Принцип действия синхронного генератора

Если обмотку возбуждения ротора подключить к источнику постоянного тока – возбудителю, то в машине будет создано основное магнитное поле, неподвижное относительно ротора и не изменяющееся во времени. При вращении ротора с помощью первичного приводного двигателя это магнитное поле, вращаясь вместе с ротором, пересекает проводники обмоток статора и индуктирует в них переменную ЭДС, частота которой зависит от числа полюсов машины и частоты вращения ротора

. (1)

Для получения ЭДС синусоидальной формы необходимо, чтобы распределение магнитной индукции в воздушном зазоре вдоль окружности статора было синусоидальным. Это достигается у явнополюсных машин приданием полюсным наконечникам особой формы, а у неявнополюсных – за счет соответствующего распределения обмотки возбуждения по пазам ротора.

Поскольку обмотки отдельных фаз статора смещены в пространстве на 120°, то и ЭДС обмоток при одинаковой частоте и амплитуде будут отличаться по фазе относительно друг друга на 120°, или одну треть периода. Получается трехфазная система ЭДС

Действующее значение ЭДС определяется той же зависимостью, что и у асинхронных двигателей

, (2)

где Ф_0m – амплитуда магнитного потока полюса; w₁ – число витков фазы статора; k₀₁ – обмоточный коэффициент.

При n=const, E₀=kФ_0m, а так как основной магнитный поток определяется током возбуждения ротора Ф_0m=f(I_вс), то и ЭДС зависит только от тока возбуждения.

В комплексной форме трехфазная система ЭДС запишется в виде:

(3)

При подключении к обмотке статора приемников электрической энергии в фазах обмотки статора потечет переменный трехфазный ток, который создает вращающееся магнитное поле статора. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора.

Взаимное расположение полей статора и ротора и характер их взаимодействия зависит от характера нагрузки генератора, т.е. от сдвига по фазе тока статора по отношению к напряжению.

Результирующее; магнитное поле нагруженного генератора определяется совместным действием обмоток статора и обмоток возбуждения ротора. В результате взаимодействия полей статора и ротора и осуществляется преобразование механической энергии приводного двигателя в электрическую в виде трехфазного тока.

В качестве первичных двигателей синхронных генераторов используются паровые, газовые, гидравлические турбины, а также двигатели внутреннего сгорания.

Основные характеристики синхронных генераторов

Важнейшими характеристиками синхронных генераторов, определяющими их эксплуатационные свойства, являются: характеристика холостого хода: внешняя и регулировочная. Характеристики генераторов могут быть получены как опытным, так и расчетным путем.

Характеристика холостого хода представляет собой зависимость E₀=f(I_f), показывающую, как изменяется ЭДС генератора с изменением тока возбуждения ротора при холостом ходе (I=0) и постоянной частоте вращения ротора (n=n₀).

При постоянной частоте вращения ротора и отсутствии нагрузки (тока статора) ЭДС зависит только от магнитного потока обмотки возбуждения, а значит только от тока в обмотке возбуждения I_вс:

Форма характеристики холостого хода аналогична форме кривой намагничивания (рис.3.2).

Рис. 3.2

Характеристика холостого хода позволяет судить о степени насыщения магнитной цепи машины, о величине воздушного зазора, а также определяет величину тока возбуждения, необходимого для получения ЭДС заданной величины.

Внешняя характеристика представляет собой зависимость U₁=f(I₁), показывающую, как изменяется напряжение генератора при изменении тока нагрузки и постоянных частоте вращения n=n₀, токе возбуждения I_вс и коэффициенте мощности нагрузки cos.

Внешние характеристики генератора при активной (=0), индуктивной (>0) и емкостной (<0) нагрузках, полученные при одинаковых для всех характеристик значениях U_1ном и U₁₀ приведены на рис.3.3 а и б. Наклон характеристик обусловлен характером нагрузки. Относительное изменение напряжения генератора определяется по формуле

(4)

где U₁₀=E₀ – напряжение генератора при холостом ходе. При активно-индуктивной нагрузке и cos=0,8 для разных машин большой и средней мощности U_н=(15…35)%.

Рис. 3.3

Регулировочная характеристика представляет собой зависимость I_f=f(I) при U₁=U_1н=соnst, n=n₀=const (f=f_н=const) и cos=const. Характеристика показывает, как надо изменять ток возбуждения генератора при изменении тока нагрузки, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось постоянным. Регулировочные характеристики для нагрузок различного характера приведены на рис.3.4. Различие обусловлено характером нагрузки генератора.

Рис. 3.4

Относительное изменение тока возбуждения определяется по формуле

, (5)

где I_во – ток возбуждения генератора в режиме холостого хода.

Полная и активная мощности, отдаваемые синхронным генератором приемникам электроэнергии, определяются соответственно по формулам:

(6)

. (7)

Пренебрегая потерями в обмотке статора, можно определить электромагнитную мощность генератора из условия

, (8)

где E₀=U₁₀ – ЭДС фазы статора, равная напряжению в режиме холостого хода; U₁ – фазное напряжение генератора; x₁ – синхронное индуктивное сопротивление генератора;  – угол нагрузки, равный углу смещения оси ротора относительно вращающегося поля статора.

Зависимость (8) может быть использована для определения угла .

В случае использования в качестве приводного двигателя генератора электродвигателя легко определяется КПД агрегата

,

где – полезная мощность генератора, Вт; P_1Д=UI – мощность, потребляемая двигателем постоянного тока.

Если приводной электродвигатель и генератор имеют практически равные мощности, то и КПД их можно считать равными,

, тогда

. (9)

Мощность, подводимая к валу синхронного генератора, определится по КПД и полезной мощности генератора

. (10)

В нагрузочном режиме на ротор генератора действует тормозной момент, уравновешивающий вращающий момент первичного двигателя,

, (11)

где ₀=2f/p=2n₀/60 – угловая частота вращения ротора.