В судовых электрических станциях переменного тока применяются синхронные генераторы трехфазного тока с независимым возбуждением и с самовозбуждением. Генераторы с независимым возбуждением имеют навешанный возбудитель (электрическая машина постоянного тока) в автоматическим и ручным регулятором напряжения. У самовозбуждающихся генераторов возбуждение осуществляется через полупроводниковый выпрямитель от статора генератора; саморегулирование напряжения осуществляется статическими приборами.

Синхронные машины могут работать как генераторами, так и двигателями. В зависимости от типа привода синхронные генераторы получили и свои названия. Турбогенератор, например, — это генератор, приводимый в движение паровой турбиной, гидрогенератор вращает водяное колесо, а дизель — генератор механически связан с двигателем внутреннего сгорания.

Синхронные двигатели широко применяют для привода мощных компрессоров, насосов, вентиляторов. Синхронные микродвигатели используют для привода лентопротяжных механизмов регистрирующих приборов, магнитофонов и т.д.
Статор синхронной машины по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя. В пазах статора размещается трехфазная, двухфазная или однофазная обмотки. Заметное отличие имеет ротор, который принципиально представляет собой постоянный магнит или электромагнит. Это налагает особые требования на геометрическую форму ротора. Любой магнит имеет полюса, число которых может быть два и более.
На рис. 7.1 приведены две конструкции генераторов, с тихоходным и быстроходным ротором.

Рис.7.1
Быстроходными бывают, как правило, турбогенераторы. Количество пар магнитных полюсов у них равно единице. Чтобы такой генератор вырабатывал электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц, его необходимо вращать с частотой

Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, которое, пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС. При подключении к генератору нагрузки генератор будет являться источником переменного тока.
Как было показано выше, величина наводимой в обмотке статора ЭДС количественно связана с числом витков обмотки и скорости изменения магнитного потока:

Переходя к действующим значениям, выражение ЭДС можно записать в виде:

где n — частота вращения ротора генератора,
Ф — магнитный поток,
c — постоянный коэффициент.
При подключении нагрузки напряжение на зажимах генератора в разной степени меняется. Так, увеличение активной нагрузки не оказывает заметного влияния на напряжение. В то же время индуктивная и емкостная нагрузки влияют на выходное напряжение генератора. В первом случае рост нагрузки размагничивает генератор и снижает напряжение, во втором происходит его подмагничивание и повышение напряжения. Такое явление называется реакцией якоря.
Для обеспечения стабильности выходного напряжения генератора необходимо регулировать магнитный поток. При его ослаблении машину надо подмагнитить, при увеличении — размагнитить. Делается это путем регулирования тока, подаваемого в обмотку возбуждения ротора генератора.
Простейший генератор трехфазного тока по конструкции аналогичен трехфазного токагенератору однофазного тока, только его якорь имеет не одну, а три обмотки АХ, BY, CZ, сдвинутые в пространстве друг относительно друга (рис. 7.2). При вращении якоря в этих обмотках наводятся э. д. с. одинаковой частоты, но имеющие разные фазы. Если амплитуды э. д. с. трех обмоток генератора равны друг другу, а сдвиг фаз между двумя любыми смежными э. д. с. равен -j= 120°, то трехфазная система э. д. с. называется симметричной.

Синхронная машина - это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой равна частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре.

Синхронные двигатели получили широкое распространение в промышленности для электроприводов, работающих с постоянной скоростью (компрессоров, насосов и т.д.). В последнее время, вследствие появления преобразовательной полупроводниковой техники, разрабатываются регулируемые синхронные электроприводы.

Устройство синхронной машины

Статоры синхронной и асинхронной машин полностью одинаковы.

Статор синхронного генератора состоит из чугунной станины - корпуса, внутри которого находится сердеч­ник статора, собранный из отдельных листов электротех­нической стали, изолированной между собой лаком или тонкой бумагой. В пазы сердечника укладывают обмотку статора из медного изолированного провода (рис. 164).

Роторы синхронных генераторов бывают двух типов - явнополюсными и неявнополюсными (балванка).

Явнополюсными выполняют роторы синхронных гене­раторов с небольшим числом оборотов (от 125 об/мин до 1500 об/мин), обычно соединяемых с тихоходными гидротурбинами, и генераторов не­большой и средней мощности.

Роторы неявнополюсные применяют в генераторах с большим числом оборотов (3000 об/мин) и большой мощности, обычно соединяемых на одном валу с паровыми турбинами, называют эти генераторы турбогенераторами.

Сердечники полюсов большей частью изготовляют из литой стали, а башмаки - иногда из отдельных листов электротехнической стали. Обмотку полюсов выполняют из медных изолированных проводов. Для получения синусоидально изменяющейся э.д.с. необходимо иметь синусоидальное распределение магнитной индукции в воз­душном зазоре. Это достигается неравномерностью воз­душного зазора между наконечником полюса и сталью статора: по краям полюсов воздушный зазор больше, чем под серединой полюса (рис. 167).

На вал генератора надевают два кольца, изолирован­ных от него, к которым присоединяют выводы обмотки возбуждения ротора, их называют контактными кольцами. На контактные кольца устанавливают щетки, а к щеткам подводят постоянный ток от воз­будителя.

Чаще всего в качестве возбуди­теля применяют машину постоян­ного тока, которую называют машинным возбудителем, а в по­следнее время используют для возбуждения твердые или механи­ческие выпрямители. У большего количества син­хронных машин возбудитель рас­положен на одном валу с гене­ратором, а в последних конструкциях возбудитель распо­лагают сверху статора синхронной машины.

Принцип действия синхронного генератора

Синхронный генератор состоит из неподвижной - статора, в пазах которого помещается трехфазная обмотка перемен­ного тока, и вращающейся части - ротора, который пред­ставляет собой электромагнит.

Обмотки возбуждения ротора питаются через щетки и кольца постоянным током от возбудителя - машины постоянного тока или какого-нибудь выпрямителя.

Если предположить, что магнитная индукция распределяется в воз­душном зазоре синусоидально - , то ЭДС, индуктируемая в якорной обмотке генератора, будет иметь вид:

Под действием этой ЭДС в цепи генератора, замкнутой на нагрузку Z, появится переменный ток . Частота переменной ЭДС рассматриваемого ге­нератора определяется частотой вращения ротора: при одной паре полюсов поля возбуждения () одному обороту ротора соответствует один период переменного тока. В общем случае частота ЭДС синхронного генератора(Гц) прямо пропорциональна частоте вращения ротора [об/мин], т.е.

Обмотка, в которой индуктируется ЭДС, расположена на неподвижной части генератора - на статоре. При этом обмотку возбуждения располагают на роторе. Такая конструктивная схема наиболее рациональна в синхронных машинах большой мощности, так как при расположении рабочей обмотки на ро­торе пришлось бы передавать в рабочую об­мотку через контактные кольца значительные мощности при напряжении до 20 кВ. В этих ус­ловиях работа контактных колец и щеток стала бы весьма ненадежной, а потери энергии в ще­точном контакте - значительны. При распо­ложении рабочей обмотки на статоре выводы этой обмотки присоединяют непосредственно к электрической сети. Конечно, и в этом случае машина не избавляется от контактных колец и щеток, необходимых для соединения обмотки возбуждения с возбудителем. Но так как вели­чина тока возбуждения в десятки раз меньше рабочего (переменного) тока, а напряжение не превышает 450 В, то щеточный контакт работает более на­дежно, а потери энергии в нем невелики.

Исходя из перечисленных соображений синхронные машины, как правило, выполняют с рабочей обмоткой, располагаемой на статоре.

Обмотка статора синхронных машин обычно представляет собой трехфазную обмот­ку, соединяемую в звезду или треугольник.

На роторе расположена обмотка возбуждения, при подключении которой к источнику постоянного тока (возбудителю) возникает магнитное поле возбуждения. По­средством первичного двигателя ротор ге­нератора приводят во вращение со скоростью . При этом магнитное поле ротора вращаясь индуктирует в трехфазной обмотке статора ЭДС ,,, которые, буду­чи одинаковыми по величине и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 120, образуют трехфазную симметричную систему ЭДС.

Большинство синхронных генераторов проектируют на промышленную частоту 50 Гц. Для получения ЭДС такой частоты необходимо, чтобы частота вращения ротора была равна

Было показано, что электрические машины обратимы, т.е. могут работать и генератором, и двигателем. Однако синхронные машины чаще используются в качестве генераторов, а асинхронные - в качестве двигателей. Было показано также, что устройство статора у синхронных и асинхронных машин одинаково, а роторы у них устроены по-разному.

Статор – это полый шихтованный цилиндр с продольными пазами на его внутренней поверхности. В пазах уложена обмотка статора – чаще всего трехфазная.

Ротор синхронного генератора – это по сути дела электромагнит, насаженный на вал машины, который под действием первичного двигателя вращается внутри расточки статора. Принцип действия синхронного генератора можно пояснить с помощью рисунке 3, на котором изображен поперечный разрез однофазного двухполюсного синхронного генератора, у которого обмотка ротора представлена катушкой двухполюсного электромагнита, а обмотка статора – одним витком. Ротор приводится во вращение первичным двигателем – дизелем, турбиной, ветродвигателем и т.п.

Если к обмотке ротора с помощью колец, насаженных на вал генератора, и неподвижных угольных щеток, касающихся колец, подвести питание постоянным током, то обмотка ротора создаст электромагнитное поле, замыкающееся как по ротору, так и по сердечнику статора, проходя два раза через воздушный задор между ротором и статором.

При вращении ротора созданный им магнитный поток Ф пересекает проводники обмотки статора и наводит в них ЭДС, мгновенное значение которой

равно e=B . L . V

а направление определяется правилом правой руки.

В этой формуле:

В – магнитная индукция потока Ф в месте расположения проводника [Т].

L – активная длина двух проводников витка – под обоими полюсами электромагнита [ м ].

V - окружная скорость полюсов относительно проводников [ м/с ].

ЭДС обмотки статора можно представить в векторной форме, или в виде синусоидальной функции, как показано на рисунке

Распределение магнитной индукции электромагнита, от которого зависит форма кривой e=f(t) , определяется профилем полюсных наконечников. Он выбирается таким, чтобы при равномерном вращении электромагнита ЭДС витка обмотки статора была синусоидальной. Если к зажимам А – Х витка обмотки статора подключить какое-либо сопротивление Z, то по замкнутой электрической цепи потечет переменный ток, частота которого зависит от частоты вращения ротора n [ об/мин ] и числа пар полюсов р электромагнита ротора.

В том случае, когда проводники витка будут пересечены северным N и южным S полюсами поля один раз, ток в цепи обмотки статора совершит один цикл изменения. В двухполюсной машине р = 1 . Если один оборот ротора происходит за 1 сек., то частота тока в цепи обмотки статора равна 1 Гц.

При числе пар полюсов, равном р, частота тока будет равна р Гц . Если частота вращения ротора равна n об/мин . или n/60 об/сек , тогда частота тока будет равна f = p . n / 60 (Гц)

Для создания стандартной частоты тока f = 50 Гц частота вращения ротора должна быть строго определенной. Из формулы f = p . n / 60 (Гц) имеем n =50 . 60 / р = 3000/р

Это позволяет составить таблицу:

При р = 1, 2, 3, 4 машины считаются быстроходными. Это как правило турбо и дизель генераторы на электростанциях и в промышленности. При р = 12 … 24 машины являются тихоходными. Обычно – это гидрогенераторы на гидроэлектростанциях.

Для создания системы трехфазного тока на статоре необходимо разместить не один, а три витка, сдвинутых по окружности статора на 1/3 двойного полюсного шага, как показано на рисунке. У двухполюсных машин этот сдвиг равен 1/3 длины окружности статора.

Этот пространственный сдвиг витков обмотки статора обуславливает временной сдвиг их ЭДС и токов, т.е. сдвиг по фазе на 1/3 периода.

Если замкнуть цепи витков обмотки статора на сопротивления нагрузки, то по ним пойдут токи, также сдвинутые на 1/3 периода. Образуется трехфазная система токов, которая создает своё магнитное поле, вращающееся по магнитопроводу в ту же сторону и с такой же частотой вращения, что и ротор машины, т.е. синхронно с ротором. При этом магнитное поле статора взаимодействует с магнитным полем ротора. Поскольку сердечник статора с обмоткой называют якорем машины, то указанное взаимодействие называют реакцией якоря.

По той причине, что частота вращения поля статора и частота вращения ротора одинаковы, машины такого типа называют синхронными.

Итак, чтобы увеличить нагрузку синхронного генератора, нужно увеличить ток в обмотке статора, а для этого надо уменьшить величину сопротивления в цепи обмотки.

Необходимо отметить, что токи в обмотке статора, взаимодействуя с магнитным потоком ротора, создают электромагнитные силы и момент направленный навстречу моменту первичного двигателя. Иначе говоря, при нагрузке синхронный генератор создает тормозной момент, который должен быть подготовлен первичным двигателем. Следовательно, при увеличении нагрузки синхронного генератора необходимо увеличивать мощность и вращающий момент первичного двигателя.

Синхронные машины делят по типу устройства ротора на явнополюсные и неявнополюсные. У явнополюсных генераторов ротор представляет собой крестовину, на которой крепятся сердечники полюсов с катушками электромагнита или как их называют катушками обмотки возбуждения. Обычно это тихоходные машины с большим числом полюсов. Соответственно и крестовина ротора имеет большое число граней. Полюсные наконечники закреплены на крестовине с помощью специальных хвостовиков и клиньев, которые при вращении ротора увеличивают полюсные наконечники на своих местах.

Неявнополюсные генераторы – это быстроходные машины с частотами вращения 3000 или 1500 об/мин. Ротор у них выполнен в форме цилиндрической поковки из высококачественной электротехнической стали, на поверхности которой фрезеруют продольные пазы. В них укладывают обмотку возбуждения постоянного тока, которая состоит из отдельных катушек (витков) разной ширины.

Каждая катушка укладывается в два паза, которые расположены симметрично относительно продольной оси сечения ротора. Пазы занимают примерно 2/3 окружности ротора. Все катушки соединены последовательно, образуя распределенную обмотку возбуждения синхронного генератора. Для защиты обмотки возбуждения центробежными силами проводники в пазах закреплены клиньями из немагнитных металлов, как показано на рисунке.

Лобовые части витков обмотки возбуждения, расположенные вне ротора, закрепляют на своих местах специальными бандажами (кольцами или гильзами из немагнитной стали).

Схема соединения обмотки возбуждения предусматривает чередование полярности полюсов ротора, а синусоидальность ЭДС обмотки статора достигается распределением катушек возбуждения по пазам.

Генератор - устройство, преобразующее один вид энергии в другой.
В данном случае рассматриваем преобразование механической энергии вращения в электрическую.

Различают два типа таких генераторов. Синхронные и асинхронные.

Синхронный генератор. Принцип действия

Отличительным признаком синхронного генератора является жёсткая связь между частотой f переменной ЭДС, наведённой в обмотке статора, и частотой вращения ротора n , называемой синхронной частотой вращения:

n = f / p

где p – число пар полюсов обмотки статора и ротора.
Обычно частота вращения выражается в об/мин, а частота ЭДС в Герцах (1/сек), тогда для количества оборотов в минуту формула примет вид:

n = 60· f / p

На рис. 1.1 представлена функциональная схема синхронного генератора. На статоре 1 расположена трёхфазная обмотка, принципиально не отличающаяся от аналогичной обмотки асинхронной машины. На роторе расположен электромагнит с обмоткой возбуждения 2, получающей питание постоянным током, как правило, через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, расположенных на роторе, и двух неподвижных щёток.
В некоторых случаях в конструкции ротора синхронного генератора вместо электромагнитов могут использоваться постоянные магниты, тогда необходимость в наличии контактов на валу отпадает, но существенно ограничиваются возможности стабилизации выходных напряжений.

Приводным двигателем (ПД), в качестве которого используется турбина, двигатель внутреннего сгорания либо другой источник механической энергии, ротор генератора приводится во вращение с синхронной скоростью. При этом магнитное поле электромагнита ротора также вращается с синхронной скоростью и индуцирует в трёхфазной обмотке статора переменные ЭДС E A , E B и E C , которые будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120°), образуют симметричную трёхфазную систему ЭДС.

C подключением нагрузки к зажимам обмотки статора С1, С2 и С3 в фазах обмотки статора появляются токи I A , I B , I C , которые создают вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора. Таким образом, в синхронном генераторе магнитное поле статора и ротор вращаются синхронно. Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе

e = 2Blwv = 2πBlwDn

Здесь: B – магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл;
l – активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, т.е. длина сердечника статора, м;
w – количество витков;
v = πDn – линейная скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с;
D – внутренний диаметр сердечника статора, м.

Формула ЭДС показывает, что при неизменной частоте вращения ротора n форма графика переменной ЭДС обмотки якоря (ста- тора) определяется исключительно законом распределения магнитной индукции B в зазоре между статором и полюсами ротора. Если график магнитной индукции в зазоре представляет собой синусоиду B = B max sinα , то ЭДС генератора также будет синусоидальной. В синхронных машинах всегда стремятся получить распределение индукции в зазоре как можно ближе к синусоидальному.

Так, если воздушный зазор δ постоянен (рис. 1.2), то магнитная индукция B в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (график 1). Если же края полюсов ротора «скосить» так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен δ max (как это показано на рис. 1.2), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (график 2), а, следовательно, и график ЭДС, индуцированной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде. Частота ЭДС синхронного генератора f (Гц) пропорциональна синхронной частоте вращения ротора n (об/с)

где p – число пар полюсов.
В рассматриваемом генераторе (см. рис.1.1) два полюса, т.е. p = 1.
Для получения ЭДС промышленной частоты (50 Гц) в таком генераторе ротор необходимо вращать с частотой n = 50 об/с (n = 3000 об/мин).

Способы возбуждения синхронных генераторов

Самым распространенным способом создания основного магнитного потока синхронных генераторов является электромагнитное возбуждение, состоящее в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения, при прохождении по которой постоянного тока, возникает МДС, создающая в генераторе магнитное поле. До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись преимущественно специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.3, а). Обмотка возбуждения (ОВ ) получает питание от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ ). Ротор синхронного генератора, возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронного генератора поступает через контактные кольца и щётки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя r 1 и подвозбудителя r 2 . В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах получила применение также бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе. В качестве возбудителя в этом случае применяют обращенный синхронный генератор переменного тока В (рис. 1.3, б). Трехфазная обмотка 2 возбудителя, в которой наводится переменная ЭДС, расположена на роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора и их электрическое соединение осуществляется через вращающийся выпрямитель 3 непосредственно, без контактных колец и щёток. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя В осуществляется от подвозбудителя ПВ – генератора постоянного тока. Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронного генератора позволяет повысить её эксплуатационную надёжность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в этом числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.4, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь ПП преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счёт остаточного магнетизма машины.

На рис. 1.4, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ ) с выпрямительным трансформатором (ВТ ) и тиристорным преобразователем (ТП ), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подаётся в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ , на вход которого поступают сигналы напряжения на входе СГ (через трансформатор напряжения ТН ) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ ). Схема содержит блок защиты (БЗ ), обеспечивающий защиту обмотки возбуждения (ОВ ) от перенапряжения и токовой перегрузки.

Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5 % полезной мощности (меньшее значение относится к генераторам большой мощности).
В генераторах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, расположенными на роторе машины. Такой способ возбуждения даёт возможность избавить генератор от обмотки возбуждения. В результате конструкция генератора существенно упрощается, становится более экономичной и надёжной. Однако, из-за высокой стоимости материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничено машинами мощностью не более нескольких киловатт.

Синхронные генераторы составляют основу электроэнергетики, так как практически вся электроэнергия во всём мире вырабатывается посредством синхронных турбо- или гидрогенераторов.
Так же синхронные генераторы находят широкое применение в составе стационарных и передвижных электроустановок или станций в комплекте с дизельными и бензиновыми двигателями.

Асинхронный генератор. Отличия от синхронного

Асинхронные генераторы принципиально отличаются от синхронных отсутствием жесткой зависимости между частотой вращения ротора и вырабатываемой ЭДС. Разницу между этими частотами характеризует коэффициент s - скольжение.

s = (n - n r)/n

здесь:
n - частота вращения магнитного поля (частота ЭДС).
n r - частота вращения ротора.

Более подробно с расчётом скольжения и частоты можно ознакомиться в статье: асинхронные генераторы. Частота .

В обычном режиме электромагнитное поле асинхронного генератора под нагрузкой оказывает тормозной момент на вращения ротора, следовательно, частота изменения магнитного поля меньше, поэтому скольжение будет отрицательным. К генераторам, работающим в области положительных скольжений, можно отнести асинхронные тахогенераторы и преобразователи частоты.

Асинхронные генераторы в зависимости от конкретных условий применения выполняются с короткозамкнутым, фазным или полым ротором. Источниками формирования необходимой энергии возбуждения ротора могут являться статические конденсаторы или вентильные преобразователи с искусственной коммутацией вентилей.

Асинхронные генераторы можно классифицировать по способу возбуждения, характеру выходной частоты (изменяющаяся, постоянная), способу стабилизации напряжения, рабочим областям скольжения, конструктивному выполнению и числу фаз.
Последние два признака характеризуют конструктивные особенности генераторов.
Характер выходной частоты и методы стабилизации напряжения в значительной степени обусловлены способом образования магнитного потока.
Классификация по способу возбуждения является основной.

Можно рассмотреть генераторы с самовозбуждением и с независимым возбуждением.

Самовозбуждение в асинхронных генераторах может быть организовано:
а) с помощью конденсаторов, включенных в цепь статора или ротора или одновременно в первичную и вторичную цепи;
б) посредством вентильных преобразователей с естественной и искусственной коммутацией вентилей.

Независимое возбуждение может осуществляться от внешнего источника переменного напряжения.

По характеру частоты самовозбуждающиеся генераторы разделяются на две группы. К первой из них относятся источники практически постоянной (или постоянной) частоты, ко второй переменной (регулируемой) частоты. Последние применяются для питания асинхронных двигателей с плавным изменением частоты вращения.

Более подробно рассмотреть принцип работы и конструктивные особенности асинхронных генераторов планируется рассмотреть в отдельных публикациях.

Асинхронные генераторы не требуют в конструкции сложных узлов для организации возбуждения постоянным током или применения дорогостоящих материалов с большим запасом магнитной энергии, поэтому находят широкое применение у пользователей передвижных электроустановок по причине своей простоты и неприхотливости в обслуживании. Используются для питания устройств, не требующих жёсткой привязки к частоте тока.
Техническим достоинством асинхронных генераторов можно признать их устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям.
С некоторой информацией по мобильным генераторным установкам можно ознакомиться на странице:
Дизель-генераторы .
Асинхронный генератор. Характеристики .
Асинхронный генератор. Стабилизация .

Замечания и предложения принимаются по адресу [email protected]

1. Статор. Статор синхронного генератора, как и других машин переменного тока, состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, в пазах которого укладывается обмотка переменного тока, и станины - чугунного или сварного из листовой стали кожуха.

В выштампованные на внутренней поверхности сердечника пазы укладывается обмотка статора. Изоляция обмотки выполняется особо тщательно, так как машине приходится работать обычно при высоких напряжениях. В качестве изоляции применяют миканит и миканитовую ленту.

На фиг. 240 дан внешний вид статора синхронного генератора.

2. Ротор. Роторы синхронных машин по конструкции делятся на два типа:

А) явнополюсные (т. е. с явно выраженными полюсами) и

Б) неявнополюсные (т. е. с неявно выраженными полюсами).

На фиг. 241 показаны схемы устройства синхронных генераторов с явнополюсным и неявнополюсным роторами.

Та или иная конструкция ротора диктуется соображениями механической прочности. У современных генераторов, вращающихся от быстроходных двигателей (паровая турбина), окружная скорость ротора может достигать 100-160 м/сек (в некоторых случаях 170 м/сек). Поэтому быстроходные генераторы имеют неявнополюсный ротор. Скорость вращения быстроходных генераторов составляет 3000 об/мин и 1500 об/мин.

Явнополюсный ротор представляет собой стальную поковку.

К ободу ротора прикрепляются полюсы, на которые надеваются катушки возбуждения, соединяемые последовательно между собой. Концы обмотки возбуждения присоединяются к двум

кольцам, укрепленным на валу ротора. На кольца накладываются щетки, к которым присоединяется источник постоянного напряжения. На фиг. 242 показан внешний вид явнополюсного ротора. Обычно постоянный ток для возбуждения ротора дает генератор постоянного тока, сидящий на одном валу с ротором и называемый возбудителем. Мощность возбудителя равна 0,25-1% от номинальной мощности синхронного генератора. Номинальные напряжения возбудителей 60-350 В.

На фиг. 243 показана схема возбуждения синхронной машины.

Имеются также синхронные генераторы с самовозбуждением. Постоянный ток для возбуждения ротора получается с помощью селеновых выпрямителей, подключаемых к обмотке статора генератора. В первый момент слабое поле остаточного магнетизма вращающегося ротора индуктирует в обмотке статора незначительную переменную э. д. с. Селеновые выпрямители, подключенные к переменному напряжению, дают постоянный ток, который усиливает поле ротора, и напряжение генератора увеличивается.

Неявнополюсный ротор изготовляется из целой стальной по-ковки, подвергаемой сложной термической и механической обработке. Для примера приведем данные ротора турбогенератора, изготовленного заводом «Электросила», мощностью 100 тыс. кВт при n = 3000 об/мин. Диаметр ротора D = 0,99 м, длина l=6,35 м. Окружная скорость ротора 155 м/сек. Поковка ротора в обработанном виде весит 46,5 т.

В осевом направлении по окружности ротора фрезеруют пазы, куда укладывается обмотка возбуждения. Обмотка в пазах закрепляется при помощи металлических (стальных или бронзовых) клиньев. Лобовые части обмотки закрепляются бандажными металлическими кольцами.

На фиг. 244 показан общий вид неявнополюсного ротора турбогенератора в готовом виде.

При конструировании электрических машин и трансформаторов большое внимание конструкторы обращают на вентиляцию машин. Для синхронных генераторов применяется воздушное и водородное охлаждение.

Воздушное охлаждение осуществляется при помощи вентиляторов, укрепленных на валу с обеих сторон ротора (для генераторов мощностью от 1,5 до 50 тыс. кВт) или расположенных под машиной в отверстии фундамента (для генераторов мощностью 100 тыс. кВт).

Массы холодного воздуха, поступающие для вентиляции, во избежание загрязнения машины пылью проходят через фильтры.При замкнутой системе вентиляции машина охлаждается одним и тем же объемом воздуха. Воздух, пройдя через машину, нагревается и поступает в воздухоохладители, затем снова нагнетается в машину и т. д. Для целей охлаждения служит также система вентиляционных каналов, устроенных в отдельных частях машины. Наиболее эффективным способом охлаждения машины является водородное охлаждение. Водород, обладающий в 7,4 раза большей теплопроводностью, чем воздух, лучше отводит тепло от нагретых частей машины. Потери на трение о воздух при воздушном охлаждении составляют около 50°/о от

суммы всех потерь в машине. Водород имеет удельный вес в 14,5 раза меньше, чем воздух. Поэтому трение о водород резко уменьшается. Водород способствует также сохранению изоляции и лаковых покрытий машины. Внешний вид явнополюсного синхронного генератора с возбудителем показан на фиг. 245, а неявнополюсного синхронного генератора мощностью 50 тыс. кВт- на фиг. 246.

Гидрогенераторы приводятся во вращение гидравлическими турбинами. Эти турбины чаще всего имеют вертикальный вал с низким числом оборотов. Тихоходный синхронный генератор имеет большое число полюсов и как следствие этого - большие размеры.

Так, например, гидрогенератор типа мощностью 50 тыс. кВт, изготовленный заводом «Электросила» им. С. М. Кирова, имеет общий вес 1142 г, диаметр статора 14 м, общую высоту 8,9 м, число полюсов 96.

На фиг. 247 показана схема синхронного генератора с возбудителем, питающим силовую и осветительную нагрузку. На фиг. 248 дана электрическая схема соединений синхронного генератора с нагрузкой.

Обмотки статоров синхронных генераторов выполняются так же, как обмотки статоров асинхронных двигателей.

Все шесть концов трехфазных обмоток генератора обычно выводятся на его щиток. Соединяя три конца обмоток в одну общую нулевую точку и выводя три начала обмоток во внешнюю сеть, мы получим соединение обмоток звездой (фиг. 249, а). Соединяя конец первой обмотки с началом второй, конец второй с началом третьей, конец третьей с началом первой обмотки и сделав от точек соединений три отвода во внешнюю сеть, получим соединение обмоток треугольником (фиг. 249, б).