Характеристики синхронного генератора: принцип действия, характеристики холостого хода и устройство, параллельная работа. С какой скоростью вращается ротор?

принцип действия, характеристики холостого хода и устройство, параллельная работа. С какой скоростью вращается ротор?

Синхронный генератор – специальное устройство, посредством которого удается преобразовать любую энергию в электрическую. В роли таких устройств выступают мобильные станции, термические или солнечные батареи, специальная техника. В зависимости от вида генератора определяется возможность его использования, поэтому стоит подробнее разобраться с тем, что представляет собой устройство.

История создания

В конце XIX века компания Роберта Боша впервые разработала нечто похожее на генератор. Устройство было способно зажечь двигатель. В процессе испытаний было выявлено, что машина не подходит для постоянного использования, однако разработчики смогли усовершенствовать аппарата.

В 1890 году фирма практически полностью перешла на производство данного оборудования, так как оно приобрело большую популярность. В 1902 ученик Боша создал зажигание, задействуя высокое напряжение. Устройство было способно добыть искру между двумя электродами свечи, что сделало систему более универсальной.

Начало 60-х годов XX века стало эпохой распространения генераторов по всему миру. И если раньше устройства были востребованы только в автомобилестроении, то сейчас подобные агрегаты способны обеспечить электроэнергией целые дома.

Устройство и назначение

Конструкция подобных агрегатов задействует только два главных элемента:

При этом на валу ротора предусмотрены дополнительные элементы. Это могут быть магниты или обмотка возбуждения. У магнитов зубчатая форма, полюса для получения и передачи тока направлены в разные стороны.

Главная задача генератора заключается в преобразовании одного вида энергии в электрическую. С его помощью удается обеспечить необходимым количеством тока зависимые устройства, чтобы можно было ими воспользоваться.

Характеристики

Чтобы оценить работоспособность генератора, необходимо посмотреть на его характеристики. В принципе они такие же, как у станции, вырабатывающей постоянный ток. Главными параметрами оценки являются несколько факторов.

• Холостой ход. Представляет собой зависимость ЭДС от силы движущихся токов, отвечающих за возбуждение демпферной катушки. С его помощью удается определить способность цепей намагнититься.
• Внешняя характеристика. Подразумевает параллельную связь между напряжением катушки и нагрузочным током. Величина зависит от типа прикладываемой к устройству нагрузки. Среди причин, способных вызвать изменения, выделяют увеличение или уменьшение ЭДС агрегата, а также падение напряжения на обмотках установленной катушки, которая помещена внутрь устройства.
• Регулировка. Представляет зависимость, которая образуется между токами возбуждения и нагрузочным током. Обеспечение работоспособности и защиты синхронных агрегатов достигается за счет отслеживания данного показателя. Достичь этого несложно, если постоянно проводить настройку ЭДС.

Еще один важный параметр – это мощность. Определить значение можно посредством показателей ЭДС, напряжения и углового сопротивления.

Принцип действия

С принципом работы устройства разобраться не так уж сложно. Он заключается во вращении магнитной рамки с целью создания электрического поля. В процессе вращения рамки возникают магнитные линии, начинающие пересекать ее контур. Пересечение способствует образованию электрического тока.

Чтобы определить, куда движутся потоки электрической энергии, необходимо воспользоваться правилом буравчика. При этом стоит отметить, что на некоторых участках движение тока противоположное. Направления постоянно меняются при достижении очередного полюса, который расположен на магните. Такое явление называется переменным током, и доказать это условие способно подключение рамки к отдельному магнитному кольцу.

Зависимость между величиной тока в рамке и скоростью вращения ротора системы пропорциональная. Таким образом, чем сильнее будет вращаться рамка, тем больше электричества сможет поставить генератор. Такой показатель характеризуется частотой вращения.

Согласно установленным нормам, оптимальный показатель частоты вращения в большинстве стран не должен превышать 50 Гц. Это значит, что ротор должен выполнять 50 колебаний в секунду. Для вычисления параметра необходимо условиться, что один поворот рамки приводит к изменению направления тока.

Если вал успевает повернуться 1 раз за секунду, это означает, что частота электрического тока составляет 1 Гц. Таким образом, для достижения показателя в 50 Гц потребуется обеспечить правильное количество вращений рамки за секунду.

В процессе эксплуатации нередко происходит возрастание числа полюсов электромагнита. Их удается задержать посредством уменьшения скорости, с которой вращается ротор.

Зависимость в этом случае обратно пропорциональная. Таким образом, чтобы обеспечить частоту в 50 Гц, потребуется снизить скорость примерно в 2 раза.

Дополнительно стоит отметить, что в некоторых странах установлены другие нормы вращения ротора. Стандартным показателем частоты является показатель в 60 Гц.

Виды

Сегодня производители выпускают несколько видов синхронных генераторов. Среди существующих классификаций особого внимания заслуживают несколько. В первую очередь стоит рассмотреть деление агрегатов по конструктивному устройству. Генераторы бывают двух видов.

• Бесщеточный. Конструкция электрогенератора подразумевает использование обмоток статора. Они размещены так, чтобы сердечники элементов совпадали с направлением либо магнитных полюсов, либо сердечников, которые предусмотрены на катушке. Максимальное количество зубьев магнита не должно превышать 6 штук.

• Синхронный, оборудованный индуктором. Если речь идет о регулировочных машинах, работающих на небольшой мощности, то в качестве ротора используют магниты постоянного тока. В противном случае ротором является обмотка индуктора.

Следующая классификация подразумевает деление мобильных станций на отдельные виды.

• Гидрогенераторы. Отличительная черта устройства – ротор с выраженными полюсами. Такие агрегаты используют для производства электроэнергии там, где нет необходимости в обеспечении большого количества оборотов устройства.

• Турбогенераторы. Отличие – отсутствие выраженных полюсов. Устройство собирают из различных турбин, оно способно в несколько раз повысить количество оборотов ротора.

• Синхронные компенсаторы. Используется для достижения реактивной мощности – важного показателя на промышленных объектах. С его помощью удается повысить качество подаваемого тока и стабилизировать показатели напряжения.

Выделяют несколько распространенных моделей подобных устройств.

• Шаговые. Их используют для обеспечения работоспособности приводов, установленных в механизмах, которые имеют цикл работы старт-стоп.

• Безредукторные. В основном используются в автономных системах.

• Бесконтактные. Востребованы в качестве основных или резервных мобильных станций на судах.

• Гистерезисные. Такие генераторы задействуют для счетчиков времени.

• Индукторные. Обеспечивают работу электроустановок.

Еще один вид деления агрегатов – тип используемого ротора. В этой категории генераторы делятся на устройства с явнополюсным ротором и неявнополюсным.

Первые представляют собой устройства, в которых четко просматриваются полюса. Они отличаются небольшой скоростью вращения ротора. Вторая категория имеет в своей конструкции цилиндрический ротор, у которого отсутствуют выступающие полюса.

Область применения

Синхронные генераторы – устройства, предназначенные для добычи переменного тока. Встретить такие устройства можно на различных станциях:

• атомных;
• тепловых;
• гидроэлектростанциях.

А также агрегаты активно используются в транспортных системах. Их применяют в различных автомобилях, в судовых системах. Синхронный генератор способен работать как в автономном режиме, отдельно от электрической сети, так и одновременно с ней. При этом удается подключить сразу несколько агрегатов.

Преимуществом станций, вырабатывающих переменный ток, является возможность обеспечить выделенное пространство электроэнергией. Удобно, если объект находится далеко от центральной сети. Поэтому агрегаты пользуются спросом у владельцев ферм, отдаленных от города населенных пунктов.

Как выбрать?

При выборе генератора важно найти подходящее и надежное устройство, которое сможет обеспечить электроэнергией отведенную площадь. Для начала необходимо определиться с техническими параметрами будущего устройства. Специалисты советуют обратить внимание на:

• массу электрогенератора;
• габариты устройства;
• мощность;
• расход топлива;
• показатель шума;
• продолжительность работы.

А также важным параметром является возможность организации автоматической работы. Чтобы понять, сколько фаз требуется будущему генератору, необходимо определиться с типом и количеством электроприборов, которые будут к нему подключаться.

Например, к однофазному электрогенератору могут подключиться только потребители с одной фазой. Трехфазная заметно расширяет этот показатель.

Однако не всегда покупка подобной мобильной электростанции становится лучшим решением.

Перед покупкой дополнительно рекомендуется учесть нагрузку, которая будет оказана на устройство во время его работы. На каждую фазу должна приходиться нагрузка максимум в 30% от общего количества. Таким образом, если мощность генератора составляет 6 кВт, то в случае использования розеток с напряжением в 220 В удастся задействовать только 2 кВт.

Покупка трехфазного генератора востребована только тогда, когда в доме много трехфазных потребителей. Если большинство приборов однофазные, лучше приобрести соответствующий агрегат.

Эксплуатация

Перед запуском электрогенератора необходимо сначала провести его регулировку. В первую очередь настраивают частоту работы устройства. Сделать это можно двумя способами:

1. поменять конструкцию агрегата, заранее предусмотрев, какое количество полюсов необходимо для работы электромагнита;
2. обеспечить требуемую частоту вращения вала без каких-либо изменений в конструкции.

Яркий пример – тихоходные турбины. Они обеспечивают вращение ротора в 150 оборотов в минуту. Для настройки частоты используют первый способ, увеличивая количество полюсов до 40 штук.

Следующим параметром, который необходимо настроить, является ЭДС. Возникает необходимость регулировки из-за изменений характеристик поступающих нагрузок, действующих на мобильную станцию.

Несмотря на то что ЭДС индукции устройства связана с ротором и его вращениями, из-за требований безопасности нельзя разбирать конструкцию, чтобы поменять параметр.

Изменить величину ЭДС можно посредством регулировки образующегося магнитного потока. Его необходимо будет увеличить или уменьшить. За величину показателя отвечают витки обмотки, а точнее, их количество. А также повлиять на мощность магнитного потока можно посредством тока, который образует катушка.

Наладка подразумевает включение в цепь нескольких катушек. Для этого необходимо воспользоваться дополнительными реостатами или электронными схемами. Второй вариант требует настройки параметра за счет внешних стабилизаторов. Это обеспечивает надежное обслуживание.

Преимущество синхронной мобильной станции – это возможность синхронизации с другими электромашинами подобного типа. При этом во время подключения удается сопоставить скорости вращения и обеспечить нулевой фазовый сдвиг. В связи с этим мобильные электростанции востребованы в промышленной энергетике, где очень удобно их использовать в качестве резервного источника тока для повышения производственных мощностей в случае больших нагрузок.

О синхронном и асинхронном генераторе смотрите далее.

Характеристики синхронного генератора — Студопедия

Рабочие свойства синхронного генератора оцениваются его характеристиками, важнейшими из которых являются характеристики: холостого хода, трехфазного короткого за­мыкания, индукционная нагрузочная, внешние и регулиро­вочные.

Характеристика холостого хода Е= f(I_B) рассмотрена в предыдущей лекции.

Характеристика трехфазного короткого замыкания представляет собой зависимость тока якоря при коротком замыкании от тока возбуждения I_K= f(I_B) при n=const. На рис. 11 представ­лены характеристика короткого замыкания 1 и характеристика холостого хода 2.

Рис. 11. Характеристика трехфазного короткого замыкания.

Из-за относительной малости активного сопротивления г_а обмотка якоря синхронной машины представляет собой практически чисто индуктивное сопротивление. Поэтому ток короткого замыкания отстает от ЭДС на 90° и создает в машине продольную размагничивающую реакцию якоря. Вследствие этого установившийся ток короткого замыкания в синхронном генераторе получается относительно неболь­шим. Так, при ток I_K обычно имеет значение, близ­кое к номинальному. Из-за размагничивающего действия реакции якоря при коротком замыкании машина слабо на­сыщена, и поэтому характеристика I_K= f(I_B) представляет собой линейную зависимость.

Практическое значение этой характеристики состоит в том, что при совместном ее рассмотрении с характери­стикой холостого хода по ним можно определить ненасы­щенное значение x_d, МДС реакции якоря и отношение ко­роткого замыкания.

Синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси x_d можно найти, если принять, что при коротком замыкании U=0, r_a=0, I_q=0, I_K=I_d, тогда

Построена векторная диаграмма синхронно­го генератора при трехфазном коротком замыкании. Исходя из (6), получаем

Если для произвольного тока I_В(1) по характеристике ко­роткого замыкания определить ток I_K(1), а по спрямленной характеристике холостого хода — ЭДС Е₀ (см. рис. 11), то по (7) определим ненасыщенное значение xd.

Реакцию якоря при токе I_K=I_HOM можно определить по характеристическому треугольнику (см. рис. 11). Здесь катет ВС представляет собой падение напряжения в индуктивном сопротивлении рассеяния I_HOMx_σ, а катет АВ равен МДС реакции якоря при токе I_K=I_HOM. Для явнополюсной машины эта МДС равна F_ad, а для неявнополюсной F_a. Для токов, отличных от номинального, МДС пере­считывается пропорционально току. Полученные таким путем МДС используются для построения векторных диа­грамм.

Отношением короткого замыкания (ОКЗ) называется отношение тока короткого замыкания I_K (рис. 13), воз­никающего при МДС возбуждения, соответствующей номинальному напряжению в режиме холостого хода, к номинальному току якоря:

ОКЗ характеризует влияние реакции якоря на работу машины.

Синхронные машины с малым ОКЗ дают большее из­менение напряжения при нагрузке, являются менее устойчивыми при параллельной работе, но зато такой генератор является более дешевым.

Значение ОКЗ обратно пропорционально x_d. У гидро­генераторов , а у турбогенераторов .

Индукционная нагрузочная характеристика представля­ет собой зависимость U=f(I_B) при I=const, n=const, cosφ=0. Она показывает, как изменяется напряжение генератора U с изменением тока возбуждения I_B при по­стоянном индуктивном токе нагрузки. Обычно индукцион­ная нагрузочная характеристика снимается при I=I_НОM. В качестве нагрузки используется катушка с переменной индуктивностью. Так как катушка обладает определенным; активным сопротивлением, то получить в этом случае cosφ=0 нельзя. Но опыт показывает, что при снятии рас­сматриваемой характеристики достаточно установить cosφ<0,2.

На рис. 14 представлена индукционная нагрузочная характеристика (1).

Рис. 14. Индукционная нагрузочная характеристика.

Точка А, соответствующая короткому замыканию, может быть получена из характеристики ко­роткого замыкания по току I, при котором снималась на­грузочная характеристика. На рис. 14 изображена так­же характеристика холостого хода (2). Так как ток I при r_a=0 является практически реактивным, то I=I_d и ре­акция якоря в этом случае будет продольной размагничи­вающей. Вследствие этого, а также из-за падения напряжения в цепи якоря нагрузочная характеристика будет проходить ниже характеристики хо­лостого хода.

Рис. 15. Векторная диаграмма синхронного генератора при cosφ=0.

На рис. 15 дана векторная диаграмма для явнополюсного генератора при cosφ=0.

Нагрузочная характеристика при I=const может быть построена по треугольнику ВСА (рис. 14), по­лученному при токе I_K=I. Если тре­угольник ВСА передвигать парал­лельно самому себе так, чтобы вер­шина С скользила по характеристи­ке холостого хода, то точка А опи­шет нагрузочную характеристику (кривая ). В верхней части харак­теристики этот треугольник займет положение B’С’А’. Опытная индук­ционная нагрузочная характеристика в действительности не вполне со­впадает с характеристикой, постро­енной по характеристическому треугольнику, а отклоняется от нее вправо (кривая 1 на рис. 14). Расхождение в опытных и расчетных характеристи­ках происходит из-за неточного учета потока рассеяния обмотки возбуждения при нагрузке, что вызывает повы­шенное насыщение магнитной системы ротора.

По опытным характеристикам холостого хода и нагру­зочной с некоторым приближением можно определить сто­роны характеристического треугольника. При U=U_HOM проводится прямая, параллельная оси абсцисс. Из точки А» на этой прямой откладывают отрезок А»О»=АО. Из точки О» проводится прямая, параллельная прямолиней­ной части характеристики холостого хода, до пересечения с характеристикой холостого хода в точке С». Опустив из точки С» перпендикуляр на линию О»А», получим иско­мый треугольник »ѻА». Определив отрезок »ѻ в масштабе напряжения, найдем

Полученное таким образом сопротивление х_р будет не­сколько больше индуктивного сопротивления рассеяния х_σ:

где меньшие значения коэффициента относятся к неявнополюсным генераторам.

Расхождение между этими сопротивлениями объясня­ется несовпадением опытной и расчетной нагрузочных ха­рактеристик. Сопротивление х_р называют сопротивлением Потье. Отрезок DD’ на рис. 14 соответствует уменьше­нию напряжения из-за размагничивающего действия ре­акции якоря, а отрезок D’A» — из-за падения напряжения в сопротивлении х_σ.

Внешние характеристики являются основными эксплуа­тационными характеристиками генератора. Они показыва­ют, как изменяется напряжение на выводах генератора U при изменении тока нагрузки I, если I_B=const, cosφ=const. На характер внешних характеристик сильное влияние оказывает cosφ. На рис. 16 показаны внешние характеристики при. трех значениях cosφ. Для всех харак­теристик исходной точкой являлась точка, соответствую­щая номинальному напряжению при номинальном токе якоря. Токи возбуждения, полученные при установке исходной точки, в дальнейшем поддерживаются неизменны­ми. Изменение тока I производится нагрузочным резисто­ром, включенным в цепь якоря.

При активно-индуктивной нагрузке (φ>0) с уменьше­нием тока I напряжение на выводах машины возрастает, так как уменьшаются влияния размагничивающего дейст­вия продольной реакции якоря и падения напряжения . Чем ниже cosφ, тем сильнее влияние продоль­ной реакции якоря, вследствие чего напряжение при уменьшении тока I будет увеличиваться резче.

При cosφ=1 (рис. 17) в машине также будет иметь место продольная размагничивающая реакция якоря (F_ad≠0), вследствие ослабления действия которой при уменьшении тока I напряжение U будет увеличиваться, но в меньшей мере, чем при cosφ<1.

Если нагрузка активно-емкостная (φ<0), то продольная реакция якоря имеет намагничивающий характер и напря­жение уменьшается при снижении тока I.

По внешним характеристикам определяют процентное изменение напряжения:

где Е₀ — ЭДС холостого хода (I=0).

Как видно из рис. 16, при cosφ=1 и cosφ<1 (φ>0) , а при cosφ≠1 (φ<0) .

Регулировочные характеристики представляют зависи­мость I_B=f(I) при U=const, cosφ=const. Регулировоч­ные характеристики показывают, как нужно изменять ток возбуждения I_B для того, чтобы поддерживать неизменным напряжение на выводах генератора при изменении тока нагрузки I. Предполагается, что характер нагрузки и часто­та вращения при этом остаются постоянными.

На рис. 18 показаны регулировочные характеристики для трех значений cosφ. При активно-индуктивной (φ>0) и активной (φ=0) нагрузках в машине существует про­дольная размагничивающая реакция якоря, которая при увеличении тока якоря возрастает. Чтобы сохранить по­стоянным напряжение, необходимо при росте нагрузки компенсировать размагничивающее действие продоль­ной реакции якоря за счет увеличения тока возбуждения. Регулировочные характеристики для cosφ<1 (φ>0) и cosφ=1 имеют возрастающий характер. При активно-емкостной нагрузке (φ<0) продольная реакция якоря на­магничивающая и для сохранения потока и ЭДС на нуж­ном уровне ток возбуждения приходится уменьшать. Регу­лировочная характеристика для данного случая будет иметь падающий характер.

11.5. Основные характеристики синхронного генератора

Глава   одиннадцатая

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

11.5. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Для оценки свойств синхронных генераторов используют те же характеристики, что и для генераторов постоянного тока. Только условия, при которых определяются внешняя и регулировочная характеристики, несколько дополняются.

Рис.   11.6.   Внешние  характеристики синхронного генератора

Рис. 11.7. Регулировочные характеристики синхронного генератора

11.5.1. Характеристика холостого хода. Основной магнитный поток синхронного генератора является функцией тока возбуждения, т. е. Ф0 (Iв).

Если в (11.1) заменить f согласно (11.2), а магнитный поток записать   как   функцию   тока   возбуждения   Ф0(Iв),   получим

(11.10)

Изменяя с помощью реостата rр (см. рис. 11.4) ток Iв , можно менять тем самым поток Ф0 и, следовательно, ЭДС Е0. Характеристика холостого хода синхронного генератора Е0 (Iв) не отличается от характеристики холостого хода генераторов постоянного тока (см. рис. 9.13) и определяется при тех же условиях, т. е. при I = 0 и n = const.

11.5.2. Внешние характеристики. Как говорилось ранее, внешняя характеристика генератора независимого возбуждения U(I) определяется при следующих условиях: n = const и Iв = const. Так как напряжение синхронного генератора зависит при прочих равных условиях еще от характера нагрузки, то дополнительным условием, при котором следует определять внешнюю характеристику синхронного генератора, должно быть постоянство коэффициента мощности, т. е. cos φ = const.

Внешние характеристики синхронного генератора при активной (φ = 0), активно-индуктивной (φ > 0) и активно-емкостной (φ < 0) нагрузках приведены на рис. 11.6. Они являются наглядной иллюстрацией того, что говорилось в § 11.4 о влиянии характера нагрузки на напряжение генератора.

Относительное изменение напряжения генератора, %, оценивают по формуле

где Uх — напряжение генератора при холостом ходе (I = 0), равное ЭДС; Uном — напряжение при номинальной нагрузке (I = Iном).

В случае наиболее часто встречающейся активно-индуктивной нагрузки при cos φ ≈ 0,8 относительное изменение напряжения Δuном у некоторых генераторов доходит до  35 — 45%.

11.5.3. Регулировочные характеристики. Естественно, что поскольку напряжение синхронного генератора изменяется при изменении нагрузки в значительных пределах, необходимо принимать меры для уменьшения изменения напряжения. Этого можно добиться, очевидно, за счет соответствующего изменения ЭДС генератора E0 путем воздействия на его ток возбуждения Iв. О том, как и в каких пределах необходимо изменять ток возбуждения при изменении тока нагрузки генератора, чтобы поддерживать U = const, и дают представление регулировочные характеристики (рис. 11.7).

Дополнительным условием, при котором должна определяться каждая из характеристик (кроме n = const), является cos φ = const.

Следует обратить внимание на то, что для нормальных условий работы приемников электрической энергии необходимо поддерживать напряжение и частоту синхронного генератора на заданных уровнях. Для этого синхронные генераторы снабжаются в большинстве случаев регуляторами, управляющими напряжением и частотой вращения генераторов и воздействующими на ток возбуждения генераторов и момент первичного двигателя.

Характеристики синхронного генератора

Свойства синхронного генератора определяются характери­стиками холостого хода, короткого замыкания, внешними и регу­лировочными.

Характеристика холостого хода синхронного генератора.Представляет собой график зависимости напряжения на выходе генератора в режиме х.х. U₁ = E₀от тока возбуждения I_в0 при n₁ = const. Схема включения синхронного генератора для снятия ха­рактеристики х.х. приведена на рис. 88, а. Если характеристики х.х. различных синхронных генераторов изобразить в относительных единицах ¦(I_в*), то эти характеристики мало отличаются друг от друга и будут очень схожи с нормальной характеристикой х.х. (рис. 88, б), которую используют при расчетах синхронных машин:

Е_*……………. 0,58 1,0 1,21 1,33 1,40 1,46 1,51

I_в*…………….. 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Здесь E_* = E₀/U_1ном – относительная ЭДС фазы обмотки ста­тора; I = I_в0/I_в0ном – относительный ток возбуждения; I_в0ном – ток возбуждения в режиме х.х., соответствующий ЭДС х.х. Е₀ = U_1ном.

Характеристика короткого замыкания.Характеристику трехфазного к.з. получают следующим образом: выводы обмотки статора замыкают накоротко (рис. 89, а) и при вращении ротора с частотой вращения n₁постепенно увеличивают ток возбуждения до значения, при котором ток к.з. превышает номинальный рабо­чий ток статорной обмотки не более чем на 25% (I_1к = 1,25×I_1ном). Так как в этом случае ЭДС обмотки статора имеет значение, в не­сколько раз меньшее, чем в рабочем режиме генератора, и, следо­вательно, основной магнитный поток весьма мал, то магнитная цепь машины оказывается ненасыщенной. По этой причине ха­рактеристика к.з. представляет собой прямую линию (рис. 89, б). Активное сопротивление обмотки статора невелико по сравне­нию с ее индуктивным сопротивлением, поэтому, принимая r₁ » 0, можно считать, что при опыте к.з. нагрузка синхронного генерато­ра (его собственные обмотки) является чисто индуктивной. Из этого следует, что при опыте к.з. реакция якоря синхронного гене­ратора имеет продольно-размагничивающий характер.

Рис. 88. Опыт холостого хода синхронного генератора

Векторная диаграм­ма, построенная для ге­нератора при опыте трехфазного к.з., пред­ставлена на рис. 89, в. Из диаграммы вид­но, что ЭДС , инду­цируемая в обмотке ста­тора, полностью урав­новешивается ЭДС продольной реакции якоря и ЭДС рассеяния :

.

Рис. 89. Опыт короткого замыкания син­хронного генератора

При этом МДС обмотки возбуждения имеет как бы две со­ставляющие: одна ком­пенсирует падение на­пряжения , а дру­гая компенсирует раз­магничивающее влия­ние реакции якоря .

Характеристики к.з. и х.х. дают возможность определить значения токов возбуждения, со­ответствующие указан­ным составляющим МДС возбуждения. С этой целью характери­стики х.х. и к.з. строят в одних осях (рис. 90), при этом на оси ор­динат отмечают относительные значения напряжения х.х. E_* = E₀/U_1номи тока к.з. I_к* = I_1к/I_1ном. На оси ординат отклады­вают отрезок ОВ, выражающий в масштабе напряжения относительное значение ЭДС рассеяния . Затем точку Всносят на характеристику х.х. (точка В’) и опускают перпендикуляр B’Dна ось абсцисс. Полученная точка Dразделила ток возбуждения I_в0ном на две части: I_вх– ток возбуждения, необходимый для компен­сации падения напряжения , и – ток возбуждения, компен­сирующий продольно-размагничивающую реакцию якоря.

Рис. 90. Определение составляющих тока к.з.

Один из важных параметров синхронной машины – отно­шение короткого замыкания (ОКЗ), которое представляет собой отношение тока возбуж­дения I_в0ном соответствующего номинальному напряжению при х.х., к току возбуждения I_{в.к.ном,}соответствующему номиналь­ному току статора при опыте к.з. (рис. 89, б):

ОКЗ = I_в0ном/ I_в.к.ном. (20.34)

Для турбогенераторов ОКЗ = 0,4 ¸ 0,7; для раторов ОКЗ = 1,0 ¸ 1,4.

ОКЗ имеет большое практическое значение при оценке свойств синхронной машины: машины с малым ОКЗ менее устой­чивы при параллельной работе, имеют значительные колебания напряжения при изменениях нагрузки, но такие маши­ны имеют меньшие габариты и, следовательно, дешевле, чем ма­шины с большим ОКЗ.

Внешняя характеристика.Представляет собой зависимость напряжения на выводах обмотки статора от тока нагрузки: U₁ = ¦(I₁) при I_в = const; cosφ₁ = const; n₁ = n_ном = const. На рис. 91, а представлены внешние характеристики, соответствующие различным по характеру нагрузкам синхронного генератора.

При активной нагрузке (cosφ₁ = 1) уменьшение тока на­грузки I₁сопровождается ростом напряжения U₁, что объясняется уменьшением падения напряжения в обмотке статора и ослабле­нием размагничивающего действия реакции якоря по поперечной оси. При индуктивной нагрузке (cosφ₁ < 1; инд.) увеличение U₁при сбросе нагрузки более интенсивно, так как с уменьшением тока I₁ослабляется размагничивающее действие продольной со­ставляющей реакции якоря. Однако в случае емко­стной нагрузки генератора (cosφ₁ < 1; емк.) уменьшение I₁со­провождается уменьшением напряжения U₁, что объясняется ослаблением подмагничивающего действия продольной состав­ляющей реакции якоря.

Изменение напряжения синхронного генератора, вызванное сбросом номинальной нагрузки при I_в = const и n₁ = const, называется номинальным изменением (повышением) напряжения (%):

(20.35)

При емкостной нагрузке генератора сброс нагрузки вызывает уменьшение напряжения, а поэтому DU_1номотрицательно.

В процессе эксплуатации синхронного генератора напряжение U₁при колебаниях нагрузки поддерживается неизменным посредством быстродействующих автоматических регуляторов. Однако во избежа­ние повреждения изоляций обмотки DU_ном не должно превышать 50%.

Рис. 91. Внешние (а) и регулировочные (б) характеристики син­хронного генератора

Регулировочная характеристика.Она показывает, как следует изменять ток возбуждения генератора при изменениях нагрузки, что­бы напряжение на зажимах генератора оставалось неизменно равным номинальному: I_в = ¦(I₁) при U₁ = U_1ном = const; n₁ = n_ном = const и cosφ₁ = const. На рис. 91, б представлены регулировочные харак­теристики синхронного генератора. При активной нагрузке (cosφ₁ = 1) увеличение тока нагрузки I₁сопровождается уменьшени­ем напряжения U₁,поэтому для поддержания этого напряжения неиз­менным по мере увеличения тока нагрузки I₁следует повышать ток возбуждения. Индуктивный характер нагрузки (cosφ₁ <1; инд.) вызывает более резкое понижение напряжения U₁(рис. 91, а), по­этому ток возбуждения I_в, необходимый для поддержания U₁ = U_1ном, следует повышать в большей степени. При емкостном же харак­тере нагрузки (cosφ₁ < 1; емк.) увеличение нагрузки сопровождается ростом напряжения U₁, поэтому для поддержания U₁ = U_1ном, ток воз­буждения следует уменьшать.

Контрольные вопросы

1. Из каких участков состоит магнитная цепь явно полюсной синхронной ма­шины?

2. В чем состоит явление реакции якоря?

3. Каково действие реакции якоря при активной, индуктивной и емкостной на­грузках синхронного генератора?

4. Какие ЭДС наводят в обмотке статора явнополюсного синхронного генера­тора магнитные потоки реакции якоря и каким индуктивным сопротивлени­ям эти ЭДС эквивалентны?

5. Почему характеристика к.з. синхронной машины имеет вид прямой линии?

6. Что такое ОКЗ и как влияет этот параметр на свойства синхронного генера­тора?

7. Что такое номинальное изменение напряжения при сбросе нагрузки и почему при емкостной нагрузке его величина отрицательна?

8. Определите изменение напряжения при сбросе нагрузки для примера 20.2, если генератор работал с нагрузкой, равной половине номинальной?

9. Какие виды потерь имеют место в синхронной машине?

Лекция № 16

Похожие статьи:

Внешние и регулировочные характеристики синхронного генератора — Студопедия

Построение внешних характеристик.Внешние характеристики синхронного генератора представляют собой зависимости напряжения U от тока нагрузки I_апри неизменных токе возбуждения I_в, угле φ и частоте f₁(постоянной частоте вращения ротора n₂).

Рис. 1.26 – Упрощенные векторные диаграммы синхронной неявнополюсной машины

Они могут быть построены при помощи векторных диаграмм. Допустим, что при номинальной нагрузке I_аном генератор имеет номинальное напряжение U_ном, что достигается соответствующим выбором тока возбуждения. При уменьшении тока нагрузки до нуля напряжение генератора станет равным э.д. с. холостого хода Е₀. Таким образом, векторная диаграмма, построенная при номинальной нагрузке, сразу дает две точки внешней характеристики. Форма внешней характеристики зависит от характера нагрузки, т.е. от угла сдвига фаз φ между Ù и İ_а, так как в зависимости от этого угла изменяется величина вектора Ė₀(при заданном значении U = U_ном).

На рис. 1.26 показаны упрощенные векторные диаграммы генератора с неявно выраженными полюсами для активной (а), активно-индуктивной (б)и активно-емкостной (в) нагрузок. При активной и активно-индуктивной нагрузках Е₀> U; при активно-емкостной нагрузке Е₀< U. Таким образом, в первых двух случаях при увеличении нагрузки напряжение генератора уменьшается, в третьем – увеличивается. Это объясняется тем, что при активно-емкостной нагрузке имеется продольная намагничивающая составляющая реакции якоря, а в двух других случаях–продольная размагничивающая (при чисто активной нагрузке угол ψ > 0).

Рис. 1.27 – Внешние характеристики синхронного генератора при различном характере нагрузки

На рис. 1.27 изображены внешние характеристики генератора при различных видах нагрузки, полученные при одинаковом для всех характеристик значении U_ном(а) и при одинаковом значении U_o = E_o (б). Во втором случае при U = 0 (короткое замыкание) все характеристики пересекаются в одной точке, соответствующей значению тока короткого замыкания I_к.

Изменение напряжения.При переходе от режима холостого хода к режиму номинальной нагрузки изменение напряжения характеризуется величиной

(1.24)

Обычно генераторы работают с cosφ = 0,9 ÷ 0,85 при отстающем токе. В этом случае Δu_% = 25 ÷ 35%. Чтобы подключенные к генератору потребители работали при напряжении, близком к номинальному, требуется применять специальные устройства, стабилизирующие его выходное напряжение U, например быстродействующие регуляторы тока возбуждения. Чем больше Δи_%, тем более сложным получается регулирующее устройство, а поэтому желательно иметь генераторы с небольшой величиной Δи_%. Однако небольшую величину Δи_% можно получить, уменьшая синхронное индуктивное сопротивление х_сн (в неявнополюсных машинах) или соответственно х_dи x_q(в явнополюсных машинах), т.е. поток якоря, для чего требуется увеличивать воздушный зазор между ротором и статором. При таком способе уменьшения Δи_% необходимо увеличивать м.д. с. обмотки возбуждения, что заставляет увеличивать размеры этой обмотки и делать в конечном итоге синхронную машину более дорогой.

В мощных турбогенераторах мощность ограничивается именно размерами ротора, на котором размещена обмотка возбуждения. Поэтому в современных турбогенераторах с повышением мощности машины одновременно возрастает и изменение напряжения Δи_%.

В гидрогенераторах (по сравнению стурбогенераторами) воздушный зазор обычно имеет гораздо большую величину, поэтому у них относительно слабее проявляется реакция якоря, т.е. они имеют меньшие синхронные индуктивные сопротивления, выраженные в относительных единицах, что обусловливает и меньшее изменение напряжения Δи_%.

Рис. 1.28 – Регулировочные характеристики синхронного генератора при различном характере нагрузки

Регулировочные характеристики синхронного генератора.Эти характеристики (рис. 1.28) представляют собой зависимости тока возбуждения I_в от тока нагрузки I_апри неизменных напряжении U, угле φ и частоте f₁. Они показывают, как надо изменять ток возбуждения генератора, чтобы поддерживать его напряжение неизменным при изменении тока нагрузки. Очевидно, что при возрастании нагрузки необходимо при φ > 0 увеличивать ток возбуждения, а при φ < 0-уменьшать его. Чем больше угол φ по абсолютной величине, тем в большей степени требуется изменять ток возбуждения.

Устройство, принцип действия и конструкция синхронного генератора, режимы работы

Синхронным генератором (СГ) называют устройство, выполняющее функцию трансформации механической энергии в электрическую. Принцип работы и устройство синхронного генератора достаточно просты и надежны. Такое энергетическое оборудование востребовано для использования в мобильных авторемонтных мастерских, для ремонта и обслуживания станков-качалок, спецмашин нефтегазовой отрасли, на ГЭС, ТЭС, АЭС, в транспортных системах.

Основные конструктивные элементы

Основные части синхронного генератора: неподвижная — статор, вращающаяся — ротор, представляющая собой электромагнит, и две основные обмотки.

1. Одна обмотка статора («обмотка возбуждения») запитывается от источника постоянного тока, функцию которого выполняет электронный регулятор напряжения. Регулятор используется в генераторах с самовозбуждением. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение осуществляется с использованием остаточного магнетизма магнитопровода СГ. При этом энергия переменного тока поступает от обмотки статора СГ. Комплекс из понижающего трансформатора и полупроводникового выпрямителя-преобразователя трансформирует ее в энергию постоянного тока.
2. Ток, протекающий в обмотке возбуждения статора, наводит ЭДС на обмотке возбуждения якоря генератора. Статор возбудителя, как конструкционный элемент может отсутствовать, и тогда его функции выполняют постоянные магниты.
3. Обмотка ротора, в которой индуцируется ЭДС, называется обмоткой возбуждения якоря, или якорем возбудителя.
4. Переменное напряжение, возникающее на обмотке якоря возбудителя, выпрямляется в блоке вращающихся диодов, которые так же называются словосочетанием «диодный мост», и превращает силовую обмотку ротора во вращающийся электромагнит, который наводит ЭДС в силовой обмотке статора СГ.
5. Силовые обмотки и обмотки возбуждения монтируются в пазы якоря и ротора.
6. Генераторы по типу выходного напряжения делятся на одно-, или трехфазные. Основное распространение в промышленности имеют трехфазные синхронные генераторы, а в быту — однофазные.

В конструкцию статора входит корпус, внутри которого расположен сердечник, или пакет, собираемый из листов электротехнической стали особой формы. На качество электрического тока влияют такие факторы как: цельность листов в пакете (бывают цельными или составными), качество и материал обмотки. Для обмотки применяется медный эмаль-провод, а в дешевых устройствах возможна замена меди на алюминий.

Роторы изготавливаются явнополюсными или неявнополюсными.

• Явнополюсные роторы предназначены для синхронных генераторов, работающих с двигателями внутреннего сгорания с низкой частотой вращения — 1500 и 3000 об/мин.
• Неявнополюсные роторы востребованы в высокоскоростных (более 3000 об/мин) механизмах переменного электрического тока высокой мощности. Обычно их размещают на одном валу с паровыми турбинами. Такие СГ называют «турбогенераторы».

Определение скорости вращения

Понятие «синхронный» означает, что число оборотов находится в прямой математической зависимости от частоты тока. Эта зависимость определяется по формуле n = 60*f/p, где:

• n — скорость вращения, об/мин;
• f — частота, в бытовой электрической сети она равна 50 Гц;
• p — количество пар полюсов.

Принцип работы СГ

Принцип действия машины в режиме синхронного генератора:

1. При пропускании через обмотку возбуждения постоянного тока образуется стабильное во времени магнитное поле с чередующейся полярностью.
2. При вращении магнитного поля относительно проводников обмотки якоря возбуждаются переменные ЭДС.
3. Переменные ЭДС суммируются, образуя ЭДС фаз. Трехфазная система образуется тремя одинаковыми обмотками, размещаемыми на якоре под электрическим углом друг к другу, равным 120°.

В случаях, если централизованное электроснабжение имеет недостаточную мощность или отсутствует, как, например, на удаленных стройплощадках, нефтегазодобывающих объектах, морских и воздушных судах, СГ в составе с двигателем внутреннего сгорания функционируют в автономном режиме. При необходимости создания мощных источников питания синхронные двигатели включают на параллельную работу. Такой способ включения позволяет более полно использовать мощность каждой машины и при необходимости выводить отдельные СГ в ремонт без прекращения эффективного электроснабжения потребителей.

Второй режим работы синхронной машины — выполнение функций электродвигателя. Обычно СГ востребован в качестве двигателя в высокомощных установках более 50 кВт. Для работы в режиме электродвигателя обмотку статора подключают к электросети, а обмотку ротора — к источнику постоянного тока. Вращающий момент возникает при взаимодействии вращающегося магнитного поля СГ с постоянным током обмотки возбуждения.

Внешняя характеристика синхронного генератора (ЭМ) — Студопедия

Внешняя характеристика

Внешняя характеристика представляет собой зависимость напряжения на выводах обмотки статора от тока нагрузки: U₁= f(I₁) при I_в = const; cos φ = const; п₁ = п_иом =const. На рис. 3.4, а представлены внешние характеристики, соответст­вующие различным по характеру нагрузкам синхронного гене­ратора.

При активной нагрузке (cos φ₁ = l): уменьшение тока нагрузки I₁ сопровождается ростом напряжения U₁, что объяс­няется уменьшением падения напряжения в обмотке статора и ослаблением размагничивающего действия реакции якоря по по­перечной оси. При индуктивной нагрузке (cos φ < 1; инд.): увеличение U₁ при сбросе нагрузки более интенсивно, так как с уменьшением тока I₁ ослабляется размагничивающее действие продольной составляющей реакции якоря. Однако в случае емкостной нагрузки генератора (cos φ< l; емк.) уменьшение I₁ сопровождается уменьшением напряжения U, что объясняется ослаблением подмагничивающего действия про­дольной составляющей реакции якоря.

Изменение напряжения синхронного генератора, вызванное сбросом номинальной нагрузки при I_в = const и n₁ = const, называется номинальным изменением (повышением) напряже­ния, %:

100 %. (3.3)

При емкостной нагрузке генератора сброс нагрузки вызывает уменьшение напряжения, а поэтому отрицательно.

В процессе эксплуатации синхронного генератора напряже­ние U₁ при колебаниях нагрузки поддерживается неизменным посредством быстродействующих автоматических регуляторов. Однако во избежание повреждения изоляций обмотки не должно превышать 50 %.

3.3. Регулировочная характеристика

Регулировочная характеристика показывает, как следует менять ток возбуждения генератора при изменениях нагрузки, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось постоянно равным номинальному: I_в = f(I₁) при U₁ = = U_1ном = const; n₁ = n_ном = const и cos φ₁ = const. На рис. 3.4, б представлены регулировочные характеристики СГ.

Рис. 3.4. Внешние (а) и регулировочные (б) характерис­тики синхронного генератора

При активной нагрузке (cos φ₁ = 1) увеличение тока нагрузки I₁ сопровождается уменьшением напряжения U₁, поэтому для под­держания этого напряжения неизменным по мере увеличения тока нагрузки I₁ следует повышать ток возбуждения. Индук­тивный характер нагрузки (cos φ₁ < 1; инд.) вызывает более резкое понижение напряжения U₁ (рис. 3.4, а), поэтому ток возбуждения I_в, необходимый для поддержания U₁ = U_1ном, сле­дует повышать в большей степени. При емкостном же характере нагрузки (cosφ₁ < 1; емк.) увеличение нагрузки со­провождается ростом напряжения U₁, поэтому для поддержания U₁ = U_1ном ток возбуждения следует уменьшать.

Нагрузочные характеристики, коэффициент ширины и коэффициент тангажа

Индуцированный ЭДС в синхронном генераторе:

e = B l v вольт

где

B = плотность потока Вт / м2

v = скорость (м / с)
движение

l = длина проводов в метрах.

Частота синхронного генератора:

Частота
генерируемое напряжение соответствует

f = NP / 120

, где P — общее количество
полюсов, а N — скорость в
р.вечера.

Коэффициент ширины синхронного генератора:

(K _b )
= Напряжение, полученное в
многопазовая намотка
/ Напряжение, получаемое, если обмотки
все сосредоточены в одном слоте

Таким образом
коэффициент ширины всегда меньше единицы.

Математически,

К _б =
(sin δ n / 2) / (π sin δ / 2)

_{где n — номер слота, а — шаг слота.}

Коэффициент шага синхронного генератора:

Укорочение шага
катушки имеет тот же эффект, что и распределение обмотки. Когда
витки обмоток проходят полный шаг, происходит небольшая потеря
наведенная ЭДС. Коэффициент шага (K _p ) равен

.

К _p = cos θ / 2

для катушки, которая
простирается на (180 ° — θ) вместо 180 °.

Величина
Индуцированная ЭДС в генераторах / фаза:

E _RMS = 4,44 Kp Kb φ
f.T. вольт

Синхронное реактивное сопротивление:

X _с = X _L + X _A

где

X _L = реактивное сопротивление утечки;

X _A = Реактивное сопротивление якоря.

Синхронный импеданс:

Z _с = (R ² + X ² _с ) ^1/2

ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА:

(1) Характеристики разомкнутой цепи синхронного генератора:

(кривая намагничивания).

(2) Характеристики короткого замыкания синхронного генератора:

(напряжение на клеммах относительно тока)

.

Что такое синхронные генераторы? — Контур Глобус

Определение: Синхронный генератор или генератор переменного тока — это электрическая машина, которая преобразует механическую энергию от первичного двигателя в электрическую мощность переменного тока с определенным напряжением и частотой. Синхронный двигатель всегда работает с постоянной скоростью, называемой синхронной скоростью.

Принцип работы синхронного генератора

Синхронный генератор работает по принципу законов Фарадея электромагнитной индукции.Электромагнитная индукция утверждает, что электродвижущая сила индуцируется в катушке якоря, если она вращается в однородном магнитном поле. ЭДС также будет генерироваться, если поле вращается и проводник становится неподвижным. Таким образом, относительное движение между проводником и полем индуцирует в проводнике ЭДС. Форма волны индуцируемого напряжения всегда синусоидальная.

Строительство синхронного генератора

Ротор и статор являются вращающейся и неподвижной частью синхронного генератора.Они являются энергогенерирующими элементами синхронного генератора. Ротор имеет полюс возбуждения, а статор состоит из проводника якоря. Относительное движение между ротором и статором вызывает напряжение между проводником.

Применение синхронного генератора

Трехфазные синхронные генераторы имеют много преимуществ в производстве, передаче и распределении. Большие синхронные генераторы используются в атомных, тепловых и гидроэнергетических системах для генерации напряжения.

На электростанции используется синхронный генератор мощностью 100 МВА. Трансформатор номинальной мощности 500 МВА используется на супер-тепловых электростанциях. Синхронные генераторы являются основным источником электроэнергии. Для выработки большой мощности используется статор синхронного генератора для номинального напряжения от 6,6 кВ до 33 кВ.

.

Что такое синхронный генератор (асинхронный генератор)

Генератор — это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую.

Синхронный генератор, то есть генератор переменного тока (генератор переменного тока) с той же скоростью ротора, что и вращающееся магнитное поле статора. По конструкции его можно разделить на два типа: вращающийся якорь и вращающееся магнитное поле.

Синхронный генератор — один из наиболее часто используемых генераторов переменного тока. В современной энергетике он широко используется в гидроэнергетике, тепловой энергетике, атомной энергетике и дизельной энергетике.

Внешние характеристики синхронного генератора обычно относятся к кривой изменения напряжения на клеммах генератора, когда ток нагрузки изменяется в условиях постоянного внутреннего потенциала. Испытание в основном предназначено для проверки синхронного реактивного сопротивления вертикальной оси генератора, то есть внутреннего импеданса генератора. Это важный показатель синхронного генератора с нагрузочной способностью. Однако тиристорные обмотки быстрого возбуждения и демпфирующие обмотки в основном используются в синхронных генераторах, а синхронное реактивное сопротивление вертикальной оси в основном представляет собой переходное значение, которое намного меньше, чем значение установившегося режима.

Кроме того, из-за регулирующего воздействия системы возбуждения внешние характеристики могут быть искусственно созданы, которые могут быть положительными или отрицательными. Положительная внешняя характеристика заключается в том, что напряжение на клеммах уменьшается с увеличением тока нагрузки, а отрицательная — что напряжение на клеммах увеличивается с увеличением тока нагрузки. Систему общего возбуждения можно отрегулировать в пределах плюс-минус 15%.

Поскольку синхронный генератор обычно использует возбуждение постоянным током, когда отдельная машина работает независимо, напряжение генератора можно удобно регулировать, регулируя ток возбуждения.Если он включен в электрическую сеть, напряжение не может быть изменено, потому что оно определяется сетью. Результатом регулировки тока возбуждения в это время является регулировка коэффициента мощности и реактивной мощности двигателя.

Характеристики синхронного генератора — это в основном характеристики холостого хода и рабочие характеристики нагрузки. Эти характеристики являются важной основой для пользователей при выборе генераторов.

Классификация синхронных генераторов

Вращающийся магнитный полюс

(Большинство синхронных генераторов): полюс находится на роторе, а обмотка якоря — на статоре.Ротор подразделяется на:

Скрытый полюс: высокоскоростной двигатель (паровая турбина), распределенная обмотка;

Явный полюс: тихоходный двигатель (гидротурбина), сосредоточенная обмотка.

Вращающийся якорь

(малой емкости или специального назначения, например, возбудитель переменного тока синхронного двигателя): магнитный полюс находится на статоре, а обмотка якоря — на роторе.

Скорость изменения напряжения синхронного генератора составляет от 20 до 40%.И промышленные, и бытовые нагрузки требуют постоянного напряжения. По этой причине при увеличении тока нагрузки необходимо соответствующим образом регулировать ток возбуждения.

Структура

Структура синхронного генератора делится на высокую и низкую (среднюю) скорость в зависимости от скорости.

Первый в основном используется на тепловых электростанциях и атомных электростанциях; последнее в основном связано с тихоходными турбинами или дизельными двигателями. В структуре высокоскоростного синхронного генератора используется ротор со скрытым полюсом, а в синхронном генераторе с низкой (средней) скоростью используется ротор с явным полюсом.

Принцип работы

(1) Создание основного магнитного поля: обмотка возбуждения соединена с постоянным током возбуждения, чтобы установить магнитное поле возбуждения между полярными фазами, то есть устанавливается основное магнитное поле.

(2) Токоведущий провод: Трехфазная симметричная обмотка якоря действует как силовая обмотка и становится носителем индуктивного потенциала или индуцированного тока.

(3) Режущее движение: Первичный двигатель приводит во вращение ротор (подводит механическую энергию к двигателю), а магнитное поле возбуждения между полярными фазами вращается вместе с осью и последовательно разрезает фазные обмотки статора.

(4) Создание переменного потенциала: из-за относительного режущего движения между обмоткой якоря и основным магнитным полем в обмотке якоря индуцируется трехфазный симметричный переменный потенциал, величина и направление которого периодически меняются. Электропитание переменного тока может подаваться через подводящие провода.

(5) Значение эффекта индуктивного потенциала: эффективное значение наведенного потенциала для каждой фазы.

(6) Частота наведенного потенциала: частота наведенного потенциала определяется скоростью вращения и парами полюсов синхронного двигателя.

(7) Перекрестное изменение и симметрия: из-за полярности вращающегося магнитного поля полярность индуцированного потенциала меняется; симметрия обмотки якоря обеспечивает трехфазную симметрию наведенного потенциала.

(8) Синхронная скорость с точки зрения качества электроснабжения, частота сети переменного тока, состоящей из множества синхронных генераторов, включенных параллельно, должна быть постоянной величиной, что требует, чтобы частота генератора согласовывалась с частотой сетки.

Разница между синхронным генератором и асинхронным генератором

Синхронный генератор

Преимущества: Коэффициент мощности синхронного генератора можно регулировать. Применение большого синхронного генератора может повысить эффективность работы, когда регулирование скорости не требуется.

Недостаток : Стоимость выше, чем у асинхронного генератора.

Применение: Синхронный генератор в основном используется в дизельных генераторах.

Асинхронный генератор

Асинхронный генератор — это генератор переменного тока, в котором используется вращающееся магнитное поле воздушного зазора между статором и ротором для взаимодействия с наведенным током в обмотке ротора. По принципу работы его еще называют «индукционным генератором». Скорость немного выше синхронной скорости.

Преимущества: Асинхронный генератор — это генератор переменного тока, у которого отношение скорости нагрузки к частоте подключенной электросети непостоянно.Таким образом, он имеет преимущества простой конструкции, удобного изготовления, использования и обслуживания, надежной работы и низкой стоимости. Асинхронные генераторы обладают более высокой производительностью и лучшими рабочими характеристиками, что позволяет удовлетворить требования к трансмиссии большинства промышленного и сельскохозяйственного производственного оборудования, поскольку их частота вращения близка к постоянной в диапазоне от холостого хода до полной нагрузки.

Недостаток: Поскольку скорость асинхронного генератора имеет определенную разницу со скоростью вращения магнитного поля, производительность регулирования скорости низкая.Более экономично и удобно использовать генераторы постоянного тока для транспортного оборудования, прокатных станов, крупных станков, печатного, красильного и бумагоделательного оборудования, которые требуют широкого и плавного диапазона скоростей.

Применение: Асинхронный генератор используется в ветряных электростанциях и малых гидроэлектростанциях.

Примечание: Мы можем предоставить оригинальные Stamford, Leroy-Somer, SIEMENS, Marathon, ENGGA, Shanghai KEPU и синхронный генератор Starlight для энергетического оборудования.

.

Производительность синхронного генератора

В условиях холостого хода, когда обмотка статора (якоря) разомкнута и генератор не подает питание на нагрузку, в обмотке статора нет тока. Магнитный поток, создаваемый током возбуждения, индуцирует ЭДС в трехфазной обмотке статора.

В условиях замкнутой цепи, когда генератор работает в нагрузке, в обмотке статора течет ток. При сбалансированной нагрузке токи якоря (статора) равны по величине и сдвинуты по фазе на одну треть периода (120).Токи якоря создают магнитное поле, вращающееся со скоростью n ₁ = 60 f / p = n, , т.е. это поле вращается синхронно с полем обмотки ротора. ЭДС, наводимая в обмотке статора, зависит от магнитного потока полюсов. Если магнитный поток мал, то и ЭДС мала, и наоборот. При постоянной скорости вращения ротора ЭДС пропорциональна магнитному потоку, возбуждаемому постоянным током, протекающим в обмотке возбуждения.Повышенный ток в обмотке возбуждения создает более сильный магнитный поток, что приводит к более высокой ЭДС. Следовательно, поскольку ЭДС изменяется в зависимости от тока возбуждения, можно управлять напряжением на клеммах генератора, правильно изменяя ток возбуждения.

В условиях холостого хода напряжение на выводах генератора равно ЭДС, генерируемой в якоре. В нагруженном генераторе напряжение не равно ЭДС из-за падения напряжения на сопротивлении и реактивном сопротивлении обмотки статора.Кроме того, токи, протекающие через обмотку статора, создают поток реакции якоря, который действует на поток обмотки возбуждения, так что магнитный поток под нагрузкой не равен магнитному потоку без нагрузки. Вот почему изменения нагрузки, то есть изменения тока якоря, вызывают изменения напряжения на клеммах, если ток возбуждения остается постоянным.

На рис. 7.15а показаны внешние характеристики синхронного генератора при резистивной и реактивной нагрузках.Эти характеристики представляют собой графики зависимости напряжения на клеммах от тока нагрузки при постоянной скорости ротора и постоянном токе возбуждения. Причиной разной формы кривых при резистивных, индуктивных, емкостных нагрузках и является неоднородное действие поля реакции якоря на поток полюсов.

Для нормальной работы любой нагрузки требуется постоянное сетевое напряжение. Напряжение в сети поддерживается постоянным при изменении нагрузки на генератор за счет изменения тока возбуждения.

На рис. 7.15b показаны управляющие характеристики , которые представляют собой графики зависимости тока возбуждения от тока нагрузки при постоянном линейном напряжении. Они фактически показывают диапазон, в котором необходимо изменять ток возбуждения при изменении тока нагрузки, чтобы поддерживать постоянное напряжение на клеммах. При резистивной нагрузке увеличение тока якоря вызывает небольшое падение напряжения, потому что реакция якоря в небольшой степени снижает магнитный поток.Эта нагрузка требует незначительного увеличения тока возбуждения, чтобы напряжение оставалось неизменным. При индуктивной нагрузке возникает противодействующее поле реакции якоря, уменьшающее поток полюсов. Теперь ток возбуждения должен быть выше, чем в предыдущем случае, чтобы компенсировать встречное поле реакции якоря и, таким образом, получить постоянный чистый поток, который индуцирует постоянное напряжение. При емкостной нагрузке магнитный поток растет, поэтому необходимо уменьшить ток возбуждения, чтобы уменьшить ток якоря и, таким образом, обеспечить постоянное напряжение.

Синхронные генераторы чаще всего работают в общей внешней цепи электростанции или энергосистемы. Напряжение В, _c и частота такой силовой цепи неизменны. Напряжение В _г по

клеммы генератора равны и противоположны напряжению цепи, В _g = В _c . Чистый поток якоря _n , вращающийся со скоростью n ₁ = = 60f / p в пространстве приводит к напряжению В _g на 90 (рис. 7.16).

При неизменном напряжении силовой цепи В _c неизменной остается и амплитуда чистого потока якоря _n . При резистивной нагрузке на генератор ток якоря I синфазен с В _g . Реакционный поток якоря находится в фазе с I , поэтому их векторы, различающиеся только длиной, лежат на одной оси.Суммарный магнитный поток представляет собой векторную сумму потока в обмотке возбуждения _м (поток полюсов) и потока реакции якоря _.

Изменение тока возбуждения не влияет на активную мощность генератора, поскольку мощность, которую он получает от первичного двигателя, постоянна (крутящий момент первичного двигателя и его скорость постоянны). Следовательно, активная составляющая тока якоря постоянна, и головка вектора I (_{) опирается на прямую AB , параллельную оси x .Увеличение тока возбуждения вызывает увеличение потока в обмотке возбуждения, вектор ‘ которого находится между линией и головкой неизменяемого вектора n . В этом случае вектор I ‘ ( ‘ ) будет изменяться как по величине, так и по направлению, т.е. ток будет отставать от напряжения генератора по фазе. По мере уменьшения тока возбуждения уменьшается и магнитный поток , что вызывает изменение тока якоря I «() как по величине, так и по фазе.Таким образом, вариации тока возбуждения генератора, работающего в сети, приводят к вариациям реактивной составляющей тока якоря, то есть реактивной мощности, производимой генератором.}

Для изменения активной мощности необходимо изменить крутящий момент первичного двигателя, приводящего в движение ротор генератора. Крутящий момент T ₁ первичного двигателя заставляет ротор генератора вращаться со скоростью n в минуту. Чистое поле якоря вращается с той же скоростью, n ₁ = n (рис.7.17а). Следовательно, поле _м возбуждено; обмотка возбуждения и чистое поле якоря _n вращаются синхронно и, таким образом, остаются неподвижными относительно друг друга и определенным образом взаимодействуют. В результате возникает электромагнитный тормозной момент T _e , который уравновешивает крутящий момент первичного двигателя. Когда эти моменты равны, T ₁ = T _e , угол между осями магнитных полей остается неизменным.

Если крутящий момент T ‘ ₁ превышает крутящий момент T’ _e , , ротор начинает разгоняться до скорости, превышающей постоянную скорость вращающегося поля якоря, n ₁ = 60 f / p, где f — постоянная частота линии (рис. 7.17b). Угол θ ₁ между осями магнитных полей ротора и статора затем будет расти, в результате чего крутящий момент T ‘ _e возрастает, пока он не станет равным T’ ₁ .

Когда синхронная машина работает как двигатель, угол θ между осями магнитных полей такой, как показано на рис. 7.17c.

Перед включением генератора в сеть необходимо убедиться, что линия и генератор имеют одинаковую последовательность фаз, а линейное напряжение и частота равны ЭДС генератора и

частота. Кроме того, в момент переключения ЭДС генератора в каждой фазе должна быть противоположна направлению сетевого напряжения.Если эти условия не соблюдены, могут возникнуть большие токи, которые приведут к выходу генератора из строя. Для подключения генераторов к линиям электропередач используются специальные устройства, называемые синхроноскопами. Простой синхроноскоп состоит из трех ламп накаливания, рассчитанных на двойное линейное напряжение и подключенных между выводами генератора и линии питания. Когда клеммы генератора отключены от сети, лампы одновременно включаются и гаснут. В момент, когда ЭДС генератора равна по величине, но противоположна направлению линейного напряжения, лампы темнеют, потому что напряжение на каждой лампе равно нулю.Теперь генератор готов к включению в линию. ЭДС генератора, считываемая вольтметром, устанавливается равной линейному напряжению путем регулировки тока возбуждения. Частота генератора регулируется изменением скорости вращения первичного двигателя.

7.13. Синхронные двигатели

Синхронный двигатель принципиально не отличается от синхронного генератора. Как и в случае статора генератора, на статоре двигателя имеется трехфазная обмотка, которая при подключении к трехфазной линии обеспечивает вращение магнитного поля со скоростью n ₁ = 60 f / p через минуту.Обмотка возбуждения, расположенная на роторе, получает постоянный ток от выпрямителя или возбудителя, установленного на том же валу, что и ротор. Ток поля (возбуждения) создает магнитный поток _м ротора. Чистое магнитное поле , возбуждаемое током статора, имеет тенденцию переноситься вдоль полюсов ротора в направлении его вращения, как показано на рис. 7.17c. Ротор может вращаться с точно синхронной скоростью, равной скорости вращения поля статора. Таким образом, скорость синхронного двигателя строго постоянна, если частота сети неизменна.

Основным преимуществом синхронного двигателя является то, что он может работать с опережающим током, т.е. он может действовать как емкостная нагрузка для линии питания. Такой двигатель увеличивает cosφ всей сети, поскольку компенсирует реактивную мощность других нагрузок потребителя.

Как и в генераторе, реактивная мощность (cosφ) двигателя изменяется путем регулировки тока возбуждения. При определенном токе возбуждения, соответствующем номинальному возбуждению, коэффициент мощности cosφ равен единице. Уменьшение тока возбуждения приводит к возникновению в статоре запаздывающего (индуктивного) тока; увеличение тока возбуждения, вызывающее перевозбуждение двигателя, вызывает появление опережающего (емкостного) тока в статоре.

Преимущество этого двигателя перед асинхронным аналогом в том, что он менее чувствителен к изменениям напряжения питания. В первом случае крутящий момент пропорционален линейному напряжению, повышенному до первой степени, тогда как во втором он изменяется как квадрат напряжения.

Крутящий момент возникает в результате взаимодействия магнитных полей ротора и статора. От сетевого напряжения зависит только магнитный поток поля статора.

Синхронные двигатели в основном имеют явнополюсные конструкции, обычно работающие от опережающего тока при cosφ = 0.8, с током возбуждения, подаваемым от возбудителей или от цепей переменного тока через полупроводниковые выпрямители.

Синхронный двигатель, подключенный к линии питания, не может создавать пусковой крутящий момент. Когда ротор неподвижен, вращающееся поле статора движется с синхронной скоростью по отношению к полю ротора и, следовательно, не взаимодействует с полем ротора. Чтобы запустить двигатель, сначала необходимо привести в движение ротор, чтобы он мог разогнаться до или почти до синхронной скорости.

Двигатель самозапускается за счет асинхронного двигателя, обеспечиваемого короткозамкнутой обмоткой (демпферной обмоткой), вставленной в торцы полюсов ротора.Когда обмотка статора подключена к трехфазной линии питания, двигатель запускается с обмотки клетки, как и обычный двигатель с короткозамкнутым ротором. Когда двигатель достигает почти синхронной скорости (95% от этой скорости), возбудитель включается для питания обмотки возбуждения. Развиваемого крутящего момента теперь достаточно, чтобы синхронизировать ротор.

При запуске обмотка возбуждения должна быть замкнута через сопротивление, которое в 10–12 раз превышает сопротивление самой обмотки. Эту обмотку нельзя оставлять разомкнутой или замкнутой накоротко во время пуска.Если она окажется разомкнутой, поле статора с большой скоростью перережет проводники обмотки возбуждения и вызовет в обмотке большую ЭДС, которая может вызвать пробой ее изоляции и, таким образом, создать опасность для обслуживающего персонала. Если обмотка возбуждения будет закорочена при запуске двигателя под нагрузкой, ротор разгонится почти до половины синхронной скорости и не сможет синхронизироваться.

Работа синхронной машины на опережающем токе делает эту машину пригодной для использования в качестве синхронного конденсатора.Синхронный конденсатор — это синхронная машина, работающая без нагрузки и предназначенная для улучшения коэффициента мощности системы переменного тока. Он подает реактивную мощность в систему переменного тока и по конструкции незначительно отличается от обычного синхронного двигателя. Поскольку первый не несет нагрузки, его вал и ротор легче, чем у второго, а воздушный зазор меньше.

Основным недостатком синхронного двигателя является то, что для его работы требуются источники переменного и постоянного тока. Необходимость подачи постоянного тока на обмотку возбуждения делает этот двигатель неэффективным при малых мощностях.Поэтому маломощные синхронные двигатели с возбуждением постоянным током не находят применения. Редукторные двигатели находят широкое применение там, где требуется низкая мощность. Ротор синхронного двигателя этого типа имеет выступающие полюса. У двигателей очень малых мощностей ротор делается цилиндрическим. Он отлит из алюминия в форме, в которую вставлены сердечники из мягкого железа, образующие выступающие полюса. Цилиндрическая форма облегчает обработку и балансировку ротора, а также снижает потери на ветер, что важно для двигателей малой мощности.

В реактивном электродвигателе ротор развивает крутящий момент благодаря своей ориентации в магнитном поле таким образом, чтобы сопротивление, оказываемое полю, было самым низким. Ротор всегда занимает определенное положение в пространстве, так что магнитные линии вращающегося поля статора проходят через железо ротора, и ротор обычно работает с синхронной скоростью поля статора.

ВОПРОСЫ НА ОБЗОР

1. Объясните принцип работы асинхронного двигателя.

2. Как можно изменить направление вращения асинхронного двигателя?

3. Приведите основные характеристики конструкции асинхронного двигателя с фазным ротором и короткозамкнутым ротором.

4. Какие факторы влияют на крутящий момент асинхронного двигателя?

5. Изобразите рабочие характеристики асинхронного двигателя.

6. Объясните, как запустить трехфазный асинхронный двигатель и контролировать его скорость.

7.Опишите действие и конструкцию синхронного генератора.

8. Какие взаимосвязи обнаруживают внешние и управляющие характеристики синхронного генератора?

9. Какие условия должны быть соблюдены перед подключением синхронного генератора к линии электропередачи?

10. Объясните принцип работы синхронного двигателя.

:

.