Как зависит напряжение на зажимах синхронного генератора от нагрузки кратко

Обновлено: 05.07.2024

Синхронный генератор – машина (механизм) переменного тока, которая преобразовывает определенный тип энергии в электроэнергию. К таким устройствам относят электростатические машины, гальванические элементы, солнечные батареи, термобатареи и т. п. Использование каждого вида из перечисленных приборов определяется их техническими характеристиками.

Область применения

Применяют синхронные агрегаты как источники электроэнергии переменного тока: используют на мощных тепло-, гидро- и атомных станциях, на передвижных электрических станциях, транспортных системах (машинах, самолетах, тепловозах). Синхронный агрегат способен работать автономно – генератором, который питает подключаемую к ней какую-либо нагрузку, либо параллельно с сетью - в нее подключены иные генераторы.

Синхронный агрегат может включать устройства в тех местах, где нет центрального питания электрических сетей. Данные приборы можно применять в фермерских хозяйствах, которые расположены далеко от населенных пунктов.

Описание прибора

Устройство синхронного генератора:

Ротор, или индуктор (подвижный, вращающийся), в который входит обмотка возбуждения.
Якорь, или статор (недвижимый), в который включается обмотка.
Обмотка агрегата.
Переключатель катушки статора.
Выпрямитель.
Несколько кабелей.
Структура электрического компаундирования.
Сварочный аппарат.
Катушка ротора.
Регулируемый поставщик постоянного электротока.

Синхронный генератор работает в качестве генераторов и моторов. Он может переходить от графика работы генератора к графику двигателя – это зависит от действия вращающей либо тормозящей силы прибора. В графике генератора в него входит механическая, а исходит электроэнергия. В графике двигателя в него входит электрическая, а исходит механическая энергия.

Прибор включается в цепь переменного тока разного типа нелинейных сопротивлений. Синхронные агрегаты являются генераторами переменного тока на электростанциях, а синхронные моторы используются тогда, когда необходим двигатель, что работает с постоянной крутящейся частотой.

Принцип работы агрегата

Работа синхронного генератора осуществляется по принципу электромагнитной индукции.

Во время холостого движения якорная (статорная) катушка разомкнута, поэтому магнитное поле агрегата формируется одной обмоткой ротора. Когда ротор крутится от проводного мотора, у него присутствует постоянная частота, роторное магнитное поле перемещается через проводники обмоток фаз статора и осуществляет наводку повторяющихся переменных токов – электродвижущую силу (ЭДС).

ЭДС носит синусоидальный, несинусоидальный либо пульсирующий характер.

Обмотка возбуждения предназначается для создания в генераторе первоначального магнитного поля, чтобы навести в катушку якоря электрическую движущую силу. В случае если якорь синхронного генератора приводят в движение путем вращения с определенной скоростью, затем возбуждают источником постоянных токов, то поток возбуждения переходит через проводники катушек статора, и в фазах катушки индуцируются переменные ЭДС.

Трехфазное устройство

Трехфазный синхронный генератор – устройство, имеющее трехфазную структуру переменного тока, которая имеет огромное практическое распространение. Крутящийся электромагнит способен образовывать магнитный поток (переменный), который перемещается через три фазы обмотки имеющегося статора.

Результатом этого является то, что в фазах происходит переменная ЭДС однотипной частоты, сдвиг фаз осуществляется под углом, равным одной третьей периода вращения магнитных полей.

Трехфазный синхронный генератор оборудован так, что на его валу якорь является электромагнитом и питается от генератора. Когда вал вращается, к примеру, от турбины, генератор поставляет электроток, в то время как обмотка ротора питается поставляемым током. От этого якорь становится электрическим магнитом и, осуществляя обороты с тем же валом, доставляет вращающееся электромагнитное поле.

Благодаря синхронным трехфазным гидро- и турбогенераторам производится большая часть электроэнергии.

Синхронные агрегаты применяются и в качестве электромоторов в таких устройствах, у которых мощность превышает 50 кВт. Во время работы синхронного агрегата в графике двигателя сам ротор соединяют с источником постоянных токов, статор же подключают к трехфазному кабелю.

Структуры возбуждения

Любые турбо-, гидро-, дизельные генераторы, синхронные компенсаторы, моторы, производимые на данный момент, оснащаются новейшими полупроводниковыми структурами, такими как возбуждение синхронных генераторов.

В данных структурах применяется метод выпрямления трехфазных переменных токов возбудителей высокой или промышленной частоты либо напряжения возбуждаемого агрегата.

Устройство генератора таково, что структуры возбуждения могут обеспечить такие параметры работы агрегата, как:

Первая стадия возбуждения, то есть начальная.
Работа вхолостую.
Подключение к сети способом точной синхронизации либо самосинхронизации.
Работа в энергетической структуре с имеющимися нагрузками или перегрузками.
Возбуждение синхронных приборов может быть форсировано по таким критериям, как напряжение и ток, имеющими заданную кратность.
Электроторможение аппарата.

Разновидности агрегатов

Синхронный генератор (мотор) подразделяется на несколько моделей, которые предназначены для разнообразных целей:

Шаговые (импульсные) – применяются для приводов механизмов с циклом работы старт-стоп или устройств непрерывного движения с импульсным управляющим сигналом (счетчиков, лентопротяжных устройств, приводов станков с ЧПУ и др.).
Безредукторные – для применения в автономных системах.
Бесконтактные – применяются для работы в качестве электростанций на судах морского и речного флота.
Гистерезисные – используются для счетчиков времени, в инерционных электроприводах, в системах автоматического управления;
Индукторные моторы – для снабжения электроустановок.

Принцип действия синхронного трёхфазного генератора

Универсальный синхронный трёхфазный генератор представлен в виде специфического механизма переменного тока, который призван преобразовывать определённый тип энергии в электричество.

Именно этот агрегат отвечает за работоспособность солнечных батарей, электростатических машин, а также гальванических элементов.

На практике использование этих устройств определяется исключительно техническими характеристиками.

В синхронных генераторах ток нагрузки I, протекающий по цепи якорь — потребитель (рис. 11-3, 11-4), обычно сдвинут по фазе на некоторый угол Ψ относительно э. д. с. Е₀, созданной потоком полюсов Ф_в. Сдвиг этот зависит от вида нагрузки потребителя z и параметров генератора. Обычно ток бывает отстающим.

Ток якоря I создает н. с. якоря F_я, а последняя — поток якоря Ф_я (рис. 11-3), в результате чего возникает реакция якоря.

Если представить себе, что ток I совпадает по фазе с э. д. с. (рис. 11-3), то поток якоря Ф_я, созданный группами проводов якоря (по три), будет направлен поперек полюсных наконечников. Возникает такая же поперечная реакция якоря, как в генераторе постоянного тока. Однако при отстающем токе влияние реакции якоря в синхронной машине на режим работы значительно больше, чем в генераторе постоянного тока. В этом случае часть магнитных линий якоря замкнется вдоль полюсов, сильно размагничивая машину. Действие этой продольной реакции якоря тем сильнее, чем больше угол сдвига фаз между током I и э. д. с. Е₀ приближается к 90 эл. град.

На рис. 11-5 для двухполюсного генератора показано положение ротора, аналогичное представленному на рис 11-3. Направление э. д. с. в проводах якоря такое же, как на рис. 11-3, но на рис. 11-5 в проводах показано направление не э. д. с, а отстающего от нее на угол Ψ тока якоря I.

Рис 11-4. Схема включения генератора.

Под действием реакции якоря результирующий магнитный поток машины Ф уменьшается и э. д. с. нагруженной машины Е значительно меньше Е₀.

Рис. 11-5. Реакция якоря синхронного генератора.

Падение напряжения в проводах якоря I √(r 2 _я + x 2 _s) ≈Ix_s также больше, чем в машинах постоянного тока, и поэтому процентное изменение напряжения синхронного генератора при отстающем токе очень велико:

На рис. 11-6 показана внешняя характеристика синхронного генератора при отстающем токе, т. е.

U = f(I)

при I_н = const, f = const,

Все сказанное иллюстрируется векторной диаграммой генератора (рис. 11-7), подобной диаграмме для вторичной цепи трансформатора (см. рис. 9-9). Намагничивающая сила ротора F_в создает поток Ф_в, который при холостом ходе наводит э. д. с. E₀. Если в обмотке якоря протекает ток I ,отстающий от э. д. с. Е₀ на угол Ψ, то н. с. якоря F_я, совпадающая по фазе с I, сдвинута от н. с. F_в на угол, больший 90°.

Рис. 11-6. Внешняя характеристика синхронного генератора.

Суммарный поток Ф нагруженной машины создается результирующей н. с. F = F_в + F_я меньшей и, следовательно, при нагрузке создается э. д. с. Е

ВКЛЮЧЕНИЕ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ НА ПАРАЛЛЕЛЬНУЮ РАБОТУ

Чем вызывается необходимость включения на параллельную работу электрических машин. Схема включения на параллельную работу двух однофазных синхронных генераторов показана на рис 11-8.

Рис. 11-7. Векторная диаграмма синхронного генератора.

Статоры двух генераторов условно показаны в виде стальных колец со спиральными обмотками якорей A₁X₁ и А₂Х₂. Генератор № 1 подключен к общим шинам 1, от которых питается линия потребителя 2. К этим же шинам требуется подключить генератор № 2. Роторы генераторов показаны в виде двух магнитов, которые приводятся во вращение своими первичными двигателями. Генератор № 1 работает при U₁ = const, f₁ = const и I₁ = const.

Для включения на шины генератора № 2 ротор его приводят во вращение, возбуждают и устанавливают U₂ = U₁; f₂ = f₁ .

Рис. 11-8. Включение однофазных генераторов на параллельную работу.

Если бы это были трансформаторы, то было бы достаточно проверить, что разность потенциалов между зажимами а — а и х — х равна нулю и рубильник генератора № 2 замкнуть. В данном случае этого недостаточно, так как генераторы не связаны механически и электрически и роторы их могут вращаться с отличающимися друг от друга скоростями п₁ и п₂ . Пусть вектор U₁ генератора № 1 (рис. 11-9, а) вращается в указанном направлении с постоянной угловой скоростью ω₁. Если представить себе, что вектор U₁ неподвижен, то при п₂ ≠ п₁ вектор э. д. с. Е₂, генератора № 2 может вращаться медленнее или быстрее, чем вектор U₁ и значит перемещаться относительно его со скоростью ω₁ — ω₂. Включить рубильник генератора № 2 можно только в момент совпадения по фазе U₁

Рис. 11-9. Включение трехфазного генератора на параллельную работу.

и E₂, т е. когда разность потенциалов между зажимами а — а и х — х равна нулю. В этот момент при обходе замкнутого контура обмоток якорей, например, в направлении X₁,—шина А₁, лампа, А₂— Х₂, лампа, шина 2, Х₁ можно заметить, что U₁ и Е₂ действуют встречно друг другу и изображены на рис. 11-9, а в противофазе.

Для обнаружения этого момента служит приспособление для синхронизации, которое в данном случае показано на рис. 11-8 в виде двух сигнальных ламп. В процессе синхронизации эти лампы периодически загораются и гаснут. Период их мигания тем больше, чем меньше п₁ — п₂, и момент включения легко определяется. Когда лампы погасли, рубильник включают; с этого момента генераторы работают синхронно, т. е, их роторы вращаются с неизменными равными угловыми скоростями. Если бы число полюсов генераторов было неодинаковым, то роторы их вращались бы с уг ловыми скоростями, обратно пропорциональными числам их полюсов. Точно так же синхронизируют трехфазные генераторы, присоединяя три лампы на встречные зажимы (рис. 11-9,6). Включение генераторов возможно только при одновременном погасании трех ламп. Звездочки векторов U₁ и Е₂, т. е. А₁В₁С₁ и А₂В₂С₂, показаны для этого момента в противофазе. В действительности на электрических станциях для синхронизации применяется синхроноскоп, позволяющий определить не только момент включения, но и обнаружить медленнее или быстрее, чем надо, вращается ротор подключаемого генератора.

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С СЕТЬЮ ПРИ НЕИЗМЕННОМ ТОКЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Полагаем, что генератор № 2 (рис. 11-8) включен параллельно с генератором № 1, обладающим мощностью P_н, несоизмеримо большей по сравнению с мощностью Р_2н генератора № 2. этом случае любые операции с генератором № 2 не вызовут изменения U₁ и f₁ генератора № 7. Рассмотрение ведется для одной фазы. После включения генератора № 2 роторы генераторов вращаются с одной скоростью п₁= п₂ — const, а векторы U₁ и Е₂ находятся в противофазе (рис. 11-9, а) и вращаются в одну сторону с ω₁ = ω_синхр = const. Первичный двигатель генератора № 2 развивает такую мощность, при которой покрываются потери холостого хода генератора, так как ток I₂ = 0.

Если увеличить количество энергии, подводимой к первичному двигателю генератора № 2 (воды, пара и др.), то вращающий момент двигателя станет больше момента сопротивления и ротор генератора № 2 начнет вращаться с ускорением. Его ротор медленно смещается относительно ротора генератора № 1 , и между осями роторов появляется угол рассогласования б. На этот же угол б забегает вперед по отношению к положению холостого хода э. д. с. E₂, что и показано на рис. 11-10.

Рис. 11-10. Векторная диаграмма генератора при параллельной работе.

Теперь U ₁ и Е₂ не уравновешиваются, появляется разность ∆Е и в замкнутом контуре обмоток якорей протекает ток

здесь х = х₁ + х₂ — реактивное сопротивление обмоток якорей; активным сопротивлением пренебрегают, так как оно очень мало.

Ток I₂ отстает от ∆E на угол 90° (на четверть периода), но почти совпадает по фазе с Е₂. Генератор развивает мощность Р₂ = E₂I₂ cos Ψ₂. Активная слагающая тока I ₂ cos Ψ₂ создает тормозной момент тем больший, чем больше угол 6.

Рис. 11-11. Диаграмма работы синхронной машины при неизменном токе возбуждения.

При некоторой величине 9 тормозной момент уравновешивает избыточный вращающий, ускорение ротора становится равным нулю и он вращается опять при ω₁ = const.

Таким образом, чтобы нагрузить генератор, следует увеличить вращающий момент первичного двигателя, т. е. увеличить количество подводимой к нему энергии.

Если после включения генератора № 2 вращающий момент его первичного двигателя уменьшить, то угол Э и мощность Р₂ уменьшаются, т. е. Генератор сбрасывает нагрузку. При дальнейшем уменьшении вращающего момента ротор может начать отставать от положения холостого хода. Опять появляется угол рассогласования 0, но уже в обратную сторону; э. д. с. отстает от положения холостого хода (рис. 11-11), появляется разность э. д. с. ∆E и ток I₁ . Этот ток отстает от ∆E на 90°, но почти совпадает по фазе с U ₁ . В этом случае генератор №1 развивает мощность Р₁ = U ₁I₁ cos φ₁ за счет которой создается вращающий момент, и синхронная машина № 2 переходит в режим двигателя. Такой режим на электростанциях не допускается и машина автоматически отключается от шин при помощи реле обратной мощности.

Статья на тему Синхронный генератор под нагрузкой

Устройство

В конструкции синхронных генераторов используются две основные рабочие детали – вращающийся ротор и неподвижный статор. На валу ротора располагаются постоянные магниты либо обмотки возбуждения. Магниты имеют зубчатую форму, с противоположно направленными полюсами.

Бесщёточные генераторы.

Обмотки статора размещают таким образом, чтобы их сердечники совпадали с выступами магнитных полюсов ротора, или с сердечниками катушек ротора. Количество зубцов магнита, обычно, не превышает 6. При такой конструкции вырабатываемый ток снимается непосредственно с обмоток статоров. Другими словами, статор выступает в роли якоря.

В принципе, постоянные магниты можно расположить на статоре, а рабочие обмотки, в которых будет индуцироваться ЭДС, — на роторе. Работоспособность генератора от этого не изменится, однако потребуются кольца и щётки для снятия напряжения с обмоток якоря, а это, чаще всего, не рационально.

Схематическое изображение бесщеточного генератора без обмоток возбуждения изображено на рис. 1.

Рис. 1. Модель генератора с магнитным ротором

Пояснение:

Синхронные машины с индукторами.

Заметим, что постоянные магниты в качестве ротора используются в альтернаторах небольшой мощности. В мощных электрических машинах всегда применяются обмотки индуктора с независимым возбуждением. Независимым источником питания является маломощный генератор постоянного тока, смонтированный на валу синхронного двигателя.

Существуют конструкции синхронных генераторов малой и средней мощности, с самовозбуждающимися обмотками. Для возбуждения индуктора выпрямленный ток фазных обмоток подаётся через щётки на кольца, расположенные на валу статора. Строение такого альтернатора показано на рис. 2.

Рис. 2. Строение синхронного генератора средней мощности

Обратите внимание на наличие щёток, на которые подаётся питания от независимого источника.

По количеству фаз синхронные генераторы делятся на:

однофазные;
двухфазные;
трёхфазные.

По конструкции ротора можно выделить генераторы с явновыраженными полюсами и с неявновыраженными. В неявнополюсном роторе отсутствуют выступы, а катушки провода якоря спрятаны в пазы статора.

По способу соединения фазных обмоток различают трёхфазные генераторы:

Принцип работы

Рассмотрим принцип генерации тока на примере контурной рамки, помещённой между магнитными полюсами. (Рис. 3)

Рис. 3. Схема, объясняющая принцип работы генератора

Если заставить рамку вращаться (по направлению стрелок), то она будет пересекать магнитные силовые линии. При этом, по закону электромагнитной индукции, в рамке индуцируется электрический ток, который проявляется при подключении нагрузки к щёткам. Его направление можно определить по правилу буравчика. На схеме направление тока показано чёрными стрелками.

Обратите внимание на то, что на участках рамки ab и cd ток движется в противоположных направлениях. Эти направления меняются при переходе участков рамки от одного полюса к другому полюсу магнита. Если каждый вывод рамки подключить к отдельному кольцу (на рисунке они подключены к коллектору!), то на выходе мы получим переменный ток.

Величина тока пропорциональна скорости вращения ротора. Кроме того, переменный ток характеризуется ещё одним параметром – частотой. Эта величина напрямую зависит от частоты вращения вала.

Частота тока в электросетях строго соблюдается. В России и в ряде других стран она составляет 50 Гц, то есть 50 колебаний в секунду.

Этот параметр довольно легко вычислить из таких соображений: за один оборот рамки (или двухполюсного магнита) происходит одно изменение направления тока. Если вал синхронного генератора делает 1 оборот в секунду, то частота переменного тока составит 1 Гц. Для получения частоты 50 Гц необходимо обеспечить 50 оборотов статора в секунду или 3000 об./мин.

При возрастании числа полюсов заданная частота удерживается путём снижения скорости вращения статора. (обратно пропорциональная зависимость). Так, для четерёхполюсного статора (число полюсов в два раза больше) для поддержания частоты 50 Гц скорость вращения вала необходимо снизить в два раза. Соответственно если используется 6 полюсов, то частота вращения вала должна уменьшиться в три раза – до 1000 об./мин.

Заметим, что в некоторых странах, таких как США, Япония и др. существуют другие стандарты – 60 Гц, а переменный 400 Гц используется, например, в бортовой сети современных самолётов.

Регулирование частоты

Достигнуть требуемых параметров частоты можно 2 путями:

Сконструировать генератор с определённым количеством полюсов электромагнитов.
Обеспечить соответствующую расчётную частоту вращения вала.

Например, в тихоходных гидротурбинах, вращающихся со скоростью 150 об./мин. для регулирования частоты число полюсов синхронных генераторов увеличивают до 40. На дизельных электростанциях, при скоростях вращения 750 об./мин., оптимальное число полюсов – 8.

Регулирование ЭДС

В связи с изменениями параметров активных нагрузок возникает необходимость в выравнивании номинальных напряжений. Несмотря на то, что ЭДС индукции синхронного генератора связана со скоростью вращения ротора, однако, из-за требований по соблюдению стабильной частоты, этим способом нельзя изменять указанный параметр. Но параметры магнитной индукции можно изменить путём снижения или увеличения магнитного потока, который зависит от количества витков обмотки индуктора и величины тока возбуждения.

Регулирование осуществляется путём включения в цепь катушек возбуждения дополнительных реостатов, электронных схем или регулировкой тока генератора-возбудителя (Рис. 4). В случае использования альтернаторов с постоянными магнитами, в таких устройствах напряжение регулируется внешними стабилизаторами.

Рис. 4. Схема регулировки напряжения

Благодаря малому весу и отличным токовым характеристикам синхронные генераторы переменного тока нашли применение во всех современных автомобилях. Поскольку бортовая сеть авто использует постоянный ток, конструкции автомобильных генераторов оборудованы трехфазным выпрямителем. Для выпрямляемых переменных токов частота не имеет значения, а вот напряжение должно быть стабильно. Этого добиваются с помощью внешних электронных устройств. На рисунке 5 представлена электрическая схема подключения генератора к бортовой сети современного автомобиля.

Рис. 5. Схема подключения генератора к бортовой сети авто

Применение

У синхронных генераторов переменного тока есть одна важная особенность: они поддаются синхронизации с другими подобными электрическими машинами. При этом синхронные скорости и ЭДС параллельно включенных альтернаторов совпадают, а фазовый сдвиг равен нулю. Данное обстоятельство позволяет применять устройства в промышленной энергетике и подключать резервные генераторы при превышении номинальных мощностей в часы пиковых нагрузок.

Трёхфазные тяговые генераторы применяют на тепловозах. Переменные токи для питания двигателей выпрямляются полупроводниковыми устройствами. Сегодня в России уже выпускаются тепловозы на базе асинхронных электродвигателей, не требующих выпрямления тока. В режиме торможения они работают в качестве асинхронных генераторов.

Синхронные генераторы устанавливают на гибридных автомобилях с целью совмещения тяги ДВС и мощности тяговых электродвигателей. Развивая активную мощность при номинальных нагрузках, они позволяют экономить дорогое топливо.

Существует много других сфер применения. Например, мобильные мини-электростанции, бытовые генераторы тока, как однофазный двигатель и т. п.

Читайте также: