Общие сведения. Синхронный генератор является генератором переменного трехфазного тока

Синхронный генератор является генератором переменного трехфазного тока. Синхронные генераторы стоят практически на всех электростанциях (тепловых, гидравлических, атомных).

Состоит синхронный генератор, как и другие электрические машины, из статора и ротора. Статор собран из листов электротехнической стали. В пазах по внутренней окружности статора со сдвигом в 120º друг относительно друга размещены три обмотки.

Ротор синхронного генератора представляет собой электромагнит, обмотка возбуждения которого питается от постороннего источника постоянного тока. Ток к обмотке возбуждения ротора подводится посредством графитных щеток через контактные кольца, вращается вместе с ротором. Источником постоянного тока, питающего обмотку возбуждения машины, является специальный генератор постоянного тока — возбудитель. Конструктивно различают неявнополюсные и явнополюсные роторы.

При вращении ротора вращается и создаваемое им магнитное поле, индуктируя в обмотках статора ЭДС. Действующее значение ЭДС в каждой из трех фазных обмоток статора

E = C_Е n Ф₀,

где С_Е — постоянный коэффициент;

Ф₀ — величина магнитного потока, создаваемого каждым полюсом ротора;

n — частота вращения ротора, об/мин.

Частота f ЭДС, наводимой в фазных обмотках статора, зависит от частоты вращения ротора n, числа пар его полюсов p и определяется зависимостью:

.

Принятое у нас в стране стандартизованное значение частоты питающей сети f = 50 Гц. Благодаря тому что разные обмотки статора размещены по его окружности со сдвигом в 120º, начальные фазы наводимых на этих обмотках ЭДС также отличаются на 120º. С учетом этого мгновенные значения разных ЭДС

е_А = Е_msinwt,

е_B = Е_msin(wt-120º),

е_C = Е_msin(wt+120º),

Если к обмоткам статора подключены сопротивления внешней нагрузки, в цепи обмоток будет иметь место трехфазная система токов. Наличие трехфазной системы токов сопровождается создаваемым ею вращающимся магнитным полем. Относительно тела статора это магнитное поле будет вращаться с такой же частотой, как и частота вращения ротора. Отсюда и название генератора — синхронный.

Возможности генератора определяются его характеристиками. Различают характеристику холостого хода генератора, внешнюю и регулировочную.

Характеристика холостого хода показывает зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения при условии, что частота вращения ротора, а следовательно, частота ЭДС генератора постоянна. Цепь нагрузки генератора должна быть разомкнута и ток нагрузки равен нулю:

E = f(I_в) при I_н =0 и n = const.

Примерный вид характеристики холостого хода синхронного генератора представлен на рисунке 8.1.

Рисунок 8.1 — Характеристика холостого хода синхронного электрического генератора

Характеристика холостого хода фактически соответствует кривой намагничивания машины. При малых значениях тока возбуждения сталь машины не насыщена, магнитный поток, а следовательно, и ЭДС растут пропорционально току возбуждения. При больших значениях рост магнитного потока и ЭДС замедляется вследствие наступления магнитного насыщения стали генератора. Как видно из рисунка, начинается кривая не из нуля. Даже при отсутствии тока возбуждения за счет остаточного магнитного потока ротора будет наводиться в обмотках машины небольшое значение ЭДС Е₀.

Внешняя характеристика представляет собой зависимость напряжения U на зажимах генератора от тока нагрузки I_н при постоянных значениях коэффициента мощности cosφ тока и возбуждения I_в и номинальной частоте вращения ротора n:

U = f(I_н) при I_в = const, cosφ = const.

Примерный вид внешней характеристики синхронного генератора показан на рисунке 8.2, а. Начальной точкой характеристики будет напряжение холостого хода U₀. С ростом тока нагрузки напряжение генератора изменяется по закону, определяемому выражением:

,

где Е — ЭДС в обмотках статора генератора, наводимая согласно закону электромагнитной индукции;

X — реактивная составляющая внутреннего сопротивления обмотки генератора (активной составляющей сопротивления ввиду его малости пренебрегаем).

I_н — ток нагрузки.

Падение напряжения на индуктивном сопротивлении обмоток генератора ХI_Н растет с увеличением тока нагрузки независимо от ее характера (активная, индуктивная, ёмкостная). Величина же ЭДС зависит, кроме всего прочего, от реакций якоря. При индуктивной нагрузке поток реакции якоря носит продольно размагничивающий характер, уменьшает результирующий поток машины Ф, а следовательно, и Е₀. Поэтому чем ближе характер нагрузки к индуктивному, тем интенсивнее будет снижаться ЭДС Е₀ и напряжение с ростом тока нагрузки I (кривая 1).

При активной нагрузке реакция якоря носит поперечный характер, и снижение напряжения будет вызываться в основном падением напряжения в обмотках генератора (кривая 2).

При активно-ёмкостной нагрузке (кривая 3) реакция якоря носит продольно-намагничивающий характер. Поток реакции якоря усиливает основной магнитный поток машины, а следовательно и ЭДС Е₀ в ее обмотках. Потому с ростом тока нагрузки I, напряжение на выходе генератора будет увеличиваться по сравнению с U₀.

Регулировочная характеристика — это зависимость тока возбуждения I_в от тока нагрузки I_н при постоянном значении напряжения на выходе генератора U = constи постоянной частоте вращения n:

I_в = f(I_н) при U = const и n = const.

Примерный вид регулировочной характеристики представлен на рисунке 8.2, б.

Регулировочная характеристика показывает, как нужно изменять ток возбуждения, чтобы с изменением тока нагрузки напряжение генератора оставалось постоянным.

а) б)

Рисунок 8.2 — Характеристики синхронного генератора:
а — внешние; б — регулировочные

Генераторы и двигатели постоянного тока обладают свойствами обратимости и устроены практически одинаково. Основными узлами их устройства, как и у машин переменного тока, являются статор и ротор. Статор — неподвижный электромагнит, создающий основное магнитное поле машины. Ротор — вращающая часть машины.

Статор служит для создания постоянного во времени и пространстве магнитного поля и представляет собою электромагнит с явновыраженными полюсами.

Рисунок 8.3 — Машина постоянного тока

Статор состоит из следующих элементов (рисунок 8.3): станины 4, главных полюсов с полюсными наконечниками 3 и обмотками возбуждения 5, дополнительных полюсов, подшипниковых щитов 6 и щеточной траверсы со щетками 2. Станина — основа для всей машины, к ней крепятся все другие детали; изготавливается из стального литья или стального листового проката. Кроме того, в МПТ станина является также и магнитопроводом.

Главные полюса служат для создания постоянного магнитного поля; выполняются из набора листов электротехнической стали и крепятся болтами в станине. Дополнительные полюса располагаются между главными, предназначены для улучшения условий коммутации и используются в МПТ средней и большей мощности (Р > 1,5 кВт). Обмотки главных и дополнительных полюсов представляют собою обычные катушки, выполненные из изолированного медного провода.

Подшипниковые щиты 6 закрывают статор с торцов и часто являются опорой для ротора, так как в них впрессованы подшипники. В одном из подшипниковых щитов у машин средней и большой мощности закреплена также щёточная траверса, к которой крепятся изолированные от корпуса металлические пальцы. На кольцах устанавливаются щеткодержатели со щетками.

Принцип действия генератора постоянного тока с самовозбуждением основан на явлениях электромагнитной индукции. Когда приводной двигатель приводит во вращение якорь генератор, в проводниках его обмотки наводится начальная небольшая ЭДС за счет пересечения этих проводников с полем остаточного магнитного потока полюсов.

Величина этой ЭДС Е₀ пропорциональна остаточному магнитному потоку полюсов Ф₀ и частоте вращения якоря n:

E = C_Е n Ф₀.

Под воздействием этой ЭДС в обмотках возбуждения полюсов потечет ток и возникнет дополнительный, поток .

Складываясь с остаточным магнитным потоком, дополнительный магнитный поток усиливает общий магнитный поток машины. Зависящая от него ЭДС на ее выходе будет определяться выражением:

E = C_Е n (Ф₀ + ).

Таким образом происходит лавинообразный рост магнитного потока и ЭДС — генератор самовозбуждается.

Для самовозбуждения должны выполняться следующие три условия:

1) наличие остаточного магнитного потока полюсов;

2) возникающая начальная ЭДС в обмотке ротора должна быть такого направления, чтобы вызываемый ею ток и магнитный поток совпадали с остаточным потоком усиливая его;

3) сопротивление в цепи обмотки воз­буждения должно быть меньше критического значения.

Процесс самовозбуждения генератора оканчивается установившимся режимом, когда за счет магнитного насыщения сердечника рост тока в обмотке возбуждения не вызывает дальнейшего роста магнитного потока и ЭДС. Для самовозбуждения обмотка возбуждения генератора подключается к обмотке якоря через щетки. В зависимости от способа подключения — параллельно нагрузке или последовательно с нагрузкой — различают генераторы с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

Для того чтобы переменную ЭДС, возникающую в обмотке якоря, преобразовать в постоянную ЭДС на выходе генератора, служит коллектор.

Рисунок 8.4 — Коллектор машины постоянного тока

Коллектор представляет собою цилиндр 1, набранный из медных клинообразных пластин (рисунок 8.4), изолированных друг от друга и от корпуса изоляционным материалом. Пластины крепятся на стальной втулке 2 с помощью прижимного конуса и гайки. К краям коллекторных пластин припаиваются проводники обмоток якоря, к их цилиндрической поверхности прижимаются щетки.

Свойства генератора наиболее полно находят свое отражение в его характеристиках.

Характеристика холостого хода генератора параллельного возбуждения представляет собой зависимость ЭДС E, индуктируемой в якоре, от тока возбуждения I_в при постоянной номинальной скорости вращения n_н и при токе во внешней цепи равном нулю (при разомкнутой внешней цепи): E = f(I_в) при I_н = 0 и n = const.

Примерный вид характеристики холостого хода представлен на рисунке 8.5, а.

Внешняя характеристика представляет собой зависимость напряжения нагрузки U от тока нагрузки I_н при постоянном сопротивлении возбуждения токе I_в = const и постоянной скорости вращения ротора n = const, т.е. U = f(I_н) при n = const и I_в = const.

Примерный вид внешней характеристики генератора параллельного возбуждения изображен на рисунке 8.5, б.

Регулировочная характеристика генератора параллельного возбуждения представляет собой зависимость тока возбуждения I_в от тока нагрузки I_н при постоянном номинальном напряжении U на зажимах генератора и постоянной скоростью вращения n:

U = f(I_н) при U = U_н = const, n = const.

Эта характеристика имеет большое практическое значение, так как позволяет судить о том, каким образом и в каких пределах необходимо регулировать ток возбуждения генератора, чтобы при постоянной скорости вращения напряжение на зажимах генератора оставалось постоянным.

Примерный вид регулировочной характеристики генератора с параллельным возбуждением показан на рисунке 8.5, в.

а)	б)	в)

Рисунок 8.5 — Характеристики генератора постоянного тока
с параллельным самовозбуждением:
а — холостого хода, б — внешняя характеристика, в — регулировочная характеристика