Синхронный генератор принцип работы и устройство

Охлаждение генераторов переменного тока

Генератор с водородным охлаждением, окрашен в красный цвет

Во время работы в генераторе возникают потери энергии, превращающиеся в теплоту и нагревающие его элементы. Хотя КПД современных генераторов очень высок, абсолютные потери достаточно велики, что приводит к значительному повышению температуры активной стали, меди и изоляции. Повышение температуры конструктивных элементов, в свою очередь, ведёт к их постепенному разрушению и уменьшению срока службы генератора. Для предотвращения этого применяют различные системы охлаждения.

Выделяют следующие типы систем охлаждения: поверхностное (косвенное) и непосредственное охлаждение. Косвенное охлаждение в свою очередь может быть воздушным и водородным.

Водородные системы охлаждения чаще устанавливаются на крупные генераторы, так как они обеспечивают лучший отвод тепла (По сравнению с воздухом водород имеет большую теплопроводность и в 10 раз меньшую плотность). Водород пожаро- и взрывоопасен, поэтому применяется изоляция вентиляционной системы и поддержание повышенного давления.

Механическая характеристика.

Когда вал ротора нагружается, возникает потребность в увеличении тока в проводниках ротора. Для этого должна увеличиться скорость пересечения магнитного потока статора, а, следовательно, с увеличением нагрузки должно увеличиваться скольжение ротора. Поскольку частота ротора возрастает с увеличением его скольжения, токи, наводимые в проводниках ротора, все больше и больше сдвигаются по фазе относительно магнитного потока, так что, пройдя через максимум, вращающий момент уменьшается.

Это показано на рис. 14. Максимальный вращающий момент изменяется пропорционально квадрату сетевого напряжения и обратно пропорционально величине реактивного сопротивления ротора при нулевой частоте вращения, а следовательно, обратно пропорционально величинам индуктивности ротора и частоты статора; он не зависит от активного сопротивления ротора. Кривая 1 относится к двигателю с короткозамкнутым ротором. Пусковой момент (при скольжении 100%), как правило, равен полному моменту нагрузки или больше его. Двигатель с короткозамкнутым ротором прост, механически надежен, обладает высоким КПД и широко применяется в приводах с постоянной частотой вращения в тех случаях, когда не требуются большие пусковые моменты. Кривая 2 показывает, как влияет на характеристику увеличение сопротивления ротора. Максимальный вращающий момент не изменяется, но максимум смещается в сторону увеличения скольжения и, следовательно, уменьшения частоты вращения. Сделав сопротивление цепи ротора равным ее реактивному сопротивлению в отсутствие вращения, можно получить максимальный вращающий момент при пуске (кривая 3). Чтобы можно было вводить сопротивление в цепь ротора, нужен ротор с фазной обмоткой, концы которой были бы выведены на токособирательные кольца коллектора. Тогда с помощью внешнего реостата, выполняющего роль пускателя или контроллера, можно ввести в цепь ротора сопротивление и получить максимальный вращающий момент при пуске. После разгона ротора это сопротивление можно отключить, и тогда двигатель может работать на характеристике 1 или 2. Сопротивление фазного ротора не может быть сделано столь же малым, как обычное сопротивление короткозамкнутого, так что при прочих равных условиях скольжение такого ротора больше.

Двигатель с последовательным возбуждением, в котором возбуждение максимально при пуске и уменьшается после его разгона до нормальной частоты вращения, обеспечивает большой вращающий момент.

Двигатели с фазными роторами используются в тех случаях, когда требуются большие пусковые моменты, например, в электровозах и подъемниках, а также тогда, когда желательно регулирование частоты вращения.

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 и приветствуются!

Классификация и виды агрегатов

Все электрогенераторы можно распределить по критерию работы и по типу топлива, из которого и образуется электроэнергия. Все генераторы делятся на однофазные (выход напряжения 220 Вольт, частота 50 Гц) и трехфазные (380 Вольт с частотой 50 Гц), а также по принципу работы и типу топлива, которое конвертируется в электричество. Ещё генераторы могут использоваться в разных сферах, что определяет их технические характеристики.

По принципу работы

Разделяют асинхронные и синхронные генераторы переменного тока.

Асинхронный

У асинхронных электрогенераторов нет точной зависимости ЭДС от частоты вращения ротора, но здесь работает такой термин, как «скольжение S». Оно определяет эту разницу. Величина скольжения вычисляется, поэтому некоторое влияние элементов генератора в электромеханическом процессе асинхронного двигателя все же есть.

Синхронный

Такой генератор обладает физической зависимостью от вращательного движения ротора к генерируемой частоте электроэнергии. В таком устройстве ротор является электромагнитом, состоящим из сердечников, обмоток и полюсов. Статором являются катушки, которые соединены по принципу звезды, и имеющими общую точку – ноль. Именно в них вырабатывается электрический ток.Ротор приводит в движение посторонняя сила подвижных элементов (турбин), которые двигаются синхронно. Возбуждение такого генератора переменного тока может быть, как контактным, так и бесконтактным.

По типу топлива двигателя

Удаленность от электросети с появлением генераторов больше не становится препятствием для пользования электроприборами.

Газовый генератор

В качестве топлива здесь используется газ, во время сгорания которого и вырабатывается механическая энергия, которая затем заменяется электрическим током. Преимущества использования газогенератора:

  • Безопасность для окружающей среды, ведь газ при сгорании не выделяет вредных элементов, копоти и токсичных продуктов распада;
  • Экономически это очень выгодно – сжигать дешевый газ. В сравнении с бензином, это обойдется значительно дешевле;
  • Подача топлива осуществляется автоматически. Бензин и дизельное топливо требуется по мере необходимости подливать, а газовый генератор обычно подключают к системе газоснабжения;
  • Благодаря автоматике, аппарат приходит в действие самостоятельно, но для этого он должен располагаться в теплом помещении.

Дизельный генератор

Эту категорию составляют преимущественно однофазные агрегаты мощностью 5 кВт. 220 Вольт и частота 50 Гц являются стандартными для бытовой техники, поэтому дизельный аппарат неплохо справляется со стандартной нагрузкой. Как можно догадаться, для его работы требуется дизельное топливо. Почему стоит выбрать именно дизельный электрогенератор:

  • Относительная дешевизна топлива;
  • Автоматика, позволяющая автоматически запускать генератор при прекращении подачи электрического тока;
  • Высокий уровень противопожарной безопасности;
  • В течении длительного периода времени агрегат на дизеле способен проработать без сбоев;
  • Внушительная долговечность – некоторые модели способны работать в общей сумме 4 года непрерывной эксплуатации.

Бензогенератор

Такие аппараты довольно востребованы как бытовое оборудование. Несмотря на то, что бензин дороже газа и дизеля, такие генераторы имеют немало сильных сторон:

  • Малые габариты при высокой мощности;
  • Просты в эксплуатации: большинство моделей можно запустить вручную, а более мощные генераторы оснащены стартером. Регулируется напряжение под определенную нагрузку при помощи специального винта;
  • В случае перегрузки генератора автоматически срабатывает защита;
  • Просты в обслуживании и ремонте;
  • Во время работы не издают много шума;
  • Можно применять и в помещении, и на улице, но следует защищать от попадания влаги.

Принцип работы

Неправильно настроенное оборудование не сможет слаженно работать в течение длительного промежутка времени, преждевременные поломки могут возникнуть на фоне появления всевозможных перегрузок, из-за некачественного возбуждения сети, а также частых переходов в асинхронные режимы. Последний фактор чаще всего возникает по причине каких-либо отклонений в сети: нагрузки переменного типа, короткие замыкания, неравномерная загрузка фаз.

Чтобы устройство правильно функционировало, нужно обеспечить ему правильное охлаждение. Если затраты воды достигают отметки 75% от номинала, тогда срабатывает предупредительная сигнализация. Когда расход охладителя находится в пределах 50%, система разгружается за две минуты. Этот вид генератора работает по принципу электромагнитной индукции. Якорная катушка находится в разомкнутом положении только на холостом ходу, из-за чего необходимое магнитное поле формирует исключительно обмотка ротора. Когда этот элемент крутится от проводного мотора, то у него наблюдается постоянная частота.

Первоначальное магнитное поле формируется за счёт обмотки возбуждения, а в катушку якоря поступает электрическая движущая сила. Если же якорь начал двигаться только благодаря вращению с определённой скоростью, то весь поток возбуждения переходит через проводники статорных катушек. В итоге происходит индицирование переменных ЭДС.

Принцип действия

С принципом работы устройства разобраться не так уж сложно. Он заключается во вращении магнитной рамки с целью создания электрического поля. В процессе вращения рамки возникают магнитные линии, начинающие пересекать ее контур. Пересечение способствует образованию электрического тока.

Чтобы определить, куда движутся потоки электрической энергии, необходимо воспользоваться правилом буравчика. При этом стоит отметить, что на некоторых участках движение тока противоположное. Направления постоянно меняются при достижении очередного полюса, который расположен на магните. Такое явление называется переменным током, и доказать это условие способно подключение рамки к отдельному магнитному кольцу.

Зависимость между величиной тока в рамке и скоростью вращения ротора системы пропорциональная. Таким образом, чем сильнее будет вращаться рамка, тем больше электричества сможет поставить генератор. Такой показатель характеризуется частотой вращения.

Согласно установленным нормам, оптимальный показатель частоты вращения в большинстве стран не должен превышать 50 Гц. Это значит, что ротор должен выполнять 50 колебаний в секунду. Для вычисления параметра необходимо условиться, что один поворот рамки приводит к изменению направления тока.

Если вал успевает повернуться 1 раз за секунду, это означает, что частота электрического тока составляет 1 Гц. Таким образом, для достижения показателя в 50 Гц потребуется обеспечить правильное количество вращений рамки за секунду.

Зависимость в этом случае обратно пропорциональная. Таким образом, чтобы обеспечить частоту в 50 Гц, потребуется снизить скорость примерно в 2 раза.

Дополнительно стоит отметить, что в некоторых странах установлены другие нормы вращения ротора. Стандартным показателем частоты является показатель в 60 Гц.

Разнообразие модельного ряда

В продаже сегодня можно встретить несколько видов синхронных генераторов, все они прекрасно справляются с теми или иными задачами. Благодаря этому каждый потребитель может выбрать наиболее подходящую модель устройства, которая будет обладать необходимыми эксплуатационными характеристиками. Большим спросом сегодня пользуются следующие виды генераторов:

  • Асинхронное устройство двойного типа. В таком генераторе подключена как роторная, так и статорная обмотки. График работы носит асинхронный характер.
  • Турбо. Агрегат отличается неявнополюсным строением генератора, изготавливается из турбин разного вида. К основным положительным характеристикам можно отнести высокую скорость оборотов, которая варьируется в пределах 6 тыс. в минуту.
  • Синхронный компенсатор. Такой агрегат является поставщиком реактивной мощности, благодаря чему активно используется для повышения качества электроэнергии.
  • Гидро. Ротор имеет существенное отличие от всех аналогов, так как присутствуют специальные полюса. Используется для выработки электроэнергии, работает исключительно на малых оборотах.

Устройство синхронного генератора

Качественный статор имеет аналогичный принцип действия с асинхронником. Его корпус собирается из отдельных пластин электротехнической стали, все детали разделены специальными изолирующими слоями. Обмотка переменного тока располагается в специальных пазах. Многочисленные преимущества синхронных трёхфазных генераторов повлияли на то, что они активно эксплуатируются в различных отраслях

Вся проводка обмоток изолируется и фиксируется, что особенно важно для безопасной работы, ведь этот раздел отвечает за подключение нагрузки

Для тихоходных машин с гидравлическими турбинами изготавливаются высококачественные генераторы выступающего типа. А вот для тех узлов, которые функционируют по принципу скоростного вращения с переменным током, больше всего подходят прочные неявно выраженные полюса. Чтобы агрегат служил как можно дольше, нужно использовать правильное охлаждение. Чаще всего на вал монтируются специальные крыльчатки, которые регулируют уровень температуры ротора с обеих сторон. Весь воздух обязательно подлежит предварительной фильтрации. Если система относится к замкнутому типу, то через теплообменники проходит один и тот же воздух.

Современные технологии позволяют изготавливать различные модели индукционных приборов, но в каждом таком изделии присутствуют одинаковые части:

  • Прочная обмотка с переменной ЭДС.
  • Мощный постоянный магнит или же обычный электромагнит, который производит требуемое рабочее поле.

Для того чтобы получить наибольший магнитный поток, во всех агрегатах предусмотрено наличие специализированной структуры, которая включает в себя два стальных сердечника. Рабочие обмотки установлены в специальные пазы. Один вмонтированный сердечник — внутренний, он крутится вокруг вертикального или же горизонтального стержня, который принято называть ротором. А вот недвижимый сердечник именуется якорем (статором).

Параллельная работа синхронных генераторов

На электростанциях синхронные генераторы соединяются друг с другом параллельно для совместной работы на общую электрическую сеть. Когда нагрузка на электрическую сеть мала, работает только часть генераторов, при повышенном энергопотреблении («час пик») включаются резервные генераторы. Этот способ выгоден, так как каждый генератор работает на полную мощность, следовательно, с наиболее высоким коэффициентом полезного действия.

Синхронизация генератора с электрической сетью

В момент подключения резервного генератора к электрическим шинам его электродвижущая сила должна быть численно равна напряжению на этих шинах, иметь одинаковую с ним частоту, и фазовый сдвиг равный нулю. Процесс выведения резервного генератора на режим, при котором обеспечивается указанное условие, называется синхронизацией генератора.

Если это условие не будет выполнено (подключаемый генератор не выведен на синхронный режим), то из сети в генератор может пойти большой ток, генератор заработает в режиме электродвигателя, что может привести к аварии.

Для выполнения синхронизации подключаемого генератора с электрической сетью применяются специальные устройства, в простейшем виде — синхроноско́п.

Синхроноскоп представляет собой лампу накаливания и «нулевой» вольтметр, включенные параллельно контактам рубильника, отключающего генератор от шин сети (соответственно сколько фаз, столько ламп накаливания и вольтметров).

При разомкнутом состоянии рубильника параллельная сборка «лампа накаливания — „нулевой“ вольтметр» оказывается включенной последовательно цепи «фаза генератора — фаза электросети».

После запуска генератора (при разомкнутом рубильнике) его выводят на номинальные обороты, и регулируя ток возбуждения, добиваются того, чтобы электрическое напряжение на клеммах генератора и на шинах сети было приблизительно одинаковым.

Когда генератор приближается к режиму синхронизации, лампы накаливания начинают мигать, и в момент почти полной синхронизации они гаснут. Однако лампы гаснут при напряжении, не равном нулю, для индикации полного нуля служат вольтметры («нулевые» вольтметры). Как только и «нулевые» вольтметры покажут 0 вольт — генератор и электрическая сеть синхронизированы, можно замыкать рубильник. Если две лампы накаливания (на двух фазах) погасли, а третья — нет, это означает, что одна из фаз генератора подключена неправильно к шине электрической сети.

Теория.

Принцип действия электродвигателя иллюстрирует рис. 7. На рис. 7,а провод с током, направленным от читателя (кружок с крестиком, изображающим задний, оперенный конец стрелы), перпендикулярен магнитному полю, существующему между магнитными полюсами N и S. Магнитный поток вокруг провода, создаваемый его током, направлен по часовой стрелке. Он увеличивает магнитное поле над проводом и уменьшает его под проводом. Магнитные силовые линии, подобно упругим нитям, стремящимся сократиться, действуют на провод с силой F, направленной вниз. Когда ток в проводе направлен так, как показано точкой на рис. 7,б (символизирующей острие стрелы, летящей навстречу), магнитное поле усиливается под проводом и ослабляется над ним, и сила F, действующая на провод, направлена вверх. На рис. 7,в изображен простой виток провода (такой же, как и на рис. 1,а), расположенный параллельно оси полюсов. В этом случае возникает вращающий момент 2Fd, стремящийся повернуть виток по часовой стрелке. Чтобы такое вращение поддерживалось, направление тока в витке должно измениться на обратное, когда последний перейдет через вертикальное положение. Для этого необходим коллектор (такой же, как на рис. 1,в), изменяющий направление тока после каждой половины оборота.

Теория генератора переменного тока

В прямоугольном контуре вращается постоянный магнит.

Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции — индуцирование электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле. Или наоборот, прямоугольный контур вращается в однородном неподвижном магнитном поле.

Допустим, что однородное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, вращается вокруг своей оси в проводящем контуре (проволочной рамке) с равномерной угловой скоростью ω{\displaystyle \omega }. Две равные порознь вертикальные стороны контура (см. рисунок) являются активными, так как их пересекают магнитные линии магнитного поля. Две равные порознь горизонтальные стороны контура — не активные, так как магнитные линии магнитного поля их не пересекают, магнитные линии скользят вдоль горизонтальных сторон, электродвижущая сила в них не образуется.

В каждой из активных сторон контура индуктируется электродвижущая сила, величина которой определяется по формуле:

e1=Blvsin⁡ωt{\displaystyle e_{1}=Blv\sin \omega t} и e2=Blvsin⁡(ωt+{\displaystyle e_{2}=Blv\sin(\omega t+}π{\displaystyle \pi })=−Blvsin⁡ωt{\displaystyle )=-Blv\sin \omega t},

где

e1{\displaystyle e_{1}} и e2{\displaystyle e_{2}} — мгновенные значения электродвижущих сил, индуктированных в активных сторонах контура, в вольтах;

B{\displaystyle B} — магнитная индукция магнитного поля в вольт-секундах на квадратный метр (Тл, Тесла);

l{\displaystyle l} — длина каждой из активных сторон контура в метрах;

v{\displaystyle v} — линейная скорость, с которой вращаются активные стороны контура, в метрах в секунду;

t{\displaystyle t} — время в секундах;

ωt{\displaystyle \omega t} и ωt+{\displaystyle \omega t+}π{\displaystyle \pi } — углы, под которыми магнитные линии пересекают активные стороны контура.

Так как электродвижущие силы, индуктированные в активных сторонах контура, действуют согласно друг с другом, то результирующая электродвижущая сила, индуктируемая в контуре,

будет равна e=2Blvsin⁡ωt{\displaystyle e=2Blv\sin \omega t}, то есть индуктированная электродвижущая сила в контуре изменяется по синусоидальному закону.

Если в контуре вращается однородное магнитное поле с равномерной угловой скоростью, то в нём индуктируется синусоидальная электродвижущая сила.

Можно преобразовать формулу e=2Blvsin⁡ωt{\displaystyle e=2Blv\sin \omega t}, выразив её через максимальный магнитный поток Φm{\displaystyle \Phi _{m}}, пронизывающий контур.

Относительная линейная скорость v{\displaystyle v} активных сторон равна произведению радиуса вращения α2{\displaystyle {\frac {\alpha }{2}}} на угловую скорость ω{\displaystyle \omega }, то есть v=α2ω{\displaystyle v={\frac {\alpha }{2}}\omega }.

Тогда получим e=2Blα2ωsin⁡ωt{\displaystyle e=2Bl{\frac {\alpha }{2}}\omega \sin \omega t},

где

ωΦm{\displaystyle \omega \Phi _{m}} — амплитуда синусоидальной электродвижущей силы;

ωt{\displaystyle \omega t} — фаза синусоидальной электродвижущей силы;

ω{\displaystyle \omega } — угловая скорость синусоидальной электродвижущей силы, в данном случае равная угловой скорости вращения магнита в контуре.

С учётом того, что контур состоит из многих витков провода, электродвижущая сила пропорциональна количеству витков w{\displaystyle w} и формула будет выглядеть так: e=w2Blα2ωsin⁡ωt{\displaystyle e=w2Bl{\frac {\alpha }{2}}\omega \sin \omega t}.

Если ввести в формулу максимальный магнитный поток, тогда e=wΦmsin⁡ωt{\displaystyle e=w\Phi _{m}\sin \omega t}.

Коммутация.

Самая большая проблема в работе с машинами постоянного тока – коммутация. Этим, в частности, ограничивается максимальная проектная мощность генераторов постоянного тока; коммутация не позволяет также сильно повышать рабочие частоты вращения больших машин.

Чтобы коммутация осуществлялась без искрения, ток и, следовательно, наведенная ЭДС в коммутируемом витке должны быть равны нулю в момент коммутации. Это не выполняется по двум причинам. Под нагрузкой ток обмотки якоря создает магнитное поле, поперечное по отношению к создаваемому магнитными полюсами, а также магнитный поток в зоне коммутации. Коммутируемые витки пересекают этот поток, и в них наводится ЭДС. Кроме того, ток в витках якоря создает магнитный поток, которым сцеплены эти витки. Когда этот ток резко меняет направление на обратное за очень малое время коммутации, возникает ЭДС самоиндукции. Обе ЭДС, хотя они и невелики, создают большой ток в короткозамкнутом витке с малым сопротивлением. Поскольку почти все сопротивление короткого замыкания приходится на контакт щетки с коллектором, используются угольные щетки, обладающие высоким контактным сопротивлением, с графитовой добавкой, которая служит смазкой, уменьшающей трение и износ поверхности коллектора. Для уменьшения искрения щетки следовало бы перемещать при каждом изменении нагрузки в положение, отвечающее минимальной наведенной ЭДС. Но поскольку это практически неосуществимо, выбирают некое среднее положение, обеспечивающее удовлетворительную коммутацию только для одной нагрузки.

В большинстве современных электромашин предусматриваются узкие добавочные полюса, расположенные между основными (рис. 12). Они возбуждаются обмотками, соединенными последовательно с якорем, и благодаря своему довольно большому воздушному зазору компенсируют в зоне коммутации поток, создаваемый током якоря, а кроме того, наводят в коммутируемых витках якоря ЭДС, компенсирующую ЭДС самоиндукции. Тем самым добавочные полюса устраняют необходимость в перемещении щеток при изменении нагрузки. В генераторе последовательность основных и добавочных полюсов (в направлении вращения) такова: NsSn (рис. 12,а), а в двигателе – NnSs (рис. 12,б).

Конструкция.

В синхронных генераторах обмотку якоря (т.е. ту обмотку, в которой индуцируется ЭДС) обычно делают неподвижной (и называют обмоткой статора), а обмотку возбуждения – вращающейся (и называют обмоткой индуктора), причем машины с иным расположением обмоток называют обращенными. Дело в том, что напряжение на обмотке якоря нередко бывает большим (до 25 кВ); то же относится к рабочим токам. Если якорь неподвижен, то легче изолировать выводы его обмотки, присоединяемые к внешним токоведущим шинам. Обмотка возбуждения же обычно потребляет значительно меньше 1% генерируемой мощности и питается постоянным током при напряжении 125 или 250 В. Передача столь малой мощности при низком напряжении на обмотку вращающегося индуктора через щеточно-коллекторный аппарат не сопряжена с большими трудностями.

Частота тока f связана с частотой вращения S и числом P полюсов статора или ротора соотношением f = SP/120 Гц. Если P = 4, а частота вращения S = 1800 об/мин, то f = (1800ґ4)/120 = 60 Гц. Такая частота (60 Гц) чаще всего применяется в электротехнике; она достаточно велика, чтобы не было заметно мигания осветительных ламп, но в то же время достаточно мала для удовлетворительной работы большинства машин. В отношении конструкции обмотки возбуждения синхронные генераторы бывают двух типов: с явнополюсными и неявнополюсными роторами. В генераторах с явнополюсными роторами полюса, несущие обмотки возбуждения, выступают из индуктора. Генераторы такого типа рассчитаны на сравнительно низкие частоты вращения; они подходят для работы с приводом от поршневых паровых машин, дизельных двигателей, гидротурбин. Паровые и газовые турбины используются для привода синхронных генераторов с неявнополюсными роторами. Ротор такого генератора представляет собой стальную поковку с выфрезерованными продольными пазами для витков обмотки возбуждения, которые обычно выполняются в виде медных пластин. Витки закрепляются в пазах клиньями, а поверхность ротора шлифуется и полируется для снижения уровня шума и потерь мощности, связанных с сопротивлением воздуха. Обмотки генераторов по большей части делают трехфазными, так что на выходных зажимах генератора вырабатываются три синусоидальных напряжения переменного тока, поочередно достигающих своего максимального (амплитудного) значения. Почти все мощные синхронные генераторы (и двигатели) охлаждаются водородом.

Принцип действия и устройство простейшего генератора переменного тока

Генератор переменного тока

Электромагнитная индукция – это явление, которое было открыто в 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем (1791-1867), обнаружившим, что при прохождении изменяющегося во времени магнитного потока сквозь замкнутый проводящий контур в последнем возникает электрический ток. Именно этот принцип и положен в основу любого генератора.

На практике принцип электромагнитной индукции реализуется следующим образом: электрический ток возникает в замкнутой рамке (роторе) при пересечении ее вращающимся магнитным полем, образуемым в зависимости от назначения и конструкции генератора постоянными магнитами или специальными обмотками возбуждения. При вращении рамки изменяется величина магнитного потока. Чем быстрее она вращается, тем выше величина выходного напряжения.

Принцип действия генератора переменного тока

Для отвода электрического тока рамка оснащается токосъемником, который превращает ее в замкнутый контур и обеспечивает постоянный контакт вращающейся рамки со стационарно расположенными элементами генератора. Подпружиненные щетки прижимаются к коллекторным кольцам и таким образом электрический ток поступает на выходные клеммы генератора.

Вращаясь, половинки рамки последовательно проходят возле полюсов магнита. При этом происходит циклическая смена направления движения возникающего тока – у каждого полюса ток движется в одну сторону.

Конструкция якоря генератора постоянного тока

В зависимости от конструкции коллектора генератор может вырабатывать как постоянный, так и переменный ток.

  • В генераторах постоянного тока для каждой половины обмотки в коллекторном узле имеются изолированные друг от друга полукольца. Благодаря тому, что эти полукольца постоянно меняются щетками, ток не изменяет своего направления, а просто пульсирует.
  • В генераторах переменного тока концы рамки привязаны к контактным кольцам и вся эта конструкция вращается вокруг своей оси. При вращении рамки, щетки, каждая из которых плотно примыкает к своему кольцу, обеспечивают надежный токоотвод. При этом циклической смены положения щеток не происходит.

Вращающаяся часть генератора называется ротором, а неподвижная – статором.

Принцип действия электрогенераторов переменного и постоянного тока идентичен. Отличаются они между собой конструкцией контактных колец, расположенных на вращающемся роторе и конфигурацией обмоток.

Этот эффект широко используется разработчиками, которые располагают на вращающемся роторе электрические или постоянные магниты. При этом напряжение снимается со стационарно установленной обмотки, что дает возможность избавиться от сложных конструкций токосъемных узлов.

Ссылка на основную публикацию