Общие сведения о синхронных генераторах

В синхронных машинах частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля статора и, следовательно, определяется частотой тока в сети и числом пар полюсов, т.е.

. (7.1)

Обычно обмотки возбуждения получают энергию от возбудителя, который представляет собой генератор постоянного тока. Возбудитель находится на одном валу с рабочей машиной, и мощность его составляет малую величину, порядка 1…5 % мощности синхронной машины, возбуждаемой им. При небольшой мощности часто используются схемы питания обмоток возбуждения синхронных машин от сети переменного тока через полупроводниковые выпрямители.

Простейшим генератором может быть виток из провода 1 и 2, вращающийся в магнитном поле (рис. 7.1). Магнитное поле возбуждается током обмотки возбуждения, помещенной на полюсах статора N…S.

Рис. 7.1. Схема генератора переменного тока:

1 и 2 – проводники; 3 – кольца.

При вращении витка проводники 1 и 2 пересекают магнитное поле, созданное между полюсами N…S, вследствие чего в витке будут индуктироваться ЭДС.

Концы витка соединены с кольцами 3, вращающимися вместе с витком. Если на кольцах поместить неподвижные щетки и соединить их с приемником электрической энергии, то по замкнутой цепи, состоящей из витка, колец, щеток и приемника энергии, пойдет электрический ток под действием ЭДС.

Полученная в таком простейшем генераторе ЭДС будет непрерывно изменяться в зависимости от положения витка в магнитном поле. Когда проводники 1 и 2 находятся под осями полюсов, то при вращении витка они пересекают в единицу времени наибольшее число линий магнитного поля. Следовательно, в данный момент индуктируемая в витке ЭДС будет иметь наибольшее значение.

В дальнейшем при повороте витка изменится число линий магнитного поля, пересекаемых в единицу времени проводниками 1 и 2. При повороте витка на 90^о в пространстве проводники будут перемещаться в вертикальном направлении, совпадающем с направлением магнитных линий поля. Следовательно, проводники 1 и 2 не пересекают магнитных линий и ЭДС в витке равна нулю.

При повороте витка на угол, больший 90^о, изменится направление перемещения этих проводников в магнитное поле, а следовательно, и направление ЭДС, индуктируемой в витке.

Если магнитное поле между полюсами N и S распределяется равномерно, то ЭДС будет меняться во времени синусоидально. За один оборот витка в пространстве ЭДС, индуктируемая в нем, претерпевает один период изменения.

Если виток вращается при помощи какого-либо первичного двигателя с постоянной частотой вращения n в минуту, то в этом витке индуктируется переменная ЭДС с частотой, определяемой по формуле

(7.2)

Возникновение ЭДС в проводниках возможно как при перемещении этих проводников в неподвижном магнитном поле, так и при перемещении магнитного поля относительно неподвижных проводников. В первом случае полюсы, т.е. индуктирующая часть машины, возбуждающая магнитное поле, помещаются на неподвижной части машины (на статоре), а индуктируемая часть (якорь), т.е. проводники, в которых создается ЭДС, – на вращающейся части машины (на роторе). Во втором случае полюсы помещаются на роторе, а якорь – на статоре.

Выше мы рассмотрели принцип действия синхронного генератора с неподвижными полюсами и вращающимся якорем. В таком генераторе энергия, вырабатываемая им, передается приемнику энергии посредством скользящих контактов – контактных колец и щеток. Скользящий контакт в цепи большой мощности создает значительные потери энергии, а при высоких напряжениях наличие такого контакта крайне нежелательно. Поэтому такие генераторы применяют только при невысоких напряжениях (380/220 В) и небольших мощностях.

Наиболее широкое применение получили синхронные генераторы, в которых полюсы размещены на роторе, а якорь – на статоре.

Ток возбуждения протекает по обмотке возбуждения, которая представляет собой последовательно соединенные катушки, помещенные на полюсы ротора.

Концы обмотки возбуждения соединены с контактными кольцами, которые крепятся на валу машины. На кольцах помещаются неподвижные щетки, посредством которых в обмотку возбуждения подводится постоянный ток от постороннего источника энергии – генератора постоянного тока, называемого возбудителем.

На рис. 7.2 показан общий вид синхронного генератора с возбудителем. Устройство статора синхронного генератора аналогично устройству статора асинхронной машины.

Рис. 7.2. Устройство синхронного генератора:

1 – синхронный генератор; 2 – возбудитель.

Ротор синхронных генераторов выполняют либо с явно выраженными (выступающими) полюсами, либо с неявно выраженными полюсами, т.е. без выступающих полюсов.

В машинах с относительно малой частотой вращения (при большом числе полюсов) роторы должны быть с явно выраженными полюсами (рис. 7.3, а), равномерно расположенными по окружности ротора.

Полюс состоит из сердечника 1, полюсного наконечника 2 и катушки обмотки возбуждения 3, помещаемой на сердечнике полюса.

При большой частоте вращения такое устройство ротора не может обеспечить нужной механической прочности, и поэтому у высокоскоростных машин роторы выполняют с неявно выраженными полюсами (рис. 7.3, б).

Сердечники роторов с неявно выраженными полюсами обычно изготовляют из цельных поковок, на поверхности которых фрезеруются пазы. После укладки обмоток возбуждения на роторе пазы его забиваются клиньями, а лобовые соединения обмотки возбуждения укрепляются стальными бандажами, помещенными на торцовых частях ротора.

Рис. 7.3. Ротор синхронной машины:

а – с явно выраженными полюсами; б – с неявно выраженными полюсами

1 – сердечник; 2 – полюсный наконечник; 3 – катушка обмотки возбуждения.

В обмотке статора синхронного генератора создается ЭДС, величина которой зависит от магнитного потока полюсов. Если магнитный поток полюсов очень мал, то и ЭДС также мала. При увеличении магнитного потока возрастает и ЭДС машины. Таким образом, при постоянной частоте вращения ротора ЭДС пропорциональна магнитному потоку, который возбуждается постоянным током, протекающим по проводникам обмотки возбуждения. Если повысить ток в обмотке возбуждения, то возрастет и магнитный поток полюсов, что вызовет увеличение ЭДС машины. Следовательно, изменение тока в обмотке возбуждения вызывает соответствующее изменение ЭДС машины и позволяет регулировать напряжение на зажимах генератора.

На рис. (7.4, а) изображены внешние характеристики синхронного генератора при активной и реактивной нагрузках. Эти характеристики показывают зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при неизменных частоте вращения ротора и токе возбуждения. Различный вид этих характеристик при активной, индуктивной и емкостной нагрузках объясняется неодинаковым воздействием поля реакции якоря на магнитный поток полюсов.

Для нормальной работы любого приемника электрической энергии требуется постоянное напряжение сети. Чтобы обеспечить постоянное напряжение сети при изменении нагрузки в синхронном генераторе, изменяют ток возбуждения.

Зависимость, показывающая, каким образом необходимо изменить ток в обмотке возбуждения для того, чтобы при изменении нагрузки генератора напряжение на его зажимах оставалось неизменным, называется регулировочной характеристикой (рис. 7.4, б). При активной нагрузке увеличение тока в статоре вызывает незначительное понижение напряжения, так как реакция якоря уменьшает магнитный поток в малой степени. При этой нагрузке требуется незначительно увеличить ток возбуждения для увеличения постоянства напряжения. При индуктивной нагрузке создается размагничивающее поле реакции якоря, уменьшающее поток полюсов. Поэтому для постоянства напряжения (т.е. для постоянства результирующего магнитного потока) необходимо в большей мере увеличить ток возбуждения для компенсации размагничивающего поля реакции якоря. При емкостной нагрузке происходит усиление магнитного поля, и для постоянства напряжения следует уменьшить ток возбуждения при увеличении тока в статоре.

Рис. 7.4. Характеристики синхронного генератора:

а – внешние; б – регулировочные

1 – емкостная; 2 – активная; 3 – индуктивная.

Характеристика холостого хода генератора представляет собой зависимость между ЭДС в якоре и током возбуждения, снятую при отсутствии нагрузки и постоянной частоте вращения (рис. 7.5).

При I_в = 0 магнитная цепь машины (главным образом ярмо) имеет некоторый остаточный магнитный поток Ф₀, который индуктирует в обмотке якоря ЭДС Е (рис. 7.5). Эта ЭДС составляет несколько процентов (2…5 %) номинального напряжения машины. С увеличением тока в обмотке возбуждения возрастают как магнитный поток, так и ЭДС, индуктированная в обмотке якоря. Таким образом, при постоянном постепенном увеличении I_в возрастает и ЭДС (кривая 1). Если после снятия восходящей ветви от точки А начать постепенно понижать ток возбуждения I_в, то ЭДС также начнет уменьшаться, но за счет гистерезиса нисходящая ветвь (кривая 2) пойдет несколько выше восходящей ветви этой характеристики. Изменяя I_в не только по величине, но и по направлению, можно снять весь цикл перемагничивания стали машины.

Рис. 7.5. Характеристика холостого хода

генератора независимого возбуждения

при перемагничивании стали.

Практически восходящая и нисходящая ветви магнитной характеристики имеют крайне незначительное расхождение, и за основную характеристику принимается средняя зависимость (кривая 3).