23. Устройство и принцип действия синхронного генератора.

Устройство:

Статор синхронной машины (СМ) называется якорем. На статоре расположена трехфазная обмотка, равномерно распределенная по пазам (обмотка якоря). Число полюсов обмотки статора равно числу полюсов ротора.

Ротор СМ называется индуктором и имеет обмотку возбуждения (ОВ), питаемую постоянным током . Токоподвод осуществляется через два контактных кольца и щетки. Машины малой мощности могут иметь возбуждение от постоянных магнитов. По конструкции ротора различают явнополюсные и неявнополюсные СМ (рис.3.1).

В неявнополюсной конструкции примерно одна треть полюсного деления ротора свободна от пазов и представляет собой , так называемый, большой зуб. Такая конструкция обеспечивает высокую механическую прочность ротора и используется в двухполюсных машинах, имеющих высокую частоту вращения ротора (турбогенераторы и мощные синхронные двигатели - турбомоторы).

Принцип действия синхронного генератора:

На рис. 6.13 приведена схема включения синхронного генератора. Ротор генератора приводится во вращение от двигателя любого типа с частотой вращения  . В цепь трехфазной обмотки якоря ОЯ включена трехфазная нагрузка с параметрами фазы   . В цепь обмотки возбуждения включено регулировочное сопротивление   , при помощи которого регулируется ток  , и следовательно, ЭДС фазных обмоток  . Фазные обмотки имеют параметры  .

Рис. 6.13

Магнитная индукция вдоль внутренней поверхности статора распределена по синусоидальному закону:  . При равномерном вращении ротора  , а магнитная индукция  . ЭДС фазы статора будет также изменяться по синусоидальному закону:

Частота   ЭДС определяется числом пар полюсов ротора   и скоростью его вращения.

При увеличении числа пар полюсов пропорционально увеличивается частота:

Действующее значение ЭДС фазы определяется формулой, аналогичной для асинхронного двигателя и трансформатора:

где   — число витков обмотки фазы статора,   — обмоточный коэффициент. Очевидно, что  , если принять

Так как частота вращения ротора должна быть постоянной, то ЭДС фазы можно регулировать только изменением потока  , воздействуя на ток возбуждения.

Токи трехфазной статорной обмотки создают свое магнитное поле, которое вращается в ту же сторону, что и магнитное поле ротора. Вращение маг-нитных полей синхронно, что и послужило основанием для названия синхронных машин.

Взаимодействие магнитных полей ротора и статора создает электромагнитный момент  , препятствующий вращению ротора.

Поскольку магнитные поля ротора и статора действуют в одной магнитной цепи, то они влияют друг на друга. Влияние поля статора на поле ротора называют реакцией якоря.

МДС обмотки возбуждения создает основной поток возбуждения   , который индуктирует в каждой фазе обмотки якоря ЭДС   . Под действием тока якоря   на активном сопротивлении фазы возникает падение напряжения  . При работе синхронной машины как в генераторном так и в двигательном режимах, обмотка якоря создает поток рассеяния   , с которым связано появление ЭДС самоиндукции   . Ее можно заменить падением напряжения   где и   — индуктивное сопротивление и индуктивность, связанные с потоком рассеяния.

Явление реакции якоря можно учесть введением ЭДС   , где   , а   — индуктивность, связанная с полем реакции якоря. ЭДС  и   могут быть представлены одной суммарной эквивалентной ЭДС  Сопротивление   называют синхронным сопротивлением. При переменной нагрузке генератора  считают постоянным.

Обычно синхронные генераторы выполняют с якорем, расположенным на статоре, для удобства отвода электрической энергии. Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3...2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух контактных колец не вызывает особых затруднений. Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции; при вращении ротора магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, сцепляется поочередно с каждой из фаз обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. В наиболее распространенном случае применения трехфазной распределенной обмотки якоря в каждой из фаз, смещенных друг относительно друга на 120 градусов, индуцируется синусоидальная ЭДС. Соединяя фазы по стандартным схемам «треугольник» или «звезда», на выходе генератора получают трехфазное напряжение, являющееся общепринятым стандартом для магистральных электросетей.

Частота индуцируемой ЭДС [Гц] связана с частотой вращения ротора [об/мин] соотношением:

,

где — число пар полюсов ротора.

Часто синхронные генераторы используют вместо коллекторных машин для генерации постоянного тока, подключая их обмотки якоря к трехфазным выпрямителям.