Общие сведения. Генераторы переменного тока, работающие на электрических станциях, в большинстве случаев являются синхронными машинами

Генераторы переменного тока, работающие на электрических станциях, в большинстве случаев являются синхронными машинами. Эти машины применяются также в качестве двигателей. Наибольшее распространение получили трехфазные генераторы и двигатели.

Синхронная машина в обычном исполнении состоит из неподвижной части - статора, в пазах которого помещается трехфазная обмотка, и вращающейся части - ротора с электромагнитами, к обмотке которых подводится постоянный ток при помощи контактных колец и наложенных на них щеток (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Явнополюсная синхронная машина (2p = 8)

Статор синхронной машины ничем не отличается от статора асинхронной машины. Ротор её выполняется или явнополюсным (с выступающими полюсами, рис. 3.1), или неявнополюсным (цилиндрический ротор, рис. 3.2).

Рис. 3.2. Неявнополюсная синхронная машина (2p = 2)

В зависимости от рода первичного двигателя, которым приводится во вращение синхронный генератор, применяются названия: паротурбинный генератор или сокращенно турбогенератор (первичный двигатель - паровая турбина), гидротурбинный генератор или сокращенно гидрогенератор (первичный двигатель - гидравлическая турбина) и дизель-генератор (первичный двигатель - дизель).

Турбогенераторы - быстроходные неявнополюсные машины (рис. 3.2), выполняемые в настоящее время, как правило, с двумя полюсами. Турбогенератор вместе с паровой турбиной, с которой он механически соединяется, называется турбоагрегатом (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Общий вид турбоагрегата:

1- турбогенератор; 2 - паровая турбина; 3 - возбудитель

Гидрогенераторы - в обычных случаях тихоходные явнополюсные машины (рис. 3.1), выполняемые с большим числом полюсов и с вертикальным валом (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Общий вид гидроагрегата

Дизель-генераторы представляют собой в большинстве случаев машины с горизонтальным валом.

Синхронные машины небольшой мощности иногда выполняются с неподвижными электромагнитами, помещенными на статоре, и обмоткой переменного тока, заложенной в пазы ротора, изготовленного из листовой электротехнической стали; в этом случае обмотка переменного тока соединяется с внешней цепью через контактные кольца и щетки (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Синхронная машина с неподвижными электромагнитами

Ту часть синхронной машины, в обмотке которой наводится ЭДС, принято называть якорем. Электромагниты (полюсы) вместе с замыкающим их ярмом образуют полюсную систему; ее иногда называют индуктором.

В синхронных машинах обычной конструкции статор служит якорем, ротор - полюсной системой.

Основные преимущества конструкции с вращающимися полюсами заключаются в том, что здесь возможно осуществить более надежную изоляцию обмотки неподвижного якоря, более просто, без скользящих контактов соединить ее с сетью переменного тока. Указанные преимущества особенно существенны для синхронных машин на большие мощности и высокие напряжения.

Устройство скользящих контактов для подвода постоянного тока в обмотке электромагнитов, называемой обмоткой возбуждения, не представляет затруднений, так как мощность, подводимая к этой обмотке, составляет небольшую долю (0,3…2)% номинальной мощности машины.

Кроме того, нужно отметить, что в современных мощных турбогенераторах, работающих с частотой вращения 3000 об/мин, окружная частота ротора достигает 180…185 м/сек; при такой частоте не представлялось бы возможным выполнить вращающийся якорь, собранный из тонких листов, механически достаточно прочным.

Ротор современного турбогенератора выполняется из цельной стальной поковки (рис. 3.6), причем берется сталь весьма высокого качества.

Рис. 3.6. Общий вид неявнополюсного ротора турбогенератора

Катушки обмотки возбуждения закладываются в пазы, выфрезерованные на внешней поверхности ротора, и закрепляются в пазах прочными металлическими клиньями. Лобовые части обмотки возбуждения закрываются кольцевыми бандажами, выполненными из особо прочной стали.

Ток для питания обмотки возбуждения синхронная машина получает обычно от небольшого генератора постоянного тока, помешенного на общем валу с ней или механически с ней соединенного. Такой генератор называется возбудителем. В случае мощного турбогенератора вал возбудителя с валом турбо генератора соединяется при помощи полуэластичной муфты.

Схема соединений возбудителя с обмоткой возбуждения синхронной машины показана на рисунке 3.7.

Рис. 3.7. Схема возбуждения синхронной машины

В качестве возбудителя в большинстве случаев служит генератор постоянного тока с параллельным возбуждением. В последние годы для получения постоянного тока, необходимого для возбуждения синхронной машины, используются также различные выпрямители - ртутные, полупроводниковые и механические.

Частота тока, наведенного в обмотке якоря, определяется частотой вращения п, об/мин, и числом пар полюсов р ротора: Гц. Таким образом, для получения стандартной частоты f=50 Гц нужно, например, при 2р=2 иметь частоту вращения n=3000 об/мин (с такой частотой работают почти все современные турбогенераторы), при 2р=72, n=83,3 об/мин (с такой частотой работают днепровские гидрогенераторы).

Синхронные двигатели, как правило, выполняются в виде явнополюсных машин обычно на мощности от 100 кВт и выше и на самые различные частоты вращения. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с асинхронными двигателями, особенно при большой мощности и низкой частоте вращения, так как могут работать с соs φ=1 или с опережающим током, улучшая в последнем случае соs φ=1 всей электроустановки.

Наряду с синхронными генераторами и двигателями применяются также синхронные компенсаторы. Они представляют собой синхронные двигатели, работающие вхолостую (без нагрузки на валу) и позволяющие в широких пределах изменять потребляемый ими реактивный ток. Последнее достигается, как будет показано, путем изменения тока возбуждения синхронных компенсаторов, которые в большинстве случаев работают, потребляя опережающий реактивный ток, т.е. как конденсаторы. Они служат для компенсации сдвига фаз тока и напряжения (для улучшения соsφ) или для регулирования напряжения, например в конце линии электропередачи.

Режим работы синхронной машины, для которого она предназначена, характеризуется указанными на ее щитке номинальными величинами. На щитке синхронной машины указываются:

· для какого режима работы машина предназначается (генератор, двигатель или компенсатор);

· мощность (для генератора - кажущаяся мощность в В·А или кВ·А, а также - активная мощность в Вт или кВт; для двигателя - мощность на валу в Вт или кВт; для компенсатора - реактивная мощность при опережающем токе в В·А или кВ·А);

· линейный ток в А;

· линейное напряжение в В или кВ;

· соsφ;

· число фаз;

· соединение обмотки статора (звезда или треугольник);

· частота тока в Гц;

· частота вращения ротора в об/мин;

· напряжение возбуждения;

· наибольший допустимый ток возбуждения в А (за номинальный ток возбуждения принимается ток, соответствующий номинальному режиму работы).

Следует отметить, что если для трансформатора допустимая нагрузка вполне определяется кажущейся мощностью в кВ·А, то для синхронного генератора отдаваемая им мощность в киловольт-амперах не вполне определяет его допустимую нагрузку. Необходимо указать также допустимый соsφ нагрузки генератора при отстающем токе. Последнее объясняется тем, что при работе генератора с отстающим током размагничивающее действие этого тока на основное поле будет тем больше, чем ниже соsφ, а потому, чем ниже соsφ, тем больший ток возбуждения требуется для поддержания на зажимах генератора номинального напряжения.

Мы вначале будем рассматривать работу синхронной машины в режиме генератора. При этом будем иметь в виду, что синхронная машина (как любая другая электрическая машина) обратима и что основные электромагнитные процессы в ней одинаковы независимо от того, работает ли она в режиме генератора или двигателя.

Различие между тем и другим режимами заключается в том, что в генераторе сдвиг между ЭДС обмотки якоря и ее током меньше 90°, а в двигателе тот же сдвиг больше 90°. Вследствие этого электромагнитный момент, действующий на ротор, в генераторе направлен против вращения, а в двигателе в сторону вращения.