Принцип действия синхронных генераторов

Выше 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 , а направление определяется правилом правой руки.

В этой формуле:

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

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

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

	Рисунок 3. Принцип действия генератора переменного тока

Распределение магнитной индукции электромагнита, от которого зависит форма кривой , 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 , тогда

частота тока будет равна . (2)

Для создания стандартной частоты тока f = 50 Гц частота вращения ротора должна быть строго определенной. Из формулы (2) имеем:

.

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 6.

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.