5. Устройство и принцип действия синхронного генератора

Синхронной машиной называется такая машина переменного тока, частота вращения ротора которой находится в строго постоянном отношении к частоте тока в сети

, (14.1)

где n – частота вращения ротора, об/мин; n₁ – частота вращения магнитного поля статора; – частота переменного тока, Гц; р – число пар полюсов.

По другому определению у синхронной машины угловая скорость ротора равна угловой скорости магнитного поля .

Синхронная машина, как и все электрические машины обратима, может работать в трех режимах: генераторном, двигательном и в режиме компенсатора реактивной мощности.

Наиболее распространенным режимом работы синхронных машин является генераторный режим, так как почти вся электрическая энергия на Земле вырабатывается синхронными генераторами. Синхронные генераторы – самые мощные электрические машины, созданные человеком [2].

На тепловых и атомных электростанциях эксплуатируются турбогенераторы мощностью 1200 МВт на 3000 об/мин и 1600 МВт на 1500 об/мин. Турбогенераторы – неявнополюсные быстроходные электрические машины; они имеют диаметр ротора 1,2–1,25 м и длину активной части статора около 7 м. В турбогенераторах достигнут наивысший кпд для вращающихся машин, примерно равный 99 %.

На гидроэлектростанциях устанавливаются гидрогенераторы – явнополюсные тихоходные электрические машины. Диаметр ротора Красноярского гидрогенератора мощностью 500 МВт равен 16,1 м, высота сердечника статора 1,75 (машина вертикального исполнения), кпд – 98,2 %.

На дизель-генераторных установках устанавливаются синхронные генераторы мощностью на сотни и на десятки тысяч киловатт. Выпуск автомобильных и тракторных генераторов мощностью сотни ватт достигает десятков миллионов штук в год.

Синхронные машины применяются как двигатели в приводах большой мощности. На металлургических заводах, шахтах, холодильниках они приводят в движение насосы, компрессоры, вентиляторы и другие механизмы, работающие с неизменной частотой вращения. Специальные синхронные двигатели малой мощности используются в устройствах, где требуется строгое постоянство скорости: электронасосы, автоматические самопишущие приборы, устройства программирования и т. п.

Достоинством синхронной машины является то, что она может быть источником реактивной мощности. Если асинхронные машины для создания поля потребляют из сети реактивную мощность, то синхронные в зависимости от степени возбуждения выдают в сеть или забирают из сети реактивную мощность.

Способность синхронной машины работать с опережающим cosφ и отдавать при этом в сеть реактивную мощность позволяет улучшать режим работы и экономичность системы электроснабжения.

Устройство.

Синхронная машина состоит из неподвижной части – статора, в пазах которого размещается многофазная(как правило, трехфазная) обмотка, и вращающейся части– ротора с обмоткой возбуждения постоянного тока, выведенной на два контактных кольца. Статор синхронной машины аналогичен статору асинхронной машины (см. лекцию 1).

Роторы синхронных машин выполняются явнополюсными и неявнополюсными (рис. 14.1).

Рис. 14.1. Ротор синхронных машин: a – c явновыраженными полюсами; б – с неявновыраженными полюсами

Явнополюсной ротор собирается из отдельных частей (рис 14.1, а), а обмотка возбуждения выполняется в виде катушек 1, которые размещают на полюсах 2 и крепят полюсными наконечниками 3. Полюсы укрепляются на крестовине ротора. Такая конструкция применяется в тихоходных машинах: в гидрогенераторах равнинных гидростанций (n = 80–250 об/мин) и синхронных двигателях (n = 50–750 об/мин). Число полюсов этих машин достигает нескольких десятков; например, генераторы Днепровской ГЭС имеют 72 полюса.

Обмотка возбуждения неявнополюсных роторов закладывается в пазы, выфрезерованные в сплошной стальной паковке, и крепится стальными клиньями. Лобовые части обмотки крепят стальными кольцевыми бандажами. Такая конструкция обеспечивает высокую механическую прочность ротора и применяется как в турбогенераторах, так и в быстроходных синхронных двигателях, например, в турбо­компрессорах. Скорость этих машин равна 3000 или 1500 об/мин, а число пар полюсов невелико – 1 или 2 пары.

Постоянный ток на обмотку возбуждения подается от специального генератора-возбудителя или от выпрямителя через неподвижные щетки и контактные два кольца. Кольца расположены на валу, вращающиеся вместе с валом, изолированы от вала и друг от друга.

Принцип действия синхронного генератора

В подавляющем большинстве синхронных машин ротор представляет собой электромагнит. И когда на обмотку ротора через контактные кольца подается постоянный электрический ток, то образуется магнитное поле ротора с чередованием полюсов N-S-N-S-…. Приведенный во вращение возбужденный ротор своим магнитным полем пересекает трехфазную обмотку статора и в соответствии с явлением электромагнитной индукции наводит в проводниках статора трехфазную эдс. Так как каждый из проводников обмотки статора оказывается попеременно то в зоне северного N магнитного полюса, то в зоне южного S полюса, то в обмотке статора наводится переменная эдс, а поэтому при подключении обмоток статора к трехфазной нагрузке ток в этой обмотке и в нагрузке будет переменный.

Мгновенное значение эдс обмотки статора

, (14.2)

где В_б – магнитная индукция в воздушном зазоре, Тл; l – активная длина обмотки статора, м; W – число витков в фазе обмотки; – линейная скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с; D₁ – внутренний диаметр сердечника статора, м.

Эта формула показывает, что при неизменной частоте вращения ротора форма кривой переменной эдс определяется законом распределения магнитной индукции В_б в зазоре. Если бы график магнитной индукции в зазоре представлял синусоиду (В_б= В_maxsinα), то эдс генератора была бы синусоидальной. Однако получить синусоидальное распределение индукции в зазоре практически невозможно (см. лекции 4, 5).

Частота эдс синхронного генератора прямопропорциональна частоте вращения ротора n, которую принято называть синхронной частотой вращения, n₀

, (14.3)

г

Рис. 14.2. К объяснению связи магнитного потока и наводимой эдс

де р – число пар полюсов, при р = 1, чтобы получить промышленную частоту эдс в 50 Гц ротор необходимо вращать с частотой n = 3000 об/мин.

Постоянные магниты на роторе приме­няются лишь в синхронных генераторах малой мощности.

Максимальное значение эдс в провод­нике статора будет возникать в момент нахождения проводника над серединой полюсного наконечника, как это показано на рис. 14.2.

Когда ось ротора находится в положении 1 (с левой стороны от проводника), то магнитный поток ротора Ф_f пересекает проводник слева направо, когда ось ротора занимает положение 2, то магнитный поток пересекает проводник справа налево. Когда же проводник находится под центром полюсного наконечника, то в это время происходит смена направления магнитного потока относительно проводника, точка 3 на графике потока Ф_f (рис. 14.3).

Рис. 14.3. График изменения магнитного потока ротора относительно проводника статора и график наводимой эдс

Учитывая, что эдс в проводнике

(14.4)

и после подстановки , продифференцировав, получим

, (14.5)

или

; (14.6)

то отсюда следует: во-первых, наибольшее значение эдс в проводнике статора наблюдается при наибольшей скорости изменения dФ_f/dt, этому соответствует точка 3 на рис. 14.3 и нахождению проводника посередине полюсного наконечника; во-вторых, эдс отстает от вызывающего его магнитного потока на угол 90°.