1.7.2 Синхронный генератор трехфазного переменного тока

Синхронным генератором называется машина, преобразующая механическую энергию первичного двигателя в электрическую энергию трехфазного переменного тска, частота которого нахо­дится в прямой зависимости от скорости вращения ротора. В ос­нове работы синхронных генераторов лежит явление электромаг­нитной индукции.

Генератор состоит из двух основных частей: ротора и статора (рис. 1.33). Ротор — вращающаяся часть генератора (рис. 1.33,в).

На роторе мощных генераторов размещаются обмотки возбужде­ния, создающие постоянное магнитное иоле. Эти обмотки назы­ваются индукторными. Индуктор питается от постороннего источ­ника постоянного тока (возбудителя). Для создания электриче­ской цепи между индуктором и возбудителем используются сколь­зящие контакты (неподвижные щетки и кольца).

Статор — неподвижная часть генератора (рис. 1.33,б). На статоре располагаются обмотки, в которых индуктируется пере­менная ЭДС. Эти обмотки называются якорными. К ним подклю­чается потребитель.

В генераторах небольшой мощности якорная обмотка разме­щается на роторе, а индуктор — на неподвижной части — статоре.

Рассмотрим принцип работы синхронного генератора.

В режиме холостого хода поле индуктора, пересекая витки якорных обмоток статора, индуктирует в них ЭДС. С подключе­нием нагрузки в обмотках появляется трехфазный ток. Протекая по обмоткам, ток создает вращающееся магнитное поле статора. Частота вращения этого поля и частота вращения магнитного по­тока ротора совпадают (вращаются синхронно).

Магнитный поток якоря воздействует на поток индуктора, из­меняя его. Это воздействие называется реакцией якоря и зависит от характера нагрузки. Если нагрузка носит индуктивный или ак­тивный характер, то напряжение на зажимах генератора умень­шается за счет размагничивающего действия реакции якоря. При емкостном характере нагрузки магнитное поле якоря оказывает намагничивающее действие на индуктор. ЭДС генератора не­сколько увеличивается.

Таким образом, характер нагрузки влияет на изменения на­пряжения генератора, которые могут достигать 10—30%. Для под­держания напряжения постоянным необходимо изменять ток воз­буждения. Это достигается применением схем автоматического регулирования.

Возбудитель выполняется в виде генератора постоянного тока с параллельным возбуждением, якорь которого располагается на валу синхронного генератора.

В маломощных синхронных генераторах часто используется ре­жим самовозбуждения. В этом случае обмотки возбуждения пи­таются постоянным током, полученным путем выпрямления трех­фазного переменного тока синхронного генератора.

Коэффициент полезного действия (КПД) синхронных генера­торов высок и лежит в пределах 80—99%. Широко применяются для питания РЛС агрегаты типа АЛД и др., в состав которых входят синхронные генераторы.

1.7.3 Генератор постоянного тока

Генератором постоянного тока называется электрическая ма­шина, преобразующая механическую энергию первичного двига­теля в электрическую энергию постоянного тока. Принцип действия генератора основан на использовании явления электромаг­нитной индукции.

Генератор состоит из двух основных частей: якоря и электро­магнитов— индуктора (рис. 1.34). Якорь представляет собой вра­щающуюся часть генератора. Он состоит из сердечника, обмотки и коллектора 2. Сердечник якоря имеет цилиндрическую форму и набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм.

В пазы сердечника укладывается обмотка, выполненная из медной изолированной проволоки. На валу якоря укрепляется коллектор. Коллектор с щетками служит для выпрямления пере­менного тока в постоянный и представляет собой цилиндр, со­стоящий из ряда клиновидных медных пластин, изолированных друг от друга. К каждой пластине коллектора припаивается вывод якорной обмотки.

Электрические магниты (индуктор) состоят из обмоток воз­буждения и стальных полюсных сердечников, выполненных из на­бора листовой стали. Сердечники прикрепляются к станине. Ста­нина 1 изготовляется из стали или чугуна и является основой кре­пления узлов и деталей генератора.

Щеточный механизм состоит из траверсы 4 щеткодержателей и щеток, служащих для отвода ЭДС генератора во внешнюю цепь.

Рассмотрим принцип действия генератора.

Якорь с кольцевой обмоткой помещен в магнитное поле элек­тромагнитных полюсов.

На рис. 1.35 обмотка изображена в виде восьми витков. При вращении якоря в витках обмоток будет индуктироваться ЭДС, на­правление которой можно определить по правилу правой руки, В проводниках 1, 2, 3, 8 ЭДС направлена от нас, а в проводниках 4, 5, 6, 7 ЭДС направлена к нам. (В проводниках, расположенных на внутренней поверхности, ЭДС не индуктируется, так как поле внутри цилиндра равно нулю).

Таким образом, в электрическом отношении обмотка состоит из двух параллельных участков, в пределах которых ЭДС всех витков действуют последовательно в одном направлении. По отно­шению друг к другу ЭДС обоих участков равны и направлены встречно, поэтому ток в обмотках не течет. Чтобы от такой обмотки получить постоянный ток, нужно ее соединить с помощью щеток и коллектора с нагрузкой. Щетки располагают так, чтобы разность потенциалов между ними была наибольшей. Этого можно достиг­нуть, если щетки установить на геометрической нейтрале (линия п— п), проходящей между полюсами. Каждый виток обмотки со­

где В — магнитная индукция полюсов, В-сек/м²;

I — активная длина витка, м;

v — линейная скорость проводника, м/с;

α — угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением скорости движения проводника.

Эта ЭДС является переменной для отдельного витка. Части обмотки, составляющие верхнюю и нижнюю параллельные ветви, всегда находятся в поле только какой-нибудь одной полярности. Например, верхняя ветвь находится в поле северной полярности, а нижняя — только в поле южной полярности. Следовательно, по отношению к правой щетке ЭДС, создаваемые обеими параллель­ными ветвями обмотай, имеют одно и то же направление, соот­ветственно чему правая щетка остается положительной, а левая — отрицательной. При большом числе витков пульсации ЭДС ста­новятся практически незаметными.

Машина с кольцевой обмоткой якоря имеет существенный не­достаток, который выражается в том, что в витке, расположенном на внутренней поверхности якоря, ЭДС не индуктируется. Для устранения этого обмотку укладывают так, чтобы обе части ее витков являлись активными. Если одна часть витков находится под северным полюсом, то вторая часть — под южным полюсом.

Величина электродвижущей силы, индуктируемой генератором, определяется но формуле

где С - постоянный коэффициент, зависящий от конструкции ге­нератора;

п — число оборотов якоря, об/мин;

Ф — магнитный поток одного основного полюса, Вб.

Из формулы видно, что при постоянной частоте вращения якоря ЭДС зависит от величины магнитного потока возбуждения. По способу возбуждения генераторы делятся на две группы: генера­торы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбужде­нием.

Генератором с независимым возбуждением называется такой генератор, у которого обмотки возбуждения питаются от посторон­него источника постоянного тока (рис. 1.36,а).

Генератором с самовозбуждением называется такой генератор, у которого обмотки возбуждения питаются током своего якоря! Принцип самовозбуждения заключается в следующем. Если при отсутствии тока возбуждения начать вращение якоря, то за счет остаточного магнитного поля полюсов в якоре будет возникать ЭДС. Сначала ЭДС мала и посылает к полюсам слабый ток. Маг­нитное поле полюсов увеличивается. При этом ЭДС в обмотках якоря возрастает, увеличивая ток возбуждения до определенной величины.

В зависимости от способа соединения обмотки возбуждения генераторы делятся на три типа: с параллельным возбуждением (шунтовые), с последовательным возбуждением (сериесные) со смешанным возбуждением (компаунд).

Генератором с параллельным возбуждением называется такой генератор, у которого обмотка возбуждения включена параллель­но обмотке якоря (рис. 1.36, б). Применяются генераторы с парал­лельным возбуждением в зарядных станциях, для питания радиостанций связи и в качестве возбудителя генераторов переменного

Генератором с последовательным возбуждением называется та­кой генератор, у которого обмотка возбуждения включена после­довательно с обмоткой якоря (рис. 1.36, в). В радиолокационных станциях генераторы подобного типа не применяются.