо от нагрузки ротор всегда вращается с постоянной частотой, равной частоте вращения магнитного поля статора. Постоянство частоты вращения – важное достоинство синхронного двигателя

Лекция 29.