Синхронный и асинхронный генератор
Электричество есть везде. Уже настал тот день, когда с этим сложно спорить. Даже там, куда не дотянулась централизованная электросеть, вовсю используются дизельные и бензиновые генераторы, которые получили широкое распространение не так давно, несмотря на почти двухсотлетнюю историю. Сегодня ассортимент генераторов очень велик, и существует множество способов их классификации, один из которых – классификация по степени синхронизации.
Применительно к электрогенераторам, синхронизация – это совмещение частоты вращения ротора и магнитного поля статора. Соответственно, если частота их вращения совпадает, такой генератор будет называться синхронным, а если нет, то асинхронным.
Синхронный генератор
Как известно, в дизельном или бензиновом генераторе электрический ток образуется после прохождения вращающегося магнитного поля через обмотку. При этом в синхронном электрогенераторе ротор представляет собой постоянный магнит или электромагнит. После запуска генератора он создаёт вокруг себя слабое магнитное поле, которое с увеличением оборотов становится сильнее. В конце концов, число оборотов ротора и магнитного поля синхронизируются, что позволяет получить на выходе наиболее стабильный ток.
В отличие от асинхронного генератора, синхронный агрегат уязвим при перегрузках, поскольку превышение допустимой нагрузки может вызвать сильный скачок напряжения в обмотке ротора. С другой стороны, важным преимуществом синхронного генератора является его способность кратковременно выдавать ток мощностью в 3-4 раза выше номинального, что позволяет подключать к нему такие устройства, как насосы, компрессоры, холодильники и т.д. Иными словами, он предназначен для электроприборов с высокими стартовыми токами. Несмотря на свою уязвимость, стоимость синхронных генераторов выше, чем асинхронных устройств.
Асинхронный генератор
Асинхронный генератор работает в режиме торможения: ротор вращается в одном направлении со статором, но скорость его вращения изначально выше. При этом частота вращения магнитного поля всегда остаётся неизменной, а регулированию поддаётся лишь скорость вращения ротора. Такие генераторы малоуязвимы при коротком замыкании и хорошо защищены от внешних воздействий (пыли, низкой температуры, влаги и т.д.).
Недостатками асинхронного генератора можно назвать обязательное наличие конденсаторов и зависимость частоты выходного тока от стабильности работы дизельного или бензинового двигателя. При этом стоимость такого устройства ниже, чем синхронного, но применяется оно реже. Асинхронные генераторы рекомендуется использовать для подключения устройств, не требующих высокого стартового напряжения и устойчивых к его перепадам.
Консультация
Заполните заявку, мы перезвоним в течение 30 минут и ответим на все ваши вопросы
Устройство и принцип работы синхронного генератора
Синхронный генератор – агрегат, назначением которого является преобразование любой энергии (тепловой, солнечной, механической) в электрическую. Отличается простым принципом работы и надежным конструктивным исполнением. Особенность – вращение ротора и магнитного поля статора с одинаковой частотой. СГ с мощностью до нескольких тысяч мегаватт используются практически на всех типах электростанций во всем мире. Агрегаты обратимы, они могут как работать электрогенераторами, так и выполнять функции электромоторов.
Особенности конструкции синхронных генераторов
В устройство синхронных генераторов входят следующие компоненты: статор, ротор, обмотки, система охлаждения.
Статор
Статор – неподвижная часть, состоящая из корпуса и сердечника, собираемого из тонких листов. Между собой листы разделяются изоляционными материалами, например, лаковыми составами. В пазы сердечника укладывается трехфазная обмотка. Качество генерируемого электротока зависит от того, какие листы используются в сердечнике, – цельные или сборные.
Статор имеет вид цельного или набранного из сегментов цилиндра. Статоры мощных машин состоят из двух частей, которые можно разделить вдоль оси ротора. Такой конструктивный вариант облегчает транспортировку, установку, монтаж СГ.
В моделях с самовозбуждением присутствует обмотка возбуждения статора. В дорогих системах ее изготавливают из медного эмаль-провода, в более дешевых – из алюминиевого проводника. В бесщеточных СГ обмотки статора расположены таким образом, что их сердечники совпадают с выступами магнитных полюсов ротора. Электроток снимается непосредственно со статорных обмоток.
В мощных электромашинах всегда устанавливаются только обмотки с независимым возбуждением. Для их электропитания востребованы генераторы постоянного электротока невысокой мощности.
Ротор
Ротор – вращающаяся часть СГ, в которой располагается сердечник с обмоткой возбуждения или магниты. Роторы изготавливаются явно и неявнополюсными. Устройства первого типа востребованы в синхронных машинах, совмещенных с ДВС с низкочастотным валом. В генераторах высокой мощности и частоты устанавливаются роторы второго типа, часто монтируемые на одном валу с паровыми турбинами. СГ такой конструкции называют турбогенераторами.
Система охлаждения
Тепло от статора и ротора отводят с помощью систем охлаждения. В электромашинах невысокой мощности эта проблема решается с помощью вентиляторов. В крупных устройствах предусмотрена водородная система охлаждения.
Преимущества и недостатки синхронных генераторов
Популярность синхронным генераторам обеспечивают следующие технические характеристики:
- возможность поддерживать постоянное напряжение на выходе;
- возможность синхронной работы нескольких синхронных машин, что позволяет оперативно повышать мощность в часы пик подключением резервных генераторов;
- низкая чувствительность к коротким замыканиям;
- возможность управлять загрузкой СГ.
К минусам этого технического решения относят:
- ненадежность щеточного узла (есть и бесщеточные конструкции);
- сложность конструктивных элементов;
- в крупных электромашинах – дорогое обслуживание.
Виды синхронных генераторов
В соответствии с конструктивным исполнением СГ разделяют на типы:
- Гидрогенераторы. В их конструкции предусмотрены роторы с выраженными полюсами. Востребованы в ситуациях, не требующих высоких оборотов.
- Турбогенераторы. В таких агрегатах выраженные полюса отсутствуют. Машины, собранные из нескольких турбин, значительно повышают число оборотов ротора.
- Синхронные компенсаторы. Востребованы на производственных объектах для получения качественного электротока и стабилизации напряжения.
Синхронные генераторы могут работать в режиме электромоторов: на входе присутствует электроэнергия, на выходе – механическая энергия. Обмотка статора подсоединяется к централизованной сати электроснабжения, а ротора – к источнику постоянного электротока. Синхронные электромоторы обычно используются в электроустановках с мощностью более 50 кВт.
Принцип работы СГ
В синхронной электромашины, используемой в режиме электрогенератора, первичной является механическая энергия, вращающая вал.
Принцип работы синхронного генератора переменного тока:
- Первичный двигатель вращает ротор-индуктор. Магнитное поле вращается вместе с ротором, что и обеспечило название такой электрической машине.
- При вращении ротора магнитный поток пересекает статорную обмотку, в результате чего в ней по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС. Индуктированная ЭДС прямо пропорциональна магнитному полю электромашины и скорости вращения ротора. Частота переменного тока напрямую зависит от частоты вращения ротора.
- При необходимости параметры магнитной индукции установкой дополнительных реостатов или электронных блоков.
Где применяются синхронные генераторы переменного тока
Трехфазные СГ востребованы в:
- транспортных средствах, переменный ток выпрямляют в полупроводниковых блоках;
- строительстве – на площадках, где отсутствует центральное электроснабжение или его параметры не соответствуют запланированным задачам;
- местах ведения геологоразведочных и добывающих работ;
- мощных ГЭС и ТЭС, мобильных станциях и на объектах атомной энергетики;
- гибридных автомобилях, в этом случае в ТС устанавливают ДВС и синхронный электромотор.
СГ могут использоваться и в других областях, в которых требуются постоянные параметры напряжения и тока на выходе, устойчивость к перегрузам при подключении нагрузок с активной и реактивной мощностью.
Что представляет собой синхронный генератор
Задача генератора – преобразование механической вырабатываемой энергии в электрическую. Работа его двигателя основана на следующем принципе: топливо впрыскивается в цилиндр двигателя и, сгорая, трансформируется в газообразную смесь, которая расширяется и выталкивает поршень. Тот, в свою очередь, заставляет двигаться коленчатый вал, а он уже вращает ведущий. Чем больше поршней, тем быстрее скорость вращения вала. На этой стадии и происходит выработка механической энергии, преобразовываемой в электричество по закону Фарадея.
Устройство генератора
В основу любого генератора заложены два элемента:
- статор – неподвижная деталь, состоящая из медных обмоток, уложенных в пазы вокруг сердечника, представляющего собой комплект пластин из мягкой стали. В однофазном генераторе – одна обмотка, в трехфазном − три;
- ротор – вращающаяся часть, включает механизм образования магнитного поля. В бытовых генераторах обычно применяется двухполюсный ротор. Обмотка соединяется с питающим ее блоком управления (AVR) посредством двух щеточных узлов. Ротор в совокупности с обмоткой составляют индуктор.
В синхронном агрегате частота вращения, которую создает статор магнитного поля, совпадает с частотой роторного вращения.
Принцип работы
Синхронный генератор функционирует следующим образом: магнитное поле при вращении ротора пересекает статорные обмотки, чем возбуждает в них переменное напряжение. Когда подключается нагрузка в виде потребителей, в цепи появляется переменный ток. От скорости, с которой вращается ротор, непосредственно зависит напряжение, частота тока.
Электронагрузка на синхронный агрегат прямо пропорциональна нагрузке на вал двигателя, что способно повлечь изменение частоты вращения ротора, показателя напряжения. Избежать колебаний помогает блок управления, который в автоматическом режиме регулирует ток в обмотке ротора путем влияния на магнитное поле. В асинхронном генераторе электрическая связь с ротором отсутствует, поэтому параметры напряжения и тока искусственно не регулируются.
Преимущества синхронного генератора
Основным преимуществом является стабильность выходного напряжения. У асинхронных аппаратов данный показатель может существенно колебаться.
Синхронный генератор не боится повышенной нагрузки, создаваемой при подключении его во время работы энергоемкого потребителя (нагрузка переходного режима), поскольку сам является источником реактивной мощности. Асинхронные генераторы для этого снабжаются пусковыми конденсаторами.
Синхронный генератор не слишком восприимчив к перегрузкам в процессе работы благодаря системе авторегулирования.
Щеточные и бесщеточные
Щетки представляют собой скользящие контакты − токосъемы, которые прижаты к коллектору. От их качества напрямую зависит вырабатываемое напряжение. Длительная работа при больших перегрузках приводит к «выгоранию» щеток. После замены необходим небольшой период «обкатки», прежде чем подавать полную нагрузку на генератор. Наиболее долговечны и устойчивы к перегрузкам медно-графитовые щетки.
Синхронный генератор может быть бесщеточным при условии, что ток в роторе создается магнитным полем, исходящим от основной, а также от дополнительной статорной обмотки (либо только от дополнительной). То есть схема альтернатора более сложная, чем у щеточных. Преимуществом является отсутствие необходимости замены угольных компонентов (в некоторых моделях – каждые 100 часов работы), а также нет пыли от их износа, которая часто является причиной электрических пробоев.
Выбор в пользу синхронного генератора следует делать, если потребители требовательны к качеству выходного тока. Например, такой тип подойдет для обеспечения резервной электроэнергией загородного дома, где установлены различные типы чувствительных приборов.
§ 14. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
Синхронные машины используют в качестве генераторов и двигателей . Все генераторы переменного тока — это синхронные машины. Синхронные двигатели применяют реже асинхронных и только в тех случаях, когда при заданной мощности и режиме работы они оказываются экономичнее, чем асинхронные, или когда требуется привод с абсолютно жесткой механической характеристикой .
Рис. 67. Электромагнитная схема синхронной машины ( а ) и схема ее включения ( б ):
1 — статор; 2 — ротор; 3 — обмотка якоря; 4 — обмотка возбуждения; 5 — щетки; 6 — контактные кольца
Устройство. Устройство и включение синхронной машины показано на рис. 67. В пазах статора 1 машины подобно тому, как это сделано у асинхронного двигателя, уложена трехфазная силовая обмотка 3 . Начала фазных обмоток обозначены А , В , С ; концы — X , Y , Z . На роторе 2 размещена обмотка возбуждения 4 . Она соединена через кольца 6 и щетки 5 с источником постоянного тока. Мощность, необходимая для возбуждения, составляет 0,3—3 % от номинальной мощности синхронной машины.
Принцип действия синхронного генератора. Постоянный магнитный поток, создаваемый током ротора, замыкается через сталь ротора, воздушные зазоры и сердечник статрра. Если ротор вращается, то создается вращающееся магнитное поле. Пересекая проводники фазных обмоток статора, это поле наводит в них переменную эдс Е .
Частота вращения ротора n 2 поддерживается постоянной, поэтому изменение эдс во времени определяется только распределением магнитной индукции вдоль окружности ротора. Это распределение носит синусоидальный характер , поэтому и в фазных обмотках статора индуцируются синусоидальные эдс, сдвинутые по фазе одна относительно другой на одну треть периода (120 эл. град). Если на роторе р пар полюсов, то за один его оборот р раз изменяется эдс и частота этого изменения f =р n 2 /60. Для получения частоты 50 Гц двухполюсный генератор ( р =1) должен делать 3000 об/мин.
При подключении обмотки статора к трехфазной нагрузке проходящий по ней ток создает вращающее магнитное поле с частотой вращения n 1 , равной частоте вращения ротора n 2 .
► Суммарное магнитное поле вращается с той же частотой, с какой вращается ротор. Поэтому машина называется синхронной.
Магнитное поле токов статора, неподвижное относительно вращающегося ротора, взаимодействуя с постоянным током ротора, создает электромагнитный тормозной момент М , который должен быть уравновешен вращающим моментом первичного двигателя.
Чем больше активная составляющая тока статора I а , тем больше мощность, преобразуемая в машине, т. е. электромагнитная мощность Р эм генератора:
где 
=2 
n 1 / 60, E — эдс фазы обмотки статора.
► Ротор может быть явнополюсным и неявнополюсным.
Явнополюсный ротор (рис. 68, а ) используют в машинах с четырьмя и большим числом полюсов. Сердечники 1 делают либо массивными из стальных поковок, либо набирают из листов электротехнической стали. Их крепят к втулке вала или (при большом числе полюсов) к ободу крестовины. Обмотки возбуждения 2 выполняют в виде цилиндрических катушек из полосовой меди, которые укрепляют на сердечниках полюсов.
Рис. 68. Явнополюсный ( а ) и неявнополюсный ( б ) роторы синхронных машин: 1 — сердечник ротора; 2 — обмотка возбуждения
Машины, работающие с частотой вращения ротора 1500 и 3000 об/мин, изготовляют с неявнополюсным ротором (рис. 68, б ), иначе невозможно обеспечить механическую прочность крепления полюсов 1 и обмотки возбуждения 2 . Обмотку возбуждения размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки.
► Синхронные генераторы подразделяются на турбо-, гидро- и дизель-генераторы.
Турбогенераторы приводятся во вращение быстроходными паровыми или газовыми турбинами и выполняются неявнополюсными . Вал в них расположен горизонтально . Диаметр ротора по условиям механической прочности ограничен размерами 1 —1,5 м. Предельная длина ротора 7,5—8,5 м; она ограничена допустимым прогибом вала. При заданных ограничениях за счет увеличения электромагнитных нагрузок и повышения интенсивности охлаждения (применения водородного и водяного охлаждения) удалось создать турбогенераторы мощностью 800— 1200 МВт.
Гидрогенераторы приводятся во вращение гидравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50—500 об/мин. Генераторы выполняют с большим числом полюсов и явнополюсными роторами. В гидрогенераторах мощностью более 500 МВт диаметр ротора превышает 15 м при длине около 2 м. В мощных гидрогенераторах вал располагают вертикально . Турбина находится под генератором и фланцем сочленяется с его валом.
Дизель-генераторы приводятся во вращение двигателями внутреннего сгорания. Их изготовляют явнополюсными с горизонтальным расположением вала. Мощность таких генераторов бывает от нескольких киловольт-ампер до нескольких мегавольт-ампер при частотах вращения от 100 до 1500 об/мин.
Возбуждение. Обмотка возбуждения генератора через кольца и щетки получает питание либо от генератора постоянного тока (возбудителя), связанного с ротором синхронного генератора, либо от выпрямителей , подключаемых к сети. Для мощных синхронных генераторов применяют так называемую бесщеточную систему возбуждения . В этой системе в качестве возбудителя используют специальный синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе машины, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу. При этом в цепи обмотки генератора отсутствуют скользящие контакты, что повышает надежность системы.
Синхронизация. Синхронные генераторы электростанций работают обычно параллельно с сетью. На время профилактических осмотров, ремонта или просто на время уменьшения нагрузки синхронный генератор может быть отключен от сети. Необходимым условием включения генератора на параллельную работу с сетью является его синхронизация , т. е. достижение совпадения чередования фаз, частот, начальных фаз и значений напряжения сети и генератора.
Момент совпадения фаз контролируют синхроноскопами . Для включения генераторов на параллельную работу используют автоматическую синхронизацию , которая позволяет регулировать напряжения и частоты так, как это необходимо.
► Широкое распространение получил метод самосинхронизации, сущность которого заключается в том, что генератор включают в сеть невозбужденным при частоте вращения ротора, близкой к синхронной. Затем включают ток возбуждения и ротор генератора втягивается в синхронизм.
Параллельная работа с сетью. Энергетическое состояние синхронного генератора характеризуется углом — углом поворота оси ротора относительно оси вращающегося магнитного поля. Чем больше нагрузка, тем больше угол .
Для увеличения активной мощности, выдаваемой генератором в сеть, следует увеличить момент первичного двигателя (подать больше пара в паровую турбину или воды в гидравлическую). Ротор в этом случае приобретает некоторое ускорение, угол возрастает, возрастает тормозной момент и устанавливается новое состояние равновесия при новом большем значении угла.
При увеличении возбуждения генератора возрастают эдс и ток, выдаваемый генератором в сеть. Однако это увеличение идет за счет реактивной составляющей тока , т. е. растет реактивная мощность .
Устройство и принцип действия синхронного двигателя . Принципиальная схема устройства трехфазного синхронного двигателя такая же, как и генератора (см. рис. 67). Его трехфазную статорную обмотку подключают к сети трехфазного переменного тока; в обмотку возбуждения подают постоянный ток.
► Частота вращения ротора синхронного двигателя равна частоте вращения магнитного поля, т. е. не зависит от нагрузки. Иначе говоря, двигатель имеет абсолютно жесткую механическую характеристику.
При увеличении нагрузки двигателя возрастает угол между осями ротора и поля (в режиме двигателя ротор следует за полем). По достижении максимального (опрокидывающего) момента ротор « выпадает из синхронизма » и останавливается.
Пуск синхронного двигателя. Для разгона синхронного двигателя применяют асинхронный пуск . Для этого на роторе имеется специальная короткозамкнутая пусковая обмотка : медные или латунные стержни, заложенные в полюсные наконечники и замкнутые накоротко’ торцевыми кольцами. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, в обмотку возбуждения подается постоянный ток и ротор втягивается в синхронизм.
Регулирование реактивной мощности . Достоинством синхронных двигателей помимо абсолютно жесткой механической характеристики является их способность работать с соs =1 и даже с опережающим током, т. е. генерировать реактивную мощность . Для этого увеличивают возбуждение двигателей.
► Применение синхронных двигателей позволяет повысить со s в системе и тем самым снизить потери при передаче электроэнергии.
Для повышения соs в системе применяют также синхронные компенсаторы — перевозбужденные синхронные двигатели облегченной конструкции, работающие вхолостую.
Потери и кпд синхронных машин. В синхронных машинах имеют место электрические потери в роторе и статоре, магнитные потери в сердечнике статора, механические потери на вентиляцию и трение вращающихся частей.
В двигателях большой мощности кпд достигает 0,95— 0,98; кпд мощных генераторов очень велик, достигая 0,99 при мощности ~ 1000 МВт.
Синхронные микродвигатели. Жесткость механической характеристики является главной причиной широкого распространения синхронных микродвигателей в установках автоматики, телемеханики, звукозаписи, телевидения и т. д. Конструкции этих двигателей разнообразны.
► По принципу действия синхронный двигатель с постоянными магнитами не отличается от синхронного двигателя с возбуждением постоянным током.
Принципиальные отличия имеет синхронный реактивный двигатель . Его статор выполнен с трехфазной обмоткой (или обмоткой конденсаторного двигателя). На явнополюсном роторе нет обмотки возбуждения.
При включении двигателя вращающееся поле увлекает ротор с короткозамкнутой пусковой обмоткой и, когда ротор достигнет частоты вращения, близкой к синхронной, возникнет реактивный момент, который втягивает ротор в синхронизм . Магнитные силовые линии стремятся замкнуться по путям с наименьшим магнитным сопротивлением и на явнополюсный ротор действует синхронизирующий момент .
Ротор реактивного двигателя может быть и цилиндрический: в алюминиевый цилиндр ротора закладывают полосы мягкой стали, создающие необходимое различие в магнитном сопротивлении.
Вращающий момент гистерезисного двигателя создается за счет явления гистерезиса при перемагничивании ферромагнитного материала ротора. В таком двигателе ось намагничивания ротора отстает от оси вращающегося поля на угол , чем и создаются тангенциальные составляющие силы взаимодействия ротора и поля. Эти двигатели имеют сравнительно большой пусковой момент, простую конструкцию, надежны и бесшумны.
Редукторные двигатели применяют в цепях повышенной частоты (до 30 кГц), что дает возможность получать частоты вращения от 60 до 5000 об/мин. Роторы таких двигателей выполнены без обмотки: имеется большое количество зубцов z , которые в принципе можно рассматривать как полюса.
Синхронная частота вращения ротора n 2 = 60 · f 1 / z , в то время как магнитное поле вращается с частотой n 1 = 60· f / p . Отношение
называется коэффициентом редукции .
Шаговые двигатели — это синхронные микродвигатели, обмотки статора которых питаются импульсным напряжением, подаваемым от какого-либо (например, электронного) коммутатора.
Под действием каждого такого импульса ротор двигателя совершает определенное угловое перемещение — шаг .
Шаговые двигатели применяют в лентопротяжных устройствах для ввода и вывода информации, счетчиках, приводах станков с программным управлением.