Синхронный генератор переменного тока: устройство, принцип работы, применение

История создания

В конце 19 века компания Роберт Бош впервые разработала что-то похожее на генератор. Блок смог зажечь двигатель. В процессе тестирования было установлено, что машина не пригодна для постоянного использования, однако разработчикам удалось улучшить устройство.

В 1890 году компания практически полностью переключилась на производство этого оборудования, когда оно приобрело большую популярность. В 1902 году ученик Боша создал зажигание с помощью высокого напряжения. Устройство могло производить искру между двумя электродами света, что делало систему более универсальной.

Начало 60-х годов ХХ века стало эпохой распространения генераторов по всему миру. И если раньше устройства были востребованы только в автомобильной промышленности, то теперь такие устройства способны питать целые дома.

Устройство

В конструкции синхронных генераторов используются две основные рабочие части — вращающийся ротор и неподвижный статор. На валу ротора расположены постоянные магниты или обмотки возбуждения. Магниты зубчатые, с противоположными полюсами.

Обмотки статора размещают таким образом, чтобы их сердечники совпадали с выступами магнитных полюсов ротора, либо с сердечниками катушек ротора. Количество зубцов магнита обычно не превышает 6. При такой конструкции генерируемый ток берется непосредственно с обмоток статора. Другими словами, статор действует как якорь.

В принципе, на статоре можно разместить постоянные магниты, а на роторе — рабочие обмотки, в которых будет индуцироваться ЭДС. Производительность генератора от этого не изменится, но понадобятся кольца и щетки для снятия напряжения с обмоток якоря, а это чаще всего не рационально.

Схематичное изображение бесщеточного генератора без обмоток возбуждения показано на рис.

Рис. 1. Модель генератора с магнитным ротором

Объяснение:

• блок-схема;
• конструкция магнитных полюсов на якорях. Здесь буквами NS обозначен соосный магнит с полюсами, а буквой R обозначен стальной магнитопровод ротора в виде когтеобразных наконечников.
• модель генератора в разрезе. Выводы фазных обмоток статора соединены «звездой».

Обратите внимание, что постоянные магниты, такие как роторы, используются в динамо-машинах малой мощности. В мощных электрических машинах всегда применяют индукторные обмотки с независимым возбуждением. Автономным источником питания является генератор постоянного тока малой мощности, установленный на валу синхронного двигателя.

Это конструкции синхронных генераторов малой и средней мощности с самовозбуждающимися обмотками. Для возбуждения индуктора выпрямленный ток фазных обмоток подается через щетки на кольца, расположенные на валу статора. Структура такого динамо показана на рис. 2.

Рис. 2. Структура синхронного генератора средней мощности

Обратите внимание на наличие щеток, которые питаются от независимого источника.

По количеству фаз синхронные генераторы делятся на:

• простая фаза;
• двухфазный;
• трехфазный.

По конструкции ротора различают генераторы с явными и неявными полюсами. В невыступающем полюсном роторе нет выступов, а витки провода якоря спрятаны в пазах статора.

По способу соединения фазных обмоток различают трехфазные генераторы:

• подключен через шестипроводную систему Теслы (практического применения не нашел);
• «звезда»;
• «треугольник»;
• комбинация из шести обмоток, соединенных в виде «звезды» и «треугольника». Это соединение еще называют «Славянкой».

Наиболее распространено соединение «звездой» с нейтральным проводом.

Основные виды генераторов переменного тока

Есть и другие виды, но они менее распространены.

• Тип возбуждения:
  • Независимое возбуждение. В этом случае на одном валу с генератором находится также генератор постоянного тока, питающий только обмотку возбуждения. При этом возбуждение может осуществляться и любым другим источником питания, например аккумулятором.
  • Самовозбуждение. В этом случае напряжение для обмотки возбуждения получают непосредственно от работающего генератора.
  • Возбуждение с помощью магнитов, которые располагаются на статоре или на якоре, что значительно упрощает конструкцию генератора, но таким способом не получится получить мощные генераторы.

Синхронный генератор : схема, устройство, принцип работы

Что означает синхронный по отношению к двигателю или генератору? Если совсем просто, то частота переменного тока находится в строгой зависимости от скорости вращения ротора электрической машины и наоборот. Таким образом, частотой переменного тока можно управлять относительно легко.

Сам по себе синхронный генератор имеет ряд преимуществ, благодаря которым он стал самым распространенным. Открою вам большой секрет, есть синхронные генераторы, которые используются на всех станциях, где производится электроэнергия.

Приводным двигателем (на схеме обозначен как ПД) может быть любое вращающееся устройство: двигатель, турбина, крыльчатка ветряной мельницы или водяное колесо. На одном валу с ПД находится ротор генератора с обмоткой возбуждения. На обмотку подается постоянное напряжение и вокруг обмотки образуется магнитное поле.

При вращении ротора в обмотках статора возникает ЭДС, то есть появляется напряжение, только переменное, частота которого зависит от скорости вращения ротора n1 и числа пар полюсов p.Частота ЭДС может быть рассчитывается по формуле.

Асинхронный генератор: схема, устройство, принцип работы

Блок асинхронного генератора

Асинхронный генератор на самом деле является асинхронным двигателем. То есть любой асинхронный двигатель можно перевести в режим генерации тока и наоборот. Конструктивно агрегат, который называют генератором, устроен таким образом, что имеет хорошее охлаждение. Мы не будем глубоко останавливаться на принципе работы асинхронных машин, но кратко расскажу, почему они называются асинхронными, на примере двигателя.

При подаче напряжения на обмотки статора образуется магнитное поле, у трехфазных двигателей оно круглое, у однофазных эллиптическое, стремится к круглому. Магнитное поле начинает пересекать витки обмотки статора.

В короткозамкнутой обмотке ротора возникает ЭДС, то есть напряжение, а так как обмотка короткозамкнута, то по ней начинает протекать ток, который также создает магнитное поле. Взаимодействие между этими магнитными полями приводит в движение ротор. Что произойдет, если скорость ротора станет равной скорости магнитного поля, создаваемого статором?

Правильно, магнитное поле статора перестанет пересекать обмотку ротора. Это можно сравнить с двумя автомобилями, движущимися с одинаковой скоростью. Машины как бы движутся, но в то же время по отношению друг к другу они кажутся неподвижными, только земля на большой скорости проносится под машинами.

Как только скорость ротора и скорость магнитного поля статора станут одинаковыми, в обмотке ротора перестанет генерироваться ЭДС, прекратится взаимодействие магнитных полей статора и ротора и ротор начать останавливаться. Поэтому частота вращения ротора асинхронного двигателя всегда несколько меньше скорости вращения магнитного поля статора, и эта величина называется скольжением.

Итак, чтобы асинхронный двигатель стал генератором, необходимо определить помол и увеличить на эту величину частоту вращения ротора. Допустим, у нас есть однополюсный трехфазный асинхронный двигатель с частотой вращения вала 2800 оборотов.

Если бы такой двигатель был синхронным, скорость вращения была бы 3000 оборотов. То есть помол составляет 200 об/мин. Это означает, что если мы начнем вращать ротор со скоростью 3200 об/мин, то двигатель перейдет в генераторный режим и будет уже не потреблять, а генерировать ЭДС.

Сложность использования таких генераторов заключается в том, что они склонны к выходу из строя. Например, если включить резистивную нагрузку (лампочку или обогреватель), пусковой ток будет мал. Не будет значительных перегрузок и генератор будет работать стабильно.

Если включить реактивную нагрузку, например двигатель, будет большой пусковой ток, превышающий номинальный ток в 5-20 раз, что «выведет из строя» генератор, то есть вызовет резкое падение напряжения на обмотках генератора. После такого отказа асинхронный генератор необходимо повторно возбудить. Так что простота асинхронного генератора компенсируется серьезным недостатком.

Ну и еще нужен блок конденсаторов для возбуждения короткозамкнутой обмотки ротора. Если подобрать неправильную емкость конденсаторов, то при «недоборе» от генератора мы получим меньше мощности, а при «переборе» наш генератор сильно перегреется.

Характеристики

Чтобы оценить работу генератора, нужно посмотреть на его характеристики. Принципиально они такие же, как и для станции, вырабатывающей постоянный ток. Важнейшими параметрами оценки являются несколько факторов.

• Холостой ход. Он представляет собой зависимость ЭДС от силы движущихся токов, ответственных за возбуждение демпферной катушки. С его помощью можно определить способность цепей намагничиваться.
• Внешние характеристики. Он включает в себя параллельное соединение между напряжением катушки и током нагрузки. Значение зависит от типа нагрузки, применяемой к устройству. Среди причин, которые могут вызвать изменения, можно назвать увеличение или уменьшение ЭДС устройства, а также падение напряжения на обмотках установленной катушки, которая находится внутри устройства.
• Корректирование. Представляет взаимосвязь между токами возбуждения и токами нагрузки. Обеспечение работоспособности и защиты синхронных устройств достигается за счет контроля этого показателя. Этого легко добиться, если постоянно регулировать ЭДС.

Еще один важный параметр – мощность. Определить значение можно с помощью показателей по ЭДС, напряжению и угловому сопротивлению.

Схемы подключения

Даже не схемы обмена, а альтернативы. Обычно их три:

 

• Автоматическое включение. В этом случае устанавливается специальный блок аварийного включения. Как только сетевое напряжение отключается, устройство дает команду на запуск генератора и подключает сеть от внешнего источника питания к генераторной установке.
• Ручная активация. В этом случае пользователь сам выполняет операцию переключения с внешнего источника питания на генераторную установку и запускает генератор вручную.
• Синхронная работа. Этот режим в основном используется на крупных станциях, генераторы которых объединены в одну сеть. Все генераторы в этой сети работают синхронно, с одинаковой частотой, с одинаковым чередованием фаз и с одинаковым напряжением на обмотках статора.

Однофазный генератор

Я не буду вдаваться в подробности здесь. Такие устройства сейчас можно найти в любом хозяйственном магазине. Если в качестве резервного источника электроэнергии используется однофазный генератор, его обычно подключают к домовой сети через выключатель.

Это означает, что к одной сети нельзя одновременно подключить внешний источник питания и генератор — ни тот, ни другой. Во-первых, это не нужно, а во-вторых, усложнит и удорожит бытовые генераторы. Единственное, на чем здесь могу остановиться, так это на включении однофазного генератора в трехфазную сеть.

Включение однофазного генератора в трехфазную сеть

Однако у этого метода есть свой недостаток. Трехфазные двигатели в такой сети работать не будут, но если их включить, то они очень быстро нагреются и выйдут из строя.

Трехфазный генератор

Трехфазные генераторы могут быть бытовыми и промышленными. Устройство генератора трехфазного тока в бытовом исполнении практически ничем не отличается от однофазного, как и схема включения.

Единственным условием подключения бытового генератора к сети, если в такой сети есть трехфазные двигатели, является соблюдение чередования фаз. Если нагрузка в доме однофазная, такой предосторожностью можно пренебречь.

Трехфазный электрогенератор в промышленном исполнении представляет собой агрегат с автоматическим пуском и иногда может быть оснащен синхронизирующим узлом. Подключение таких генераторов лучше доверить специалистам.

Ну а бытовой генератор так же, как и однофазный, подключается к сети через рубильник. Поэтому в зависимости от положения переключателя работает либо внешний источник питания, либо генератор.

Читайте также: Переключатель на 2 положения: схема подключения, двухполюсный и другие разновидности

Виды

Сегодня производители выпускают синхронные генераторы нескольких типов. Среди существующих классификаций некоторые заслуживают особого внимания. В первую очередь стоит рассмотреть деление агрегатов по конструктивному узлу. Генераторы бывают двух типов.

• Бесщеточный. Конструкция генератора предполагает использование статорных обмоток. Их располагают так, чтобы сердечники элементов совпадали с направлением либо магнитных полюсов, либо сердечников, расположенных на катушке. Максимальное количество магнитных зубьев не должно превышать 6 штук.

• Синхронный, оснащенный индуктором. Если говорить о наладочных машинах, работающих на малой мощности, то в качестве ротора используются магниты постоянного тока. В противном случае ротор является обмоткой индуктора.

Следующая классификация предполагает разделение мобильных станций на отдельные типы.

• Гидрогенераторы. Отличительной чертой устройства является ротор с ярко выраженными полюсами. Такие устройства используются для выработки электроэнергии там, где нет необходимости обеспечивать большое количество оборотов устройства.

• Турбогенераторы. Отличие заключается в отсутствии ярко выраженных полюсов. Устройство собрано из разных турбин, оно способно увеличить количество оборотов ротора в несколько раз.

• Синхронные компенсаторы. Применяется для достижения реактивной мощности – важного показателя на промышленных предприятиях. С его помощью можно улучшить качество подаваемого тока и стабилизировать показатели напряжения.

Существует несколько распространенных моделей таких устройств.

• Степпер. Применяются для обеспечения работы приводов, установленных в механизмах, имеющих пуск-стопный цикл работы.

• Безредукторный. В основном используется в автономных системах.

• Бесконтактный. Востребованы в качестве основных или резервных мобильных станций на кораблях.

• Гистерезис. Такие генераторы используются для счетчиков времени.

• Катушка индуктивности. Обеспечивать работу электроустановок.

Еще одним типом разделения агрегатов является тип используемого ротора. В этой категории генераторы делятся на агрегаты с явнополюсным ротором и неявнополюсным ротором.

Первый — это юниты, где четко видны полосы. Они характеризуются низкой скоростью вращения ротора. Вторая категория имеет цилиндрический по конструкции ротор, не имеющий выступающих стоек.

Область применения

Синхронные генераторы – это устройства, предназначенные для выработки переменного тока. Встретить такие отряды можно на разных станциях:

• атомный;
• термальный;
• гидроэлектростанция.

Агрегаты также активно используются в транспортных системах. Они используются в различных транспортных средствах, в корабельных системах. Синхронный генератор способен работать как в автономном режиме, отдельно от электрической сети, так и одновременно с ней. В этом случае возможно подключение нескольких устройств одновременно.

Преимуществом станций, вырабатывающих переменный ток, является возможность снабжать электричеством выделенное пространство. Удобно, если объект находится далеко от центральной сети. Поэтому агрегаты пользуются спросом у владельцев фермерских хозяйств, поселков, удаленных от города.

Как выбрать?

При выборе генератора важно найти подходящее и надежное устройство, способное обеспечить питание закрепленного участка. Для начала необходимо определиться с техническими параметрами будущего устройства. Специалисты рекомендуют обратить внимание на:

• вес генератора;
• габариты агрегата;
• сила;
• потребление топлива;
• индикатор шума;
• продолжительность работы.

А также важным параметром является возможность организации автоматической работы. Чтобы понять, сколько фаз потребуется будущему генератору, нужно определиться, какой тип и количество электроприборов будет к нему подключено.

Например, к однофазному электрогенератору можно подключать только однофазных потребителей. Трехфазный значительно расширяет этот показатель.

Однако покупка такой мобильной электростанции не всегда является лучшим решением.

Перед покупкой также рекомендуется учитывать нагрузку, которая будет прикладываться к устройству в процессе эксплуатации. Каждая фаза должна быть заряжена максимум на 30% от общей. Таким образом, при мощности генератора 6 кВт, при использовании розеток с напряжением 220 В можно использовать только 2 кВт.

Покупка трехфазного генератора востребована только тогда, когда в доме много трехфазных потребителей. Если большинство приборов однофазные, лучше купить правильный прибор.

Принцип работы

Рассмотрим принцип генерации тока на примере контурной рамки, помещенной между магнитными полюсами.

Если вы заставите рамку вращаться (в направлении стрелок), она пересечет магнитные силовые линии. При этом по закону электромагнитной индукции в раме индуцируется электрический ток, который проявляется при подключении нагрузки к щеткам. Направление можно определить по правилу буравчика. На диаграмме текущее направление показано черными стрелками.

Обратите внимание на то, что в частях кадра ab и cd ток движется в противоположных направлениях. Эти направления меняются по мере того, как части рамки перемещаются от одного полюса магнита к другому. Если каждый вывод рамки подключить к отдельному кольцу (на рисунке они подключены к коллектору!), то мы получим на выходе переменный ток.

Величина тока пропорциональна скорости вращения ротора. Кроме того, переменный ток характеризуется еще одним параметром – частотой. Это значение напрямую зависит от частоты вращения вала.

Строго соблюдается частота тока в сети. В России и ряде других стран это 50 Гц, то есть 50 колебаний в секунду.

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

При увеличении числа полюсов заданную частоту поддерживают за счет уменьшения скорости вращения статора. (обратно пропорциональный).

Так для четырехполюсного статора (количество полюсов в два раза больше) для поддержания частоты 50 Гц скорость вращения вала необходимо уменьшить вдвое. Соответственно, если используется 6 полюсов, скорость вращения вала следует уменьшить в три раза – до 1000 об/мин.

Отметим, что в некоторых странах, таких как США, Япония и др., существуют другие стандарты — 60 Гц, а переменная 400 Гц используется, например, в бортовой сети современных самолетов.

Регулирование частоты

Есть 2 способа получить требуемые частотные параметры:

1. Сконструируйте генератор с определенным числом полюсов электромагнита.
2. Обеспечить правильную расчетную скорость вала.

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

Регулирование ЭДС

В связи с изменением параметров для активных нагрузок возникает необходимость выравнивания номинальных напряжений. Хотя ЭДС индукции синхронного генератора связана со скоростью вращения ротора, но в связи с требованием поддержания стабильной частоты этот параметр нельзя изменять таким образом.

Но параметры магнитной индукции можно изменить, уменьшив или увеличив магнитный поток, что зависит от числа витков обмотки индуктора и величины тока возбуждения.

Регулирование осуществляется включением в цепь намагничивающей катушки дополнительных реостатов, электронных схем или регулировкой тока намагничивающего генератора (рис. 4). При использовании генераторов с постоянными магнитами в таких агрегатах напряжение регулируется внешними стабилизаторами.

Рис. 4. Схема регулирования напряжения

Благодаря небольшому весу и отличным характеристикам тока синхронные генераторы используются во всех современных автомобилях. Поскольку в бортовой сети автомобиля используется постоянный ток, конструкции автомобильных генераторов оснащаются трехфазным выпрямителем.

Для выпрямленного переменного тока частота значения не имеет, но напряжение должно быть стабильным. Это достигается 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 автомобиля

Применение

Синхронные генераторы переменного тока выполняют одну важную функцию: их можно синхронизировать с другими аналогичными электрическими машинами. При этом синхронные скорости и ЭДС параллельно включенных генераторов одинаковы, а фазовый сдвиг равен нулю.

Это обстоятельство позволяет использовать блоки в промышленной энергетике и подключать к резервным генераторам при превышении номинальной мощности в часы пик.

На тепловозах используются трехфазные тяговые генераторы. Переменные токи для приводных двигателей выпрямляются полупроводниковыми устройствами. Сегодня в России уже выпускаются тепловозы на базе асинхронных электродвигателей, не требующих выпрямления. В режиме торможения они действуют как асинхронные генераторы.

Синхронные генераторы устанавливаются на гибридные автомобили для объединения приводной мощности двигателя внутреннего сгорания и мощности тяговых двигателей. Развивая активную мощность при номинальной нагрузке, они экономят дорогостоящее топливо.

Есть много других приложений. Например, мобильные мини-электростанции, бытовые электрогенераторы, типа однофазного двигателя и т.п.