Синхронний генератор. Пристрій генератора і принцип дії

Синхронний генератор – машина (механізм) змінного струму, що перетворює певний тип енергії в електроенергію. До таких пристроїв відносять електростатичні машини, гальванічні елементи, сонячні батареї, термобатареї і т. п. Використання кожного виду з перерахованих приладів визначається їх технічними характеристиками.

Область застосування

Застосовують синхронні агрегати як джерела електроенергії змінного струму: використовують на потужних тепло-, гідро - та атомних станціях, на пересувних електричних станціях, транспортних системах (машинах, літаках, тепловозах). Синхронний агрегат здатний працювати автономно – генератором, який живить підключається до неї яку-небудь навантаження, або паралельно з мережею - у неї підключені інші генератори. Синхронний агрегат може включати пристрої в тих місцях, де немає центрального живлення електричних мереж. Дані прилади можна застосовувати у фермерських господарствах, які розташовані далеко від населених пунктів.

Опис приладу

Пристрій синхронного генератора обумовлено наявністю таких елементів, як:

Ротор, або індуктор (рухливий, що обертається), в який входить обмотка збудження.

Якір, або статор (нерухомий), в який включається обмотка.

Обмотка агрегату.

Перемикач котушки статора.

Випрямляч.

Кілька кабелів.

Структура електричного компаундування.

Зварювальний апарат.

Котушка ротора.

Регульований постачальник постійного електроструму.

Синхронний генератор працює в якості генераторів і моторів. Він може переходити від графіка роботи генератора до графіку двигуна – це залежить від дії обертає або гальмівної сили приладу. У графіку генератора в нього входить механічна, а виходить електроенергія. У графіку двигуна в нього входить електрична, а виходить механічна енергія.




Прилад включається в ланцюг змінного струму різного типу нелінійних опорів. Синхронні агрегати є генераторами змінного струму на електростанціях, а синхронні двигуни використовуються тоді, коли потрібен двигун, що працює з постійною крутиться частотою.

Принцип роботи агрегату

Робота синхронного генератора здійснюється за принципом електромагнітної індукції. Під час холостого руху якірна (статорна) котушка розімкнути, тому магнітне поле агрегату формується однією обмоткою ротора. Коли ротор обертається від проводового мотора, у нього присутня постійна частота, роторне магнітне поле переміщується через провідники обмоток фаз статора і здійснює наводку повторюваних змінних струмів – електрорушійну силу (ЕРС). ЕРС має синусоїдальний, несинусоїдальний або пульсуючий характер. Обмотка збудження призначається для створення в генераторі початкового магнітного поля, щоб навести в котушку якоря електричну рушійну силу. У разі якщо якір синхронного генератора приводять в рух шляхом обертання з певною швидкістю, потім збуджують джерелом постійних струмів, то потік збудження переходить через провідники котушок статора, й у фазах котушки індукуються змінні ЕРС.

Трифазне пристрій

Трифазний синхронний генератор – пристрій, що має трифазну структуру змінного струму, яка має величезне практичне поширення. Крутиться електромагніт здатний утворювати магнітний потік (змінний), що переміщується через три фази обмотки наявного статора. І результатом цього є те, що в фазах відбувається змінна ЕРС однотипної частоти, зсув фаз здійснюється під кутом, рівним однієї третьої періоду обертання магнітних полів. Трифазний синхронний генератор обладнаний так, що на його валу якір є електромагнітом і живиться від генератора. Коли вал обертається, приміром, від турбіни, генератор поставляє електрострум, в той час як обмотка ротора живиться поставляється струмом. Від цього якір стає електричним магнітом і, здійснюючи обороти з тим же валом, доставляє обертове електромагнітне поле. Завдяки синхронним трифазним гідро - і турбогенераторам виробляється велика частина електроенергії. Синхронні двигуни застосовуються в якості електромоторів в таких пристроях, у яких потужність перевищує 50 кВт. Під час роботи синхронного агрегату в графіку двигуна сам ротор з'єднують з джерелом постійних струмів, статор ж підключають до трифазного кабелю.

Структури збудження

Будь-які турбо-, гідро-, дизельні генератори, синхронні компенсатори, мотори, вироблені на даний момент, оснащуються новітніми напівпровідниковими структурами, такими як збудження синхронних генераторів. У даних структурах застосовується метод випрямлення трифазних змінних струмів збудників високою або промислової частоти або напруги збуджуваного агрегату. Пристрій генератора така, що порушення структури можуть забезпечити такі параметри роботи агрегату, як:

Перша стадія збудження, тобто початкова.

Робота вхолосту.

Підключення до мережі способом точної синхронізації або самосинхронізації.

Робота в енергетичній структурі з наявними навантаженнями або перевантаженнями.

Збудження синхронних приладів може бути форсовано по таким критеріям, як напруга і струм, що мають задану кратність.

Электроторможение апарату.

Конструкція генератора

На даний момент виробляється багато видів індукційних приладів, але пристрій генератора створено так, що в них присутні однакові частини:

Електромагніт або постійний магніт, що створює магнітне поле.

Обмотка з индуцирующейся змінної ЕРС.

Щоб отримати найбільший магнітний потік, в усіх генераторах використовують спеціальну магнітну структуру, яка складається з двох сталевих сердечників. Обмотки, що створюють магнітне поле, встановлені в пазах одного з сердечників, а обмотки, індуковані ЕРС – в пазах іншого. Один з сердечників - внутрішній - взаємодіє зі своєю обмоткою і крутиться навколо горизонтального або вертикального стрижня. Такий стрижень називається ротором. Нерухомий сердечник з обмоткою називається якорем (статором).

Характеристики приладу

Для оцінки функції синхронних генераторів застосовуються ті ж самі характеристики, які застосовуються в генераторах постійного струму. Тільки деякі умови розрізняються і доповнюються. Головні характеристики синхронного генератора такі:

Холостий хід – це залежність ЕРС приладу від струмів збудження, одночасно є показником намагнічування магнітних ланцюгів машини.

Зовнішня характеристика – це залежність напруги пристрою від струмів навантаження. Напруга агрегату змінюється по-різному в залежності від збільшення навантаження при різних її види. Причини, що викликають такі зміни, наступні:

Падіння значення напруги на індуктивному та активний опір обмоток пристрою. Збільшується по мірі того, як збільшується навантаження приладу, тобто його струм.

Зміна ЕРС агрегату. Відбувається в залежності від реакції статора. При активних навантаженнях зменшення напруги буде викликано падінням напруги у всіх обмотках, тому що реакція статора тягне за збільшення ЕРС генератора. При активно-ємнісних видах навантаження ефект намагнічування викликає збільшення поточного значення напруги порівняно з номінальним показником.

Регулювальні характеристики синхронного генератора – це залежність струмів збудження від струмів навантаження. У процесі роботи синхронних агрегатів потрібно підтримувати постійну напругу на їх затискачах незалежно від характеру і величини навантажень. Цього нескладно досягти, якщо регулювати ЕРС генератора. Це можна зробити шляхом зміни струмів збудження автоматично в залежності від змін навантажень, тобто при активно-ємнісний навантаження потрібно зменшувати струм збудження для підтримки постійної напруги, а при активно-індуктивному і активної — збільшувати.

Потужність синхронного генератора визначається такими значеннями:

Відповідною напругою в електромережі.

Своєю ЕРС.

Кутом виміру.

Прилад змінного струму

Синхронний генератор змінного струму – це електромашина, що перетворює механічну обертальну енергію в електричну енергію змінних струмів. Потужні генератори таких струмів встановлюють:

гідрогенератор турбогенератор – на електростанціях;

прилади змінного струму порівняно невеликої потужності - в системах автономного енергопостачання (газотурбінна електростанція, дизельна електростанція) і частотних перетворювачів (двигун-генератор).

В даний час випускається безліч типів таких приладів, але всі вони мають загальне пристрій головних елементів:

якір (статор) – нерухомий;

крутиться навколо осі ротор.

У промислових генераторах великих розмірів обертається електромагніт, який є ротором. Одночасно з цим обмотки з наводящимися ЕРС, укладені в пази статора, залишаються нерухомими. В таких пристроях, як малопотужний синхронний генератор, магнітне поле створюється обертовим постійним магнітом.

Види синхронних агрегатів

Існують наступні види синхронних генераторів:

Гідро – в ньому ротор має відмінність за рахунок присутності явно виражених полюсів, застосовується при виробництві електроенергії, здійснює роботу на малих обертах.

Турбо – має відмінності неявнополюсним будовою генератора, проводиться від турбін різного виду, швидкість обертів досить висока, досягає близько 6000 оборотів в хвилину.

Синхронний Компенсатор – даний агрегат поставляє реактивну потужність, що застосовується для підвищення якості електроенергії, щоб стабілізувати напругу.

Асинхронний агрегат подвійного живлення – пристрій генератора такого типу полягає в тому, що в ньому підключається як роторна, так і статорна обмотки від постачальника струмів з різною частотою. Створюється асинхронний графік роботи. Також він відрізняється стійкістю графіка роботи і тим, що перетворює різні струми фаз і використовується для вирішення завдань з вузькою спеціалізацією.

Двополюсний ударний агрегат працює в графіці короткого замикання, що впливає короткочасно, в мілісекундах. Також відчуває апарати з високою напругою.

Різновиди агрегатів

Синхронний генератор (мотор) поділяється на кілька моделей, які призначені для різноманітних цілей:

Крокові (імпульсні) – застосовуються для приводів механізмів з циклом роботи старт-стоп або пристроїв безперервного руху з імпульсним керуючим сигналом (лічильників, стрічкопротяжних пристроїв, приводів верстатів з ЧПУ та ін).

Безредукторни – для застосування в автономних системах.

Безконтактні – застосовуються для роботи в якості електростанцій на суднах морського і річкового флоту.

Гістерезисні – використовуються для лічильників часу, в інерційних електроприводах, в системах автоматичного управління;

Индукторние мотори – для постачання електроустановок.

Поділ на увазі ротора

За родом приладу пристрій ротора генератора підрозділяється на:

Явнополюсное – з виступаючими або з явно вираженими полюсами. Дані ротори застосовуються в генераторах з тихим ходом, у яких швидкість обертання не перевищує 1000 оборотів в хвилину.

Неявнополюсное – це ротор з формами циліндра, у якого немає виступаючих полюсів. Дані якоря бувають двополюсного і четирехполюсними.

У першому випадку ротор складається з хрестовини, на якій закріплюють осердя полюсів або обмотки збудження. У другому-швидкохідні агрегати з числом обертів 1500 або 3000. Ротор зроблений у вигляді циліндра із сталі досить високої якості з пазами, в них встановлюють обмотку збудження, що складається з окремих обмоток різної ширини.