Устройство и принцип действия синхронного генератора, и его применение в промышленности.

Статор синхронной машины по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя. В пазах статора размещается трехфазная, двухфазная или однофазная обмотки. Заметное отличие имеет ротор, который принципиально представляет собой постоянный магнит или электромагнит. Это налагает особые требования на геометрическую форму ротора. Любой магнит имеет полюса, число которых может быть два и более. На рис. 6.1.1 приведены две конструкции генераторов, с тихоходным и быстроходным ротором.

Быстроходными бывают, как правило, турбогенераторы. Количество пар магнитных полюсов у них равно единице. Чтобы такой генератор вырабатывал электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц, его необходимо вращать с частотой

На гидроэлектростанциях вращение ротора зависит от движения водяного потока. Но и при медленном вращении такой генератор должен вырабатывать электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц. Поэтому для каждой гидроэлектростанции конструируется свой генератор, на определенное число магнитных полюсов на роторе. В качестве примера приведем параметры синхронного генератора, работающего на Днепровской ГЭС. Водяной поток вращает ротор генератора с частотой n = 33,3 об / мин. Задавшись частотой f = 50 Гц, определим число пар полюсов на роторе:

Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, кото-рое, пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС. При подключении к генератору нагрузки генератор будет являться источником переменного тока.

Внешняя характеристика синхронного генератора.

Внешние характеристики. Зависимости напряжения Uот тока нагрузки 1_а при неизменных токе возбуждения I_в, угле

 и частоте f_х (постоянной частоте вращения ротора п₂)называют внешними характеристиками генератора. Их можно построить с помощью векторных диаграмм. Допустим, что при номинальной нагрузке I_аном генератор имеет номинальное напряжение U_HOM, что достигается путем соответствующего выбора тока возбуждения. При уменьшении тока нагрузки до   нуля   напряжение   генератора   становится   равным   ЭДС 

Рис. 8.18.    Упрощенные   векторные   диаграммы  синхронного   неявнополюсного

генератора при различных видах нагрузки

холостого хода Е_о.Следовательно, векторная диаграмма, построенная при номинальной нагрузке, сразу дает две точки внешней   характеристики. Форма внешней  характеристики   зависит   от   характера нагрузки, т. е. от угла сдвига фаз φ между  и , так как в зависимости от этого изменяется вектор(при заданном значении   U= U_HOM).

 На рис. 8.18  показаны  упрощенные векторные диаграммы генератора с неявно выраженными полюсами для активной (я), активно-индуктивной (б) и активно-емкостной (в)нагрузок. При активной и активно-индуктивной нагрузках ЭДСE₀>U; при активно-емкостной   нагрузке   ЭДС   E₀<U.  Таким   образом, в первых двух случаях при увеличении нагрузки напряжение генератора уменьшается, в третьем—увеличивается. Это объясняется тем, что при активно-емкостной нагрузке имеется продольная намагничивающая составляющая реакция якоря, а при активной и  активно-индуктивной  нагрузках—продольная  размагничивающая составляющая (при чисто активной нагрузке угол ψ>0).

На рис. 8.19, а изображены внешние характеристики генератора   при   различных   видах   нагрузки,   полученные   при одинаковом для всех характеристик U_HOM. Однако для этого требуется устанавливать различные токи возбуждения, вследствие чего генератор будет иметь различные ЭДС (напряжения при холостом ходе). Если устанавливать одинаковое напряжение при холостом ходе U₀ = E₀ (рис. 8.19,6), то при номинальном токе напряжения U_ном будут различными. При U=0 (короткое замыкание) все характеристики пересекаются в одной точке, соответствующей значению тока I_к. 

Рис. 8.19. Внешние характеристики синхронного генератора при  различных  видах  нагрузки

  При переходе от режима холостого хода к режиму номинальной нагрузки изменение напряжения (%) характеризуется величиной

Обычно генераторы работают с cos φ = 0,9...0,85 при отстающем токе. В этом случае Δu = 25...35%. Чтобы подключенные к генератору потребители работали при напряжении, близком к номинальному, применяют специаль­ные устройства, стабилизирующие его выходное напряжениеU, например быстродействующие регуляторы тока возбуж­дения. Чем больше Δи, тем более сложным получается регулирующее устройство, а поэтому желательно иметь генераторы с небольшой величиной Δи. Однако для полу­чения небольшого изменения Δи необходимо снижать синх­ронное индуктивное сопротивление Х_сн (в неявнополюсных машинах) или соответственно X_d и X_q (в явнополюсных машинах), для чего требуется увеличивать воздушный зазор между ротором и статором. Это, в свою очередь, требует увеличения МДС обмотки возбуждения, т. е. ее размеров, что в конечном итоге делает синхронную машину более дорогой.

В турбогенераторах большой мощности мощность огра­ничивается именно размерами ротора, на котором размещена обмотка возбуждения. Поэтому в современных турбогене­раторах с повышением мощности машины одновременно возрастает и изменение напряжения Δu. В гидрогенераторах (по сравнению с турбогенераторами) воздушный зазор обычно имеет гораздо большую величину, поэтому у них относитель­но слабее проявляется реакция якоря, т. е. они имеют меньшие синхронные индуктивные сопротивления, выраженные в отно­сительных единицах, что обусловливает и меньшее изменение напряжения Δи.