Синхронными называются электрические машины, частота вращения которых связана постоянным соотношением с частотой сети переменного тока, в которую эта машина включена . Синхронные машины служат генераторами переменного тока на электрических станциях, а синхронные двигатели применяются в тех случаях, когда нужен двигатель, работающий с постоянной частотой вращения. Синхронные машины обратимы, т.е., могут работать и как генераторы и как двигатели. Синхронная машина переходит от режима генератора к режиму двигателя в зависимости от того, действует на неё вращающая или тормозящая механическая сила. В первом случае она получает на валу механическую, а отдаёт в сеть электрическую энергию, а во втором случае она получает из сети электрическую, а отдаёт на валу механическую.
Синхронная машина имеет две основных части: ротор и статор, причём статор не отличается от статора асинхронной машины. Ротор синхронной машины представляет собой систему вращающихся электромагнитов, которые питаются постоянным током, поступающим в ротор через контактные кольца и щётки от внешнего источника. В обмотках статора под действием вращающегося магнитного поля наводится ЭДС, которая подаётся на внешнюю цепь генератора. Основной магнитный поток синхронного генератора, создаваемый вращающимся ротором, возбуждается посторонним источником – возбудителем, которым обычно является генератор постоянного тока небольшой мощности, который установлен на общем валу с синхронным генератором. Постоянный ток от возбудителя подаётся на ротор через щётки и контактные кольца, установленные на валу ротора. Число пар полюсов ротора обусловлено скоростью его вращения. У многополюсной синхронной машины ротор имеет p
пар полюсов, а токи в обмотке статора образуют также p пар полюсов вращающегося магнитного поля (как у асинхронной машины). Ротор должен вращаться с частотой вращения поля, следовательно, его скорость равна:n = 60f / p (9.1)
При f = 50Hz и p = 1 n = 3000 об/мин.
С такой частотой вращаются современные турбогенераторы, состоящие из паровой турбины и синхронного генератора большой мощности с ротором, который имеет одну пару полюсов.
У гидрогенераторов первичным двигателем служит гидравлическая турбина, скорость которой от 50 до 750 оборотов в минуту. В этом случае используются синхронные генераторы с явнополюсным ротором, имеющим от 4 до 60 пар полюсов.
Частота вращения дизельгенераторов, соединённых с первичным двигателем – дизелем, находится в пределах от 500 до 1500 об/мин.
В маломощных синхронных генераторах обычно используется самовозбуждение: обмотка возбуждения питается выпрямленным током того же генератора (рис.9.2).
Цепь возбуждения образуют трансформаторы тока ТТ, включённые в цепь нагрузки генератора, полупроводниковый выпрямитель, собранный по схеме трёхфазного моста, и обмотка возбуждения ОВ с регулировочным реостатом R.
Самовозбуждение генератора происходит следующим образом. В момент пуска генератора, благодаря остаточной индукции в магнитной системе, появляются слабые ЭДС и токи в рабочей обмотке генератора. Это приводит к появлению ЭДС во вторичных обмотках трансформаторов ТТ и небольшого тока в цепи возбуждения, усиливающего индукцию магнитного поля машины. ЭДС генератора возрастает до тех пор, пока магнитная система машины полностью не возбудится.
Среднее значение ЭДС, наводимое в каждой фазе обмотки статора:
Еср = c∙n∙Φ (9.2)
n – скорость вращения ротора;
Φ – максимальный магнитный поток, возбуждаемый в синхронной машине;
c – постоянный коэффициент, учитывающий конструктивные особенности данной машины.
Напряжение на зажимах генератора:
U = E - I ∙z, где
I – ток в обмотке статора (ток нагрузки);
Z – полное сопротивление обмотки (одной фазы).
Для точной подгонки амплитуды ЭДС величину магнитного потока регулируют путём изменения тока в обмотке возбуждения. Синусоидальность ЭДС обеспечивают приданием определённой формы полюсным наконечникам ротора в явнополюсных машинах. В неявнополюсных машинах нужного распределения магнитной индукции добиваются путём особого размещения обмоток возбуждения на поверхности ротора.
Синхронными называются электрические машины, частота вращения которых связана постоянным соотношением с частотой сети переменного тока, в которую эта машина включена . Синхронные машины служат генераторами переменного тока на электрических станциях, а синхронные двигатели применяются в тех случаях, когда нужен двигатель, работающий с постоянной частотой вращения. Синхронные машины обратимы, т.е., могут работать и как генераторы и как двигатели. Синхронная машина переходит от режима генератора к режиму двигателя в зависимости от того, действует на неё вращающая или тормозящая механическая сила. В первом случае она получает на валу механическую, а отдаёт в сеть электрическую энергию, а во втором случае она получает из сети электрическую, а отдаёт на валу механическую.
Синхронная машина имеет две основных части: ротор и статор, причём статор не отличается от статора асинхронной машины. Ротор синхронной машины представляет собой систему вращающихся электромагнитов, которые питаются постоянным током, поступающим в ротор через контактные кольца и щётки от внешнего источника. В обмотках статора под действием вращающегося магнитного поля наводится ЭДС, которая подаётся на внешнюю цепь генератора. Основной магнитный поток синхронного генератора, создаваемый вращающимся ротором, возбуждается посторонним источником – возбудителем, которым обычно является генератор постоянного тока небольшой мощности, который установлен на общем валу с синхронным генератором. Постоянный ток от возбудителя подаётся на ротор через щётки и контактные кольца, установленные на валу ротора. Число пар полюсов ротора обусловлено скоростью его вращения. У многополюсной синхронной машины ротор имеет p пар полюсов, а токи в обмотке статора образуют также p пар полюсов вращающегося магнитного поля (как у асинхронной машины). Ротор должен вращаться с частотой вращения поля, следовательно, его скорость равна:
n = 60f / p (9.1)
При f = 50Hz и p = 1 n = 3000 об/мин.
С такой частотой вращаются современные турбогенераторы, состоящие из паровой турбины и синхронного генератора большой мощности с ротором, который имеет одну пару полюсов.
У гидрогенераторов первичным двигателем служит гидравлическая турбина, скорость которой от 50 до 750 оборотов в минуту. В этом случае используются синхронные генераторы с явнополюсным ротором, имеющим от 4 до 60 пар полюсов.
Частота вращения дизельгенераторов, соединённых с первичным двигателем – дизелем, находится в пределах от 500 до 1500 об/мин.
В маломощных синхронных генераторах обычно используется самовозбуждение: обмотка возбуждения питается выпрямленным током того же генератора (рис.9.2).
Цепь возбуждения образуют трансформаторы тока ТТ, включённые в цепь нагрузки генератора, полупроводниковый выпрямитель, собранный по схеме трёхфазного моста, и обмотка возбуждения ОВ с регулировочным реостатом R.
Самовозбуждение генератора происходит следующим образом. В момент пуска генератора, благодаря остаточной индукции в магнитной системе, появляются слабые ЭДС и токи в рабочей обмотке генератора. Это приводит к появлению ЭДС во вторичных обмотках трансформаторов ТТ и небольшого тока в цепи возбуждения, усиливающего индукцию магнитного поля машины. ЭДС генератора возрастает до тех пор, пока магнитная система машины полностью не возбудится.
Среднее значение ЭДС, наводимое в каждой фазе обмотки статора:
Еср = c∙n∙Φ (9.2)
n – скорость вращения ротора;
Φ – максимальный магнитный поток, возбуждаемый в синхронной машине;
c – постоянный коэффициент, учитывающий конструктивные особенности данной машины.
Напряжение на зажимах генератора:
U = E - I ∙z, где
I – ток в обмотке статора (ток нагрузки);
Z – полное сопротивление обмотки (одной фазы).
Для точной подгонки амплитуды ЭДС величину магнитного потока регулируют путём изменения тока в обмотке возбуждения. Синусоидальность ЭДС обеспечивают приданием определённой формы полюсным наконечникам ротора в явнополюсных машинах. В неявнополюсных машинах нужного распределения магнитной индукции добиваются путём особого размещения обмоток возбуждения на поверхности ротора.
Электротехническим устройством специального использования, работающим в от механического двигателя, является синхронный генератор. Прибор нашел применение в частном хозяйстве. Он используется для выработки электротока промышленной частоты. Кроме того, изобретение работает как генератор тока Машина синхронного действия монтируется в дизельные и бензиновые электростанции.
Синхронный генератор. Устройство
Электрическая машина состоит из:
1. Статора.
2. Ротора.
3. Обмоток генератора.
4. Системы токового компаундирования.
5. Переключателя обмотки статора.
6. Выпрямителя сварочного тока.
7. Кабелей.
9. Обмоток ротора.
10. Регулируемого (постоянного).
Синхронный генератор используется в режимах: генератора тока 50 Гц., сварочного синхронного генератора, прибора с повышенной частотой. Изобретение дает возможность создавать малогабаритные электрические агрегаты универсального применения. Синхронный генератор приводит в действие оборудование в местах с отсутствием централизованных электросетей. Его можно использовать в фермерских хозяйствах вдали от населенных пунктов.
Характеристики синхронного генератора рассчитаны на создание электрогенератора с новыми потребительскими возможностями. Это значит, что при реализации данного изобретения, одно и то же устройство можно эксплуатировать как источник электропитания частотой 50 Гц и более, а также как поставщик тока, выпрямленного для дуговой сварки, он наделен круто подающей внешней характеристикой рабочей зоны. При этом обеспечиваются сварочные свойства, не уступающие трехобмоточным коллекторным сварочным генераторам постоянного тока.
Как работает синхронный генератор?
Принцип действия основан на электромагнитной индукции. Происходит преобразование в электрическую. Электромашина работает как генератор (в его режиме). При этом частоты вращений магнитных полей статора и ротора одинаковые. На обмотки ротора подается напряжение, образуется магнитное поле. Вращаясь, оно проникает через обмотку статора и образует в ней ЭДС.
Ротор бывает фазного и короткозамкнутого типа, в зависимости от вида обмотки. Вспомогательная обмотка статора создает вращающееся магнитное поле. Оно индуцирует магнитное поле на роторе, которое наводит ЭДС. В момент запуска электрической станции ротор создает слабого напряжения. С усилением оборотов, ЭДС в обмотке возбуждения увеличивается. Обмоточное напряжение проникает на ротор через авторегулировочный блок. Контроль над выходящим напряжением осуществляется за счет изменения магнитного поля. Стабильность обеспечивается изменением магнитного поля ротора регулированием тока в его обмотке. Такой метод регулировки обеспечивает стабилизацию выходного напряжения прибора.
Преимущества и недостатки синхронного генератора
К первым относится постоянство исходящего напряжения. Минусом является возможность перегрузки при повышенной нагрузке. Регулятор может повысить силу тока в обмотке ротора. К недостаткам генератора синхронного типа можно также причислить наличие щеточного устройства. С течением времени оно будет нуждаться в обслуживании. В наше время этот недостаток удалось устранить.
Современные генераторы синхронного типа выпускают без щеточного узла. Оборудование нового поколения имеет длительный срок службы, надежность в работе в трудных условиях производства. Встроенные датчики и электроника обеспечивают функционирование в режиме реального времени. Новейшие технологические решения обеспечивают синхронному генератору высокую эффективность. Продукцию используют в промышленности и в оборудовании судов.
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 120 0 относительно друг друга, поэтому и ЭДС, индуктированные в фазах буду сдвинуты по фазе относительно друг друга на электрический гол, равный 120 0 .
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 Ф 0 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 (Ф 0).
При полунасыщенном и насыщенном состоянии магнитной системы поперечное поле якоря уменьшает поток Ф 0 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 а и поля ротора Ф 0 направлены в противоположные стороны. Такое поле называется продольным размагничивающим полем якоря, продольной размагничивающей реакцией якоря.
Поток результирующего поля будет меньше потока Ф 0 , 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 Ф 0 , 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 N 1 S 1 помещён магнит NS. Если магнит N 1 S 1 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 N 1 S 1). При некоторой нагрузке силы притяжения между магнитами будут преодолены и ротор остановится.
В реальном двигателе поле магнита N 1 S 1 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.
В судовых электрических станциях переменного тока применяются синхронные генераторы трехфазного тока с независимым возбуждением и с самовозбуждением. Генераторы с независимым возбуждением имеют навешанный возбудитель (электрическая машина постоянного тока) в автоматическим и ручным регулятором напряжения. У самовозбуждающихся генераторов возбуждение осуществляется через полупроводниковый выпрямитель от статора генератора; саморегулирование напряжения осуществляется статическими приборами.
Синхронные машины могут работать как генераторами, так и двигателями. В зависимости от типа привода синхронные генераторы получили и свои названия. Турбогенератор, например, — это генератор, приводимый в движение паровой турбиной, гидрогенератор вращает водяное колесо, а дизель — генератор механически связан с двигателем внутреннего сгорания.
Синхронные двигатели широко применяют для привода мощных компрессоров, насосов, вентиляторов. Синхронные микродвигатели используют для привода лентопротяжных механизмов регистрирующих приборов, магнитофонов и т.д.
Статор синхронной машины по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя. В пазах статора размещается трехфазная, двухфазная или однофазная обмотки. Заметное отличие имеет ротор, который принципиально представляет собой постоянный магнит или электромагнит. Это налагает особые требования на геометрическую форму ротора. Любой магнит имеет полюса, число которых может быть два и более.
На рис. 7.1 приведены две конструкции генераторов, с тихоходным и быстроходным ротором.
Рис.7.1
Быстроходными бывают, как правило, турбогенераторы. Количество пар магнитных полюсов у них равно единице. Чтобы такой генератор вырабатывал электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц, его необходимо вращать с частотой
Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, которое, пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС. При подключении к генератору нагрузки генератор будет являться источником переменного тока.
Как было показано выше, величина наводимой в обмотке статора ЭДС количественно связана с числом витков обмотки и скорости изменения магнитного потока:
Переходя к действующим значениям, выражение ЭДС можно записать в виде:
где n — частота вращения ротора генератора,
Ф — магнитный поток,
c — постоянный коэффициент.
При подключении нагрузки напряжение на зажимах генератора в разной степени меняется. Так, увеличение активной нагрузки не оказывает заметного влияния на напряжение. В то же время индуктивная и емкостная нагрузки влияют на выходное напряжение генератора. В первом случае рост нагрузки размагничивает генератор и снижает напряжение, во втором происходит его подмагничивание и повышение напряжения. Такое явление называется реакцией якоря.
Для обеспечения стабильности выходного напряжения генератора необходимо регулировать магнитный поток. При его ослаблении машину надо подмагнитить, при увеличении — размагнитить. Делается это путем регулирования тока, подаваемого в обмотку возбуждения ротора генератора.
Простейший генератор трехфазного тока по конструкции аналогичен трехфазного токагенератору однофазного тока, только его якорь имеет не одну, а три обмотки АХ, BY, CZ, сдвинутые в пространстве друг относительно друга (рис. 7.2). При вращении якоря в этих обмотках наводятся э. д. с. одинаковой частоты, но имеющие разные фазы. Если амплитуды э. д. с. трех обмоток генератора равны друг другу, а сдвиг фаз между двумя любыми смежными э. д. с. равен -j= 120°, то трехфазная система э. д. с. называется симметричной.
