МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Донской государственный технический университет" в г. Шахты Ростовской области

(ИСОиП (филиал) ДГТУ)

РЕФЕРАТ

Тема: Синхронные генераторы. Конструкция, принцип действия

по дисциплине «Электрооборудование источников энергии, электрических сетей и промышленных предприятий»

Разработал Мамонов А.А.

(подпись) (фамилия, инициалы)

Руководитель Валюкевич Ю.А.

(подпись) (фамилия, инициалы)

Шифр зачётной книжки: ЭЛПО-d11-027

ШАХТЫ 2015

Содержание

Введение…………………………………………………………………….3

1. Устройство………………………………………………………………....5

2. Принцип действия…………………………………………………………10

2.1 Двигательный режим…………………………………………………….10

2.2 Обратимость синхронного генератора…………………………….....12

2.3 Условия включения синхронного генератора в сеть………………..12

2.4 Генераторный режим………………………………………………….14

2.5 Однофазные и трёхфазные синхронные генераторы…………….....16

3. Разновидности синхронных машин……………………………………...17

3.1 Бесконтактная синхронная машина……………………………….....18

Заключение…………………………………………………………………...19

Список литературы…………………………………………………………..20

Введение

Синхронный генератор –  это машина переменного тока, преобразовывающая какой-либо вид энергии в электрическую энергию.

Генератором называется электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую. Синхронной называется бесколлекторная машина переменного тока, скорость вращения которой постоянна и определяется, при заданной частоте, числом пар полюсов: n = 60*f/p;, f = 50 Гц, где р – количество пар полюсов. Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции. ЭДС индуктируется в двух случаях: при движении проводника в магнитном поле и при изменении магнитного потока вокруг проводника. Магнитным полем называется материальная среда, обнаружить которую возможно только опытным путём – внеся в это поле другое намагниченное тело или проводник с током, так как вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Электромагнит – это электротехническое устройство, состоящее из катушки и ферримагнитного сердечника, предназначенное для создания магнитного потока.

К основным требованиям, предъявляемым  электрическим машинам ПС относятся:

частота вращения находится в пределах 50–12000 об/мин; широкий диапазон мощностей, от десятков Вт до десятков МВт;

минимальные габариты, масса, нагрузка на ось, габариты совпадающие с габаритами  подвижного состава;

высокую надёжность работы.

К специфическим особенностям работы электрических машин ПС относятся:

колебание температуры окружающей среды, от -50°С до + 50°С;

колебание влажности, 95*3%;

запыление машин, установленных на открытом воздухе, встречным потоком воздуха;

конструкция машин и условия размещения её на подвижном  составе должны обеспечивать удобный доступ к обслуживаемым частям.

На железнодорожном транспорте синхронные машины чаще всего применяются в качестве генераторов переменного тока на тепловозах и в рефрижераторных секциях.

1. Устройство

Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор, то есть обмотка возбуждения. Обычно, якорь располагается на статоре, а на отделённом от него воздушным зазором роторе находится индуктор — таким образом, по принципу действия синхронная машина представляет собой как бы «вывернутую наизнанку» машину постоянного тока, переменный ток для обмотки якоря которой не получается с помощью коллектора и подводится извне.

Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. Поле якоря оказывает воздействие на поле индуктора и называется поэтому также полем реакции якоря. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора.

Индуктор состоит из полюсов — электромагнитов постоянного тока или постоянных магнитов в микромашинах. Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, это похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, разница в том, что между полюсами оставляется место, не заполненное проводниками, так называемый большой зуб. Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.

Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока, применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. Как правило, они представляют собой шихтованную, набранную из отдельных листов, конструкцию из электротехнической стали. Электротехническая сталь обладает рядом интересных свойств. В том числе она имеет повышенное содержание кремния, чтобы повысить её электрическое сопротивление и уменьшить тем самым вихревые токи.

На тепловозах с передачей мощности переменно-постоянного и переменного тока в качестве тяговых используют синхронные генераторы, первичными двигателями которых служат двигатели внутреннего сгорания, дизели. Их также используют в качестве вспомогательных машин на тепловозах, электровозах и в пассажирских вагонах.

Рис 1. Устройство синхронного генератора.

Статор является неподвижной частью синхронной машины, рис.1.а., и состоит из корпуса и сердечника, в пазах которого располагается статорная обмотка, предназначенная для индуктирования в ней ЭДС. Сердечник статора набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, в которых вырубают пазы для укладки проводников обмотки статора. 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, то есть индуктирующая часть машины, возбуждающая магнитное поле, помещаются на неподвижной части машины, на статоре, а индуктируемая часть - якорь, проводники в которых создается ЭДС, на вращающейся части машины, на роторе.

Во-втором случае полюсы, помещаются на роторе, а якорь — на статоре. Принцип действия синхронного генератора c 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 генераторы с вращающимся якорем и неподвижными полюсами выполняют только при невысоких напряжениях, до 380/220 В, и небольших мощностях, до 15 кВА.

Наиболее широкое применение получили синхронные генераторы, в которых полюсы помещены на роторе, а якорь — на статоре. Ток возбуждения протекает по обмотке возбуждения, которая представляет собой последовательно соединённые 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.

Ротор синхронного генератора представляет собой вал, на котором укреплены сердечники полюсов в явно выраженных синхронных машинах, рис.1.б., или набирают из листов электротехнической стали в неявно выраженных синхронных машинах, 1.в.

В высокоскоростных синхронных генераторах выполняются неявновыраженные полюса для обеспечения нужной механической прочности.

Рис.2. Явновыраженные и неявновыраженные полюса электромагнитов.

Ротор синхронной машины: а - с явно выраженными полюсами, б - с неявно выраженными полюсами; 1 - сердечник, 2 - полюсный наконечник, 3 - катушка обмотки возбуждения.

На рисунке показан общий вид синхронного генератора с возбудителем. Устройство статора синхронного генератора аналогично устройству статора асинхронной машины. Ротор синхронных генераторов выполняют либо с явно выраженными, выступающими, полюсами, либо с неявно выраженными полюсами, без выступающих полюсов. В машинах с относительно малой частотой вращения, при большом числе полюсов, роторы должны быть с явно выраженными плюсами, равномерно расположенными по окружности ротора.

Обмотка возбуждения выполняется из медного провода прямоугольного сечения, концы которой выводятся на контактные кольца, установленные на роторе. Токосъём с контактных колец, осуществляется с помощью щёток, установленных в щёткодержателях и прижимаемых к контактной поверхности пружинами.

В синхронных генераторах применяют два основных способа возбуждения: независимое, рис.3.а., и самовозбуждение, рис.3.б.

Рис.3. Независимое возбуждение и самовозбуждение машины.

При независимом возбуждении обмотка возбуждения питается от генератора постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения, расположенного на валу ротора синхронного генератора и вращающегося вместе с ним, большой мощности. При самовозбуждении, питание обмотки возбуждения осуществляется самим синхронным генератором через выпрямитель, малой и средней мощности. Полюс состоит из сердечника, полюсного наконечника и катушки обмотки возбуждения, помещенной на сердечнике полюса. Первичные двигатели синхронных генераторов с явно выраженными полюсами обычно представляют собой гидравлические турбины, являющиеся тихоходными машинами.

При большой частоте вращения такое устройство ротора не может обеспечить нужной механической прочности и поэтому у высокоскоростных машин роторы выполняют с неявно выраженными полюсами. 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. При такой конструкции ротора допускаются большие частоты вращения. Для генераторов с неявно выраженными полюсами первичными двигателями обычно являются паровые турбины, принадлежащие к числу быстроходных машин.