Асинхронный генератор

Асинхронный генератор — это асинхронная машина, ра­ботающая в режиме генератора с возбуждением от сети или с самовозбуждением. В первом случае говорят о параллель­ной работе машины с сетью, во втором случае — об автоном­ном режиме и соответственно, об автономном асинхронном генераторе. Выше было показано, что если ротор асинхрон­ной машины вращать с частотой, превышающей синхронную частоту вращения, то скольжение машины становится отрица­тельным, машина переходит в режим генератора. При этом она преобразует механическую мощность, получаемую со стороны вала в активную, которую отдает в сеть, а из сети, как и в двигательном режиме, получает реактивную мощность, необхо­димую для намагничивания машины.

В настоящее время асинхронные генераторы все более широко применяются в качестве генерирующих устройств в так называемых альтернативных источниках электроэнергии: ветроэлектрических станциях и микроГЭС. Кроме того, асин­хронные генераторы в силу своей высокой надежности могут применяться как бортовые источники переменного тока в мо­бильных объектах, прежде всего в летательных аппаратах. К генератору могут быть присоединены как потребители трех­фазного тока, так и потребители постоянного тока, питаемые обычно через трехфазный мостовой выпрямитель. Асинхрон­ные генераторы имеют хорошие пусковые характеристики при работе в двигательном режиме и могут использоваться в каче­стве стартера для запуска авиадвигателя с переходом затем в генераторный режим. Асинхронные генераторы с самовоз­буждением могут быть использованы в регулируемом электро­приводе переменного тока.

В системах автоматического управления, например, в следя­щем электроприводе, в вычислительных устройствах применяются асинхронные тахогенераторы с полым или с короткозамкнутым ротором для преобразования угловой скорости в электрический сигнал.

Асинхронные генераторы отличаются высокой надежностью и простотой обслуживания в эксплуатации, они легко включа­ются на параллельную работу даже при сравнительно боль­ших рассогласованиях угловых скоростей. Форма кривой на­пряжения асинхронного генератора ближе к синусоидальной, чем у синхронных генераторов при работе на одну и ту же нагрузку. Однако, несмотря на отмеченные достоинства асин­хронного генератора, применение их ограничивается тем, что они являются генераторами только активной мощности и по­требителями реактивной. Следовательно, асинхронные генера­торы способны работать лишь в системе, где имеется источник реактивной мощности.

Питание асинхронного генератора реактивной мощностью возможно со стороны статора или со стороны ротора. В по­следнем случае вследствие малой частоты скольжения необ­ходимая емкость возрастает в k² раз, где k — коэффициент трансформации машины.

Асинхронные генераторы могут выполняться с самовоз­буждением или с независимым возбуждением.

Генераторы с самовозбуждением или с конденсаторным возбуждением характеризуются тем, что реактивная мощность генерируется конденсаторами, включенными параллельно об­мотке статора и соединенными в «треугольник» или «звезду». С целью улучшения эксплуатационных свойств асинхронного генератора дополнительно устанавливаются конденсаторы, включенные последовательно с нагрузкой.

У асинхронного генератора с независимым возбуждением реактивная мощность компенсируется за счет синхронных ма­шин, включенных в общую сеть. В некоторых случаях исполь­зуют тиристорные источники реактивной мощности, которые преобразуют постоянное напряжение источника (например аккумулятора) в трехфазное переменное напряжение с опере­жающим током.

Асинхронный генератор с конденсаторным возбуждением можно наиболее эффективно применять в системах с импульс­ным характером нагрузки, когда конденсаторы выполняют роль не только источников намагничивающей мощности, но и накопи­телей электрической энергии. В этом случае устраняется не­обходимость в синхронном компенсаторе или специальной батарее конденсаторов.

Асинхронные генераторы независимого возбуждения, ра­ботающие на автономную сеть, применяются преимуществен­но в установках специального назначения. При этом источни­ком реактивной мощности является либо синхронная машина, работающая в режиме синхронного компенсатора; либо ба­тарея конденсаторов. В обоих случаях источники реактивной мощности (синхронный компенсатор или конденсатор) долж­ны снабжать реактивной мощностью сеть и асинхронный гене­ратор.

Полная мощность асинхронного генератора S_Г выражает­ся через активную мощность Р_Г и коэффициент мощности генератора :

.(3.56)

Потребляемая реактивная мощность генератора:

.

Реактивная мощность, поступающая в нагрузку:

где φ_Н — угол сдвига фаз между напряжением и потоком в нагрузке.

Тогда реактивная мощность конденсаторов (синхронных компенсаторов) определяется как сумма реактивных мощностей генератора и нагрузки (сети):

. (3.57)

Если мощность генератора равна номинальной: Р_Г = Р_Н=Р_НОМ, то мощность конденсатора (компенсирующего устройства) равна

.(3.58)

Емкость конденсаторов, применяемых как источник реак­тивной мощности генератора и сети, определяется с учетом из выражения

Х_С = 1/ω₁ С = U_С /I_С = m₁ U²_С Q_С ,

откуда можно определить емкость конденсатора:

_; (3.59)

Из выражения (3.59) следует, что при изменении нагрузки необходимо обеспечить регулирование емкости, применяя, например, конденсаторы переменной емкости (вариконды) или иным методом.

Масса и размеры конденсаторной батареи даже при ис­пользовании современных конденсаторов могут превосходить массу асинхронного генератора.

Схема замещения асинхронного генератора с самовозбуждением при помощи конденсаторов и с нагруз­кой Z_H изображена на рис. 3.42,а. Она отличается от схемы замещения двигателя тем, что в первичную цепь машины включено емкостное сопро­тивление конденсаторной батареи Х_С, и, кроме того, заменено направление потока энергии из машины в сеть.

Рис. 3.42. Схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) асинхронного генератора

Векторная диаграмма асинхронного генератора изобра­жена на рис. 3.42,б. Она имеет обычный вид и не зависит от того, откуда генератор потребляет необходимую реактивную мощность.

Стабилизация напряжения асинхронного генератора явля­ется одной из наиболее важных проблем, связанных с его использованием в автономных системах. Напряжение генера­тора при увеличении нагрузки снижается вследствие внутрен­него падения напряжения и снижения ЭДС статора в резуль­тате уменьшения частоты сети при неизменном значении час­тоты вращения ротора.

Частота сети при увеличении нагрузки снижается в связи с увеличением скольжения, поскольку f₁ =f₂/(1 -S_H0M), где f₂= рп₂ = const; п₂ — частота вращения ротора.

Выходное напряжение генератора можно стабилизиро­вать за счет изменения частоты вращения ротора или основ­ного магнитного потока машины Ф, поскольку ЭДС статора пропорциональна частоте и потоку. Регулировать напряжение

путем изменения частоты вращения ротора технически слож­но, кроме того диапазон изменения частоты вращения ротора должен быть значительным. Поэтому этот способ практически не используется. Чаще всего напряжение регулируется изме­нением основного магнитного потока.

Регулирование основного магнитного потока при неизмен­ной скорости ротора может быть достигнуто рядом способов:

1) подмагничиванием спинки статора генератора, измене­нием напряжения на конденсаторах;

2) изменением емкости шунтирующих конденсаторов;

3) применением феррорезонансного стабилизатора напря­жения, управляемых реакторов или конденсаторов-варикондов.

Наиболее эффективна стабилизация напряжения шунтиру­ющими конденсаторами. Остальные способы регулирования напряжения связаны с усложнением конструкции генератора, или с большими массогабаритными дополнительными устрой­ствами. Регулирование напряжения асинхронного генератора в настоящее время остается важной и еще не полностью решенной задачей.

Самовозбуждение АГ возможно при обеспечении условий: 1. Наличия остаточного намагничивания в ферромагнит­ной части магнитной цепи, которое при вращении ротора АГ наводит в обмотке статора ЭДС остаточного поля. Обычно при шихтованном роторе Е_ост = (0,02...0,03)U_ном. Под влиянием Е_ост в цепи параллельной емкости возникает опережающий ток, который и подмагничивает машину. Начальный поток может быть создан и внешним электромагнитным полем. Процесс самовозбуждения изображен ломаной линией на рис. 3.43.

Рис. 3.43. Условия и процесс самовозбуждения асинхронного генератора в режиме холостого хода

Остаточная ЭДС Е_ост вызывает в конденсаторе намагни­чивающий ток, который наводит ЭДС Е в обмотке статора,

которая вызывает ток I_С в конденсаторе и т. д.

2. Частота вращения ротора должна быть выше критиче­ской, т. е. такой, при которой начальная ЭДС Е_ост будет иметь необходимое значение.

3. Характеристика внешней цепи U_C = I_C Х_С должна пере­секать кривую намагничивания в точке номинального напря­жения (рис. 3.43), иными словами, емкость должна быть боль­ше критической.

Самовозбуждение генератора возможно как в режиме холостого хода, так и под нагрузкой.