Основные теоретические положения

Синхронными называют электрические машины переменного тока, в которых частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля якоря, т.е. n ₂= n ₁. Они широко используются в электроэнергетике, промышленности и сельском хозяйстве в качестве генераторов электрической энергии переменного тока, двигателей и компенсаторов реактивной мощности.

Синхронные генераторы (СГ) – наиболее широко используемый для производства электроэнергии тип генераторов. Их устанавливают на мощных тепловых, гидравлических и атомных электростанциях, а также на передвижных электростанциях и транспортных установках (тепловозах, автомобилях, самолетах). Конструкция синхронных генераторов во многом зависит от типа привода.

Турбогенераторы используются на тепловых и атомных электростанциях приводятся во вращение паровыми или газовыми турбинами. Обычно это крупные быстроходные электрические машины мощностью 30–1000 МВА и частотой вращения 3000 и 1500 об/мин, приводимые во вращение паровыми турбинами. При указанной частоте вращения для получения частоты переменного тока f =50 Гц турбогенераторы выполняются двух- и четырехполюсными. Для обеспечения механической прочности при большой окружной скорости роторы выполняют неявнополюсными из цельной стальной поковки.

Гидрогенераторы приводятся во вращение гидротурбиной с относительно небольшой частотой вращения 50…120 об/мин. Поэтому для обеспечения частоты переменного тока f =50 Гц требуется большое число полюсов (несколько десятков). Как следствие гидрогенераторы имеют весьма большой диаметр ротора при относительно малой длине.

Дизель-генераторы приводятся во вращение двигателями внутреннего сгорания и используются преимущественно как автономные источники электроэнергии. Они имеют роторы явнополюсного типа, чаще всего четырехполюсные.

Синхронный генератор может питать подключенную к нему нагрузку автономно, или работать параллельно с сетью, к которой присоединены другие генераторы.

Устройство активной части. Синхронная машина состоит из статора и ротора (рис. 4.1,а). Статоры синхронных машин имеют принципиально ту же конструкцию, что и статоры асинхронных машин. Сердечник собирается из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга с целью снижения потерь энергии на вихревые токи. В крупных машинах он шихтуется. В пазах на внутренней стороне сердечника укладывается распределенная трехфазная обмотка статора. Фазы обмотки статора чаще соединяются в звезду(рис. 4.1,б).

а) б)

Рис. 3.1. Трехфазный синхронный генератор: а) устройство; б) схема.

1 – обмотка статора; 2 – сердечник статора; 3– полюсы ротора; 4 – обмотка возбуждения; 5 – контактные кольца; 6 – щетки; 7 – вал.

Роторы синхронных машин могут иметь явно- и неявнополюсную конструкции. Неявнополюсными выполняют роторы турбогенераторов и турбодвигателей, имеющих высокую частоту вращения (двух- или четырехполюсные). Сердечники таких роторов выполняют из цельной поковки магнитомягкой стали. На внешней поверхности сердечника выполняют пазы, в которые укладывается распределенная обмотка возбуждения. Явнополюсные роторы имеют сосредоточенную обмотку возбуждения в виде катушек, расположенных на полюсах. Конструктивное исполнение явнополюсных роторов весьма разнообразно. В достаточно типичной конструкции сердечник ротора состоит из полюсов, которые устанавливаются на массивном стальном ободе, насаживаемом на вал. Обод также выполняет функцию ярма, замыкающего магнитную цепь полюсов. Сердечники полюсов с полюсными наконечниками набирают из отдельных пластин.

Обмотка вращающегося ротора СМ получает питание от источника постоянного тока через контактные кольца и щетки (рис. 3.1). В современных генераторах в качестве источников питания обмоток возбуждения часто используют полупроводниковые выпрямители. В исследуемом генераторе таким источником является небольшой генератор постоянного тока (возбудитель), установленный на валу ротора синхронного генератора.

В синхронной машине обмотку, в которой индуктируется ЭДС и протекает ток нагрузки, называют якорной,а часть машины, на которой расположена эта обмотка – якорем. Обмотка, создающая первичное магнитное поле (поле возбуждения), называется обмоткой возбуждения, а часть машины, на которой она расположена – индуктором. Обычно в синхронной машине статор является якорем, а ротор – индуктором, как это показано на рис. 3.1,а.

Принцип действия. Синхронный генератор предназначен для преобразования механической энергии первичного двигателя в электрическую энергию переменного тока.

Предположим, что обмотка возбуждения генератора получает питание от источника постоянного тока и создает в зазоре генератора синусоидально распределенное магнитное поле с числом пар полюсов р. Такое распределение поля возбуждения обеспечивается в явнополюсных генераторах – неравномерным воздушным зазором между полюсом и статором, у неявнополюсных – неравномерным размещением по окружности ротора витков обмотки возбуждения.

При вращении первичным двигателем ротора генератора витки обмотки статора пересекает переменный (вследствие вращения ротора) магнитный поток возбуждения Ф₀ и индуктирует в них переменную ЭДС e ₀ (рис. 3.2,а) с частотой прямо пропорциональной числу пар р полюсов и частоте n вращения ротора: f = pn. Действующее значение фазной ЭДС генератора рассчитывается по аналогичной трансформатору формуле:

E ₀=4,44 k _об pnw Ф₀. (3.1)

где Ф₀ – магнитный поток полюса ротора (индуктора); w – число витков в фазе обмотки статора; k _об – обмоточный коэффициент, учитывающий конструктивные особенности обмотки статора (распределение по пазам и укорочение шага).

а) б)

Рис. 3.2. Принцип действия синхронного генератора:
а) физические процессы, б) векторная диаграмма ЭДС

Пространственный сдвиг магнитных осей фаз обмотки статора генератора относительно друг друга по окружности статора под 120° (электрических) приводит к соответствующему сдвигу по фазе индуктируемых в них ЭДС (рис. 3.2,б).

Процесс наведения в обмотке статора трехфазной ЭДС не требует затрат механической энергии. Поэтому предварительно раскрученный ротор при холостом ходе и отсутствии механических и иных потерь мог бы вращаться бесконечно долго.

Предположим, что к генератору подключена симметричная нагрузка, при которой по обмотке якоря под действием ЭДС e ₀ протекает ток i. При этом возникает волна МДС якоря, которая имеет то же, что и поле возбуждения число полюсов, и вращается с той же частотой, что и ротор (синхронно). При этом волны тока якоря и поля возбуждения неподвижны относительно друг друга, чем обеспечивается возможность непрерывного взаимодействия.

Обычно подключенные к генератору электроприемники всегда потребляют активную мощность, и ток якоря имеет активную составляющую i _а, совпадающую по фазе с индуктируемой ЭДС е ₀. Так как направление протекания этой составляющей под северными и южными полюсами обмотки возбуждения противоположно на проводники обмотки статора со стороны поля возбуждения действуют электромагнитные силы F _эм одного направления, – в сторону вращения ротора (рис. 3.2,а). В соответствии с третьим законом Ньютона к ротору приложены противодействующие силы, создающие тормозной момент М _эм.

Для поддержания непрерывного вращения ротора тормозной электромагнитный момент генератора компенсируется вращающим моментом приводного двигателя: М _эм= М _вр. Этим обеспечивается непрерывное преобразование механической энергии в электрическую.

Уравнение электрического равновесия и схема замещения генератора. При нагрузке обмотка якоря генератора создает собственное магнитное поле, вращающееся с той же частотой, что и ротор (синхронно) и индуктирующее в самой обмотке ЭДС самоиндукции Е_а.

При неявнополюсном исполнении синхронного генератора воздушный зазор между сердечниками статора и ротора равномерный, и поле якоря не зависит от характера нагрузки. В этом случае явление самоиндукции в обмотке якоря учитывается введением, так называемого, синхронного индуктивного сопротивления x _с, как для обычной катушки индуктивности. Исходя из этого представления и рассмотренных выше физических процессов, для фазы обмотки якоря в соответствии со 2-м законом Кирхгофа можно составить следующее уравнение электрического равновесия:

U = Е ₀– jx _с I – r I. (3.2)

где U – напряжение на зажимах генератора; r – активное сопротивление обмотки якоря (в машинах средней и большой мощности r << x _с, поэтому с целью упрощения им часто пренебрегают).

В соответствии с этим уравнением схема замещения фазы обмотки якоря неявнополюсного генератора может быть представлена как схема замещения обычной катушки с дополнительно включенной переменной ЭДС E ₀, индуктируемой полем возбуждения. (рис. 3.3,а). Упрощенная векторная диаграмма (принято r»0) для случая активно-индуктивной нагрузки, соответствующая уравнению (3.2), изображена на рис. 3.3,б.

Фазовые соотношения между электрическими величинами на векторных диаграммах рис. 3.3 имеют следующий смысл:

j – разность фаз между напряжением U на зажимах генератора и током I якоря, равная аргументу комплексного сопротивления нагрузки;

y – разность фаз между ЭДС Е ₀, индуктируемой в обмотке якоря потоком возбуждения и током I якоря генератора, равная аргументу результирующего комплексного сопротивления обмотки якоря и нагрузки;

q=y-j – разность фаз между ЭДС Е ₀ и напряжением U на зажимах генератора, называемая углом нагрузки, так как связана с активной мощностью (нагрузкой) генератора.

а) б)

Рис. 3.3. Схема замещения фазы синхронного генератора (а) и упрощенная векторная диаграмма при активно-индуктивной нагрузке при неявнополюсном (б)

Реакцией якоря называется воздействие магнитного поля якоря на магнитное поле возбуждения. Это воздействие зависит не только от величины тока якоря I (как это имеет место в машинах постоянного тока), но и от характера нагрузки, определяющего угол сдвига по фазе между ЭДС и током в обмотке якоря.

Синхронные генераторы преимущественно работают при смешанной активно-индуктивной нагрузке, при которой 0<y<p/2 и ток якоря содержит активную I _q и реактивную I _d составляющие.

Распределение тока активной составляющей I _q относительно полюсов ротора соответствует рис. 3.2,а. Магнитная ось созданного ею поля повернута относительно магнитного поля возбуждения на 90° (эл) против направления вращения и направлена по поперечной оси ротора. Поэтому реакция якоря, обусловленная этой составляющей, называется поперечной. Под набегающими краями полюсов поле поперечной реакции якоря направлено встречно, а под сбегающими – согласно с полем возбуждения. Если магнитная цепь генератора под сбегающими краями полюсов насыщена, это приводит к дополнительному насыщению, увеличению магнитного сопротивления и, как следствие, некоторому ослаблению результирующего потока.

С активной составляющей тока якоря связано преобразование механической энергии в электрическую.

Магнитное поле, обусловленное индуктивной реактивной составляющей I _d тока якоря, направлено противоположно магнитному полю ротора, и результирующее поле генератора ослабляется. Магнитная ось этого поля направлена по продольной оси ротора. Поэтому реакция якоря в этом случае называется продольно-размагничивающей.

При емкостной нагрузке магнитное поле, обусловленное реактивной составляющей I _d тока якоря, направлено согласно с магнитным полем возбуждения, и результирующее поле генератора усиливается. Поскольку магнитная ось этого поля также направлена по продольной оси ротора, реакция якоря имеет продольно-намагничивающий характер.

Эксплуатационные свойства синхронных генераторов определяются характеристиками холостого хода, внешней и регулировочной. Их получают экспериментальным или расчетным путем при номинальной частоте вращения (n = n _н=const) и неизменном характере нагрузки (j=const).

Характеристика холостого хода – это зависимость Е = f (I _в) – ЭДС якоря от тока возбуждения при разомкнутой цепи нагрузки (I =0). Поскольку в соответствии с (3.1) ЭДС прямо пропорциональна потоку, эта характеристика отражает свойства магнитной цепи генератора (рис. 3.4).

При малых токах возбуждения, когда магнитопровод ненасыщен, ЭДС Е ₀ прямо пропорциональна току возбуждения I _в. По мере насыщения магнитной цепи скорость возрастания Е ₀= f (I _в) снижается, вследствие чего эта зависимостьстановится более пологой.

Рис. 3.4. Характеристика холостого хода синхронного генератора

Рабочая точка, соответствующая номинальному напряжению U _н генератора, обычно располагается на перегибе характеристики холостого хода. В этом случае магнитная цепь генератора используется наиболее оптимально.

Внешняя характеристика представляет зависимость U = f (I) – напряжения генератора, работающего на автономную нагрузку, от тока якоря при условии, что характер нагрузки и ток возбуждения не изменяются (j=const, I _в=const). Она показывает, как изменяется напряжение на зажимах генератора при изменении его нагрузки в естественных условиях работы (в случае отсутствия регулирования напряжения).

Семейство внешних характеристик генератора при различных характерах нагрузки изображено на рис. 3.5. Как следует из рассмотренных выше физических процессов и уравнений (3.2)-(3.3), при постоянном характере нагрузки изменение напряжения на зажимах автономно работающего генератора обусловлено реакцией якоря и падением напряжения в обмотке якоря.

При увеличении активной нагрузки (j=0) напряжение на зажимах генератора уменьшается (кривая 1 рис. 3.5) из-за падения напряжения на активном сопротивлении фазной обмотки статора и ослабления магнитного поля машины вследствие размагничивающего действия реакции якоря (при j=0 ® y=q, см. рис. 3.3,б,в).

а) б)

Рис. 3.5. Внешние (а) и регулировочные (б) характеристики
синхронного генератора:

1 – при активной нагрузке; 2 – при активно-индуктивной нагрузке; 3 – при активно-емкостной нагрузке

При активно-индуктивной нагрузке (j>0) размагничивающее действие продольной составляющей реакции якоря проявляется сильнее, и напряжение на зажимах генератора снижается в большей степени (кривая 2).

В определенном диапазоне нагрузок активно-емкостного характера (j<0), обеспечивающем опережение по фазе тока I якоря относительно ЭДС Е ₀, реакция якоря имеет продольно-намагничивающий характер. В этом диапазоне рост тока якоря вызывает увеличение напряжения (кривая 3).

Регулировочная характеристика – это зависимость I _в= f (I) – тока возбуждения от тока нагрузки при условии, что характер нагрузки и напряжения на выводах генератора не изменяются. Регулировочные характеристики определяются видом соответствующих внешних характеристик. Например, при активно-индуктивной нагрузке напряжение генератора уменьшается (кривая 2 на рис. 3.5,а). Следовательно, с ростом нагрузки для поддержания напряжения постоянным необходимо увеличивать ток возбуждения генератора (кривая 2 на рис. 3.5,б).

При часто меняющейся нагрузке регулирование вручную тока возбуждения для поддержания стабильности напряжения практически невозможно. Поэтому в современных синхронных генераторах обычно применяется автоматическое регулирование.