Что дает синхронный генератор

Генераторы переменного тока

Генератор — устройство, преобразующее один вид энергии в другой.
В данном случае рассматриваем преобразование механической энергии вращения в электрическую.

Различают два типа таких генераторов. Синхронные и асинхронные.

Синхронный генератор. Принцип действия

Отличительным признаком синхронного генератора является жёсткая связь между частотой f переменной ЭДС, наведённой в обмотке статора, и частотой вращения ротора n , называемой синхронной частотой вращения:

n = f / p

где p – число пар полюсов обмотки статора и ротора.
Обычно частота вращения выражается в об/мин, а частота ЭДС в Герцах (1/сек), тогда для количества оборотов в минуту формула примет вид:

n = 60·f / p

На рис. 1.1 представлена функциональная схема синхронного генератора. На статоре 1 расположена трёхфазная обмотка, принципиально не отличающаяся от аналогичной обмотки асинхронной машины. На роторе расположен электромагнит с обмоткой возбуждения 2, получающей питание постоянным током, как правило, через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, расположенных на роторе, и двух неподвижных щёток.
В некоторых случаях в конструкции ротора синхронного генератора вместо электромагнитов могут использоваться постоянные магниты, тогда необходимость в наличии контактов на валу отпадает, но существенно ограничиваются возможности стабилизации выходных напряжений.

Приводным двигателем (ПД), в качестве которого используется турбина, двигатель внутреннего сгорания либо другой источник механической энергии, ротор генератора приводится во вращение с синхронной скоростью. При этом магнитное поле электромагнита ротора также вращается с синхронной скоростью и индуцирует в трёхфазной обмотке статора переменные ЭДС E_A , E_B и E_C , которые будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120°), образуют симметричную трёхфазную систему ЭДС.

C подключением нагрузки к зажимам обмотки статора С1, С2 и С3 в фазах обмотки статора появляются токи I_A, I_B, I_C , которые создают вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора. Таким образом, в синхронном генераторе магнитное поле статора и ротор вращаются синхронно. Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе

e = 2Blwv = 2πBlwDn

Здесь: B – магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл;
l – активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, т.е. длина сердечника статора, м;
w – количество витков;
v = πDn – линейная скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с;
D – внутренний диаметр сердечника статора, м.

Формула ЭДС показывает, что при неизменной частоте вращения ротора n форма графика переменной ЭДС обмотки якоря (ста- тора) определяется исключительно законом распределения магнитной индукции B в зазоре между статором и полюсами ротора. Если график магнитной индукции в зазоре представляет собой синусоиду B = B_max sinα , то ЭДС генератора также будет синусоидальной. В синхронных машинах всегда стремятся получить распределение индукции в зазоре как можно ближе к синусоидальному.

Так, если воздушный зазор δ постоянен (рис. 1.2), то магнитная индукция B в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (график 1). Если же края полюсов ротора «скосить» так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен δ_max (как это показано на рис. 1.2), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (график 2), а, следовательно, и график ЭДС, индуцированной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде. Частота ЭДС синхронного генератора f (Гц) пропорциональна синхронной частоте вращения ротора n (об/с)

где p – число пар полюсов.
В рассматриваемом генераторе (см. рис.1.1) два полюса, т.е. p = 1.
Для получения ЭДС промышленной частоты (50 Гц) в таком генераторе ротор необходимо вращать с частотой n = 50 об/с (n = 3000 об/мин).

Способы возбуждения синхронных генераторов

Самым распространенным способом создания основного магнитного потока синхронных генераторов является электромагнитное возбуждение, состоящее в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения, при прохождении по которой постоянного тока, возникает МДС, создающая в генераторе магнитное поле. До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись преимущественно специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.3, а). Обмотка возбуждения (ОВ) получает питание от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронного генератора, возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронного генератора поступает через контактные кольца и щётки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя r₁ и подвозбудителя r₂ . В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах получила применение также бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе. В качестве возбудителя в этом случае применяют обращенный синхронный генератор переменного тока В (рис. 1.3, б). Трехфазная обмотка 2 возбудителя, в которой наводится переменная ЭДС, расположена на роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора и их электрическое соединение осуществляется через вращающийся выпрямитель 3 непосредственно, без контактных колец и щёток. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя В осуществляется от подвозбудителя ПВ – генератора постоянного тока. Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронного генератора позволяет повысить её эксплуатационную надёжность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в этом числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.4, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь ПП преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счёт остаточного магнетизма машины.

На рис. 1.4, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подаётся в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на входе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты (БЗ), обеспечивающий защиту обмотки возбуждения (ОВ) от перенапряжения и токовой перегрузки.

Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5 % полезной мощности (меньшее значение относится к генераторам большой мощности).
В генераторах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, расположенными на роторе машины. Такой способ возбуждения даёт возможность избавить генератор от обмотки возбуждения. В результате конструкция генератора существенно упрощается, становится более экономичной и надёжной. Однако, из-за высокой стоимости материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничено машинами мощностью не более нескольких киловатт.

Синхронные генераторы составляют основу электроэнергетики, так как практически вся электроэнергия во всём мире вырабатывается посредством синхронных турбо- или гидрогенераторов.
Так же синхронные генераторы находят широкое применение в составе стационарных и передвижных электроустановок или станций в комплекте с дизельными и бензиновыми двигателями.

Асинхронный генератор. Отличия от синхронного

Асинхронные генераторы принципиально отличаются от синхронных отсутствием жесткой зависимости между частотой вращения ротора и вырабатываемой ЭДС. Разницу между этими частотами характеризует коэффициент s — скольжение.

здесь:
n — частота вращения магнитного поля (частота ЭДС).
n _r — частота вращения ротора.

Более подробно с расчётом скольжения и частоты можно ознакомиться в статье: асинхронные генераторы. Частота.

В обычном режиме электромагнитное поле асинхронного генератора под нагрузкой оказывает тормозной момент на вращения ротора, следовательно, частота изменения магнитного поля меньше, поэтому скольжение будет отрицательным. К генераторам, работающим в области положительных скольжений, можно отнести асинхронные тахогенераторы и преобразователи частоты.

Асинхронные генераторы в зависимости от конкретных условий применения выполняются с короткозамкнутым, фазным или полым ротором. Источниками формирования необходимой энергии возбуждения ротора могут являться статические конденсаторы или вентильные преобразователи с искусственной коммутацией вентилей.

Асинхронные генераторы можно классифицировать по способу возбуждения, характеру выходной частоты (изменяющаяся, постоянная), способу стабилизации напряжения, рабочим областям скольжения, конструктивному выполнению и числу фаз.
Последние два признака характеризуют конструктивные особенности генераторов.
Характер выходной частоты и методы стабилизации напряжения в значительной степени обусловлены способом образования магнитного потока.
Классификация по способу возбуждения является основной.

Можно рассмотреть генераторы с самовозбуждением и с независимым возбуждением.

Самовозбуждение в асинхронных генераторах может быть организовано:
а) с помощью конденсаторов, включенных в цепь статора или ротора или одновременно в первичную и вторичную цепи;
б) посредством вентильных преобразователей с естественной и искусственной коммутацией вентилей.

Независимое возбуждение может осуществляться от внешнего источника переменного напряжения.

По характеру частоты самовозбуждающиеся генераторы разделяются на две группы. К первой из них относятся источники практически постоянной (или постоянной) частоты, ко второй переменной (регулируемой) частоты. Последние применяются для питания асинхронных двигателей с плавным изменением частоты вращения.

Более подробно рассмотреть принцип работы и конструктивные особенности асинхронных генераторов планируется рассмотреть в отдельных публикациях.

Асинхронные генераторы не требуют в конструкции сложных узлов для организации возбуждения постоянным током или применения дорогостоящих материалов с большим запасом магнитной энергии, поэтому находят широкое применение у пользователей передвижных электроустановок по причине своей простоты и неприхотливости в обслуживании. Используются для питания устройств, не требующих жёсткой привязки к частоте тока.
Техническим достоинством асинхронных генераторов можно признать их устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям.
С некоторой информацией по мобильным генераторным установкам можно ознакомиться на странице:
Дизель-генераторы.
Асинхронный генератор. Характеристики.
Асинхронный генератор. Стабилизация.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Принцип работы и устройство синхронного генератора переменного тока

Электричество – единственный вид энергии, которую легко можно передать на большие расстояния, а затем преобразовать её в механическую, тепловую или превратить в световое излучение. Саму же электроэнергию также можно получить разными способами: химическим, тепловым, механическим, фотоэлектрическим и др. Но именно механический способ, который основан на применении генераторов, оказался самым эффективным. Среди этих источников электроэнергии широкое применение нашёл синхронный генератор переменного тока.

Практически вся электроэнергия, используемая в быту и на производстве, вырабатывается генераторами этого типа. Они заслуживают того, чтобы более подробно рассмотреть их устройство и разобраться в принципе работы этих удивительных синхронных машин.

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:

схема устройства;
схема расположения магнитных полюсов на якоре. Здесь буквами NS обозначено коаксиальный магнит с полюсами, а литерой R – стальной магнитопровод ротора в виде когтеобразных наконечников.
модель генератора в разрезе. Выводы фазных обмоток статора соединены «звездой».

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:

соединённые по шестипроводной системе Тесла (не нашли практического применения);
«звезда»;
«треугольник»;
сочетание шести обмоток, соединённых в виде одной «звезды» и «треугольника». Это соединение ещё называют «Славянка».

Самое распространённое соединение – «звезда» с нейтральным проводом.

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.

Синхронные и асинхронные генераторы

Бензиновые и дизельные электростанции состоят из двух основных блоков – двигателя и генератора, объединенных на одной раме.

В бытовых электростанциях в большинстве случаев используются двигатели внутреннего сгорания. В двигателе внутреннего сгорания энергия сгорания топлива преобразуется в механическую работу (вращение вала). Бытовые газовые электростанции представляют собой бензиновые, адаптированные для работы на газе.

Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую.

Бывают двух типов:

Синхронные
Асинхронные.

Рассмотрим плюсы и минусы каждого из них.

Но сначала, Принцип работы электрического генератора

Принцип действия любого генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Преобразование механической энергии двигателя (вращательной) в энергию электрического тока поясняет следующая картинка:

Если в однородном магнитном поле равномерно вращается рамка, то в ней возникает, переменная Э.Д.С. (электродвижущая сила), частота которой равна частоте вращения рамки. Будем ли мы вращать рамку в магнитном поле, или магнитное поле вокруг рамки, либо магнитное поле внутри рамки, результат будет один – Э.Д.С. , изменяющаяся по гармоническому закону.

Видео, принцип работы электрического генератора тока.

Отличительные особенности синхронных и асинхронных генераторов:

Синхронный генератор

Это синхронная электрическая машина, работающая в режиме генератора в которой частота вращения магнитного поля статора равна частоте вращения ротора. Ротор состоит из обмоток при подаче напряжения на которые появляется магнитное поле с магнитными полюсами и создает вращающееся магнитное поле, которое пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС.

В зависимости от типа обмотки, ротор может быть короткозамкнутым либо фазным. Вращающееся магнитное поле, созданное вспомогательной обмоткой статора, индуцирует на роторе магнитное поле, которое вращаясь вместе с ротором, наводит ЭДС в рабочей обмотке статора, так же как и в асинхронном генераторе

Ротор, при запуске электростанции , создает слабое магнитное поле, но с увеличением оборотов, увеличивается и ЭДС в обмотке возбуждения. Напряжение с этой обмотки через блок автоматической регулировки (AVR) поступает на ротор, контролируя выходное напряжение за счет изменения магнитного поля.

Например, подключенная индуктивная нагрузка размагничивает генератор и снижает напряжение, а при подключении емкостной нагрузки происходит подмагничивание генератора и повышение напряжения. Это называется “реакцией якоря”.

Для обеспечения стабильности выходного напряжения необходимо изменять магнитное поле ротора путем регулирования тока в его обмотке ( для синхронных генераторов), что и обеспечивается блоком AVR ( Автоматический вольт регулятор).

Благодаря такому способу регулировки, вне зависимости от изменения тока нагрузки и оборотов двигателя электростанции стабильность выходного напряжения генератора остается очень высокой, на уровне ±1%.

Преимуществом синхронных генераторов является высокая стабильность выходного напряжения, а недостатком – возможность перегрузки по току, так как при завышенной нагрузке, регулятор может чрезмерно повысить ток в обмотке ротора, что может привести к выходу из строя.

Еще к недостаткам синхронных генераторов можно отнести наличие щеточного узла, который рано или поздно придется обслуживать, правда в настоящее время этот недостаток практически устранен.Так как, современные синхронные генераторы являются в большинстве своем без щеточными, их ротор не имеет коллекторно-щеточного узла, а ток в обмотке возбуждения (в роторе) индуцируется за счет переменного магнитного поля, создаваемого основной и/или дополнительной обмоткой статора.

Асинхронный генератор

Асинхронная электрическая машина работающая в режиме торможения, ротор которой вращается с опережением, но в том же направлении что и магнитное поле статора.

В асинхронном генераторе ротор выполнен виде постоянного магнита или электромагнита. Число полюсов ротора может быть два, четыре и т.д., но кратно двум.

В бытовых бензиновых и дизельных электростанциях используется, как правило, ротор с двумя полюсами, чем и обусловлена частота вращения двигателя электростанции 3000 об/мин. В дизельных электростанциях с частотой вращения 1500 об/мин используется четырехполюсной асинхронный генератор.

Вращающееся магнитное поле остается всегда неизменным и не регулируемым, вследствие чего напряжение и частота на выходе генератора зависит от частоты оборотов ротора и следовательно от стабильности вращения двигателя электростанции.

Несмотря на простоту обслуживания, малую чувствительность к короткому замыканию и невысокую стоимость, асинхронные генераторы применяются достаточно редко, так как имеются ряд недостатков: высокая себестоимость, зависящий от активно-индуктивного характера нагрузки; ненадежность работы в экстремальных нагрузках; зависимость выходного напряжения и частоты тока от устойчивости работы двигателя и т.д.

Синхронный и Асинхронный генератор(Альтернатор) — что это? Синхронные и Асинхронные альтернаторы в бензиновых и дизельных генераторах и электростанциях

У синхронного генератора (IP23) на якоре имеются обмотки, на которые подается электрический ток. Изменяя его величину, можно влиять на магнитное поле, а следовательно, и на напряжение на выходе статорных обмоток. Роль регулятора прекрасно исполняет простейшая электрическая схема с обратной связью по току и напряжению. Благодаря этому способность синхронного альтернатора «проглатывать» кратковременные перегрузки высока и ограничена лишь омическим (активным) сопротивлением его обмоток, т.е. легче переносят пусковые нагрузки.

Однако у такой схемы есть и недостатки. Прежде всего, ток приходится подавать на вращающийся ротор, для чего традиционно используют щеточный узел. Работая с довольно большими (особенно во время перегрузок) токами, щетки перегреваются и частично «выгорают». Это приводит к плохому их прилеганию к коллектору, к повышению омического сопротивления и к дальнейшему перегреву узла. Кроме того, подвижный контакт неизбежно искрит, а значит, становиться источником радиопомех. И самый основной недостаток низкая степень защиты от внешних воздействий таких как: пыль, грязь, вода, т.к. синхронный генератор охлаждается «протягивая» через себя воздух, соответственно все что находится в воздухе может попадать в генератор.

Если генератор щёточный, чтобы избежать преждевременного износа, рекомендуется время от времени контролировать состояние щеточного узла и при необходимости очищать либо менять щетки. Кстати, после их заменены, желательно дать им время «приработаться» к коллектору, а уж за тем нагружать станцию «по полной программе».

Многие современные синхронные генераторы снабжены безщеточными системами возбуждения тока на катушках ротора (их еще называют brash-less). Они лишены вышеуказанных недостатков связанных с щёточным узлом, а потому предпочтительнее.

для трёхфазных синхронных генераторов допустимый перекос фаз 33%

коэффициент нелинейных искажений 13-25% (в зависимости от производителя)

Асинхронный генератор (IP54) вообще не имеет обмоток на роторе. Для возбуждения ЭДС в его выходной цепи используют остаточную намагниченность якоря. Конструктивно такой альтернатор намного проще, надежнее и долговечнее. Кроме того, поскольку обмотки ротора охлаждать не нужно (их просто нет), корпус асинхронного генератора полностью закрыт, что позволяет исключить попадание пыли и влаги. Асинхронные альтернаторы не восприимчивы к коротким замыканиям, поэтому лучше подходят для питания сварочных аппаратов.

К сожалению у асинхронников тоже есть недостатки, например способность «проглатывать» пусковые перегрузки у них ниже, чем у синхронных генераторов. Но этот недостаток решается путем оснащения станций системой «стартового усиления». (см. выше). Как правило все профессиональные асинхронные генераторы оснащены системой стартового усиления.

для трёхфазных асинхронных генераторов допустимый перекос фаз 60-70%

коэффициент нелинейных искажений 2-10% (в зависимости от производителя)

Одно — и трехфазные генераторы

Зачем нужны непонятные три фазы, когда и с одной-то не разберешься? Но в том то и дело, что без них никуда. Начнем с того, что трех фазная схема подключения позволяет передавать энергию трех однофазных источников всего по трем проводам (в случае однофазной схемы потребовалось бы выделить по два провода на каждый такой источник).

В итоге при равной выходной мощности трехфазный альтернатор компактнее, легче и имеет больший КПД. К тому же он более универсален — на выходе дает как бытовые 220 вольт, так и промышленные 380 вольт.

Одно- или трехфазные генераторы. Их название вытекает из назначения — питать соответствующих потребителей. При этом к однофазным генераторам, вырабатывающим переменный ток напряжением 220 вольт и частотой 50Гц, можно подключать только однофазные нагрузки, тогда, как к трех фазным (380/220 В, 50Гц) — и те, и другие (на приборной панели имеют соответствующие розетки, количество которых у агрегатов разных производителей разное).

С однофазными альтернаторами все более или менее ясно: главное — правильно «посчитать» всех своих потребителей, учесть возможные проблемы (например, высокие пусковые точки) и выбрать агрегат с соответствующей реальной выходной мощностью. При подключении к трехфазным генераторам трехфазных же нагрузок ситуация аналогичная.

А вот при подключении к трехфазникам однофазных потребителей возникает проблема, именуемая перекосом фаз.

Что такое перекос фаз?

При подключении нагрузки на одну фазу трехфазного альтернатора используется только одна обмотка статора, в то время как в нормальном режиме задействованы все три, соответственно, реально снять получиться не более чем 33% трехфазной мощности для синхронных IP23, или порядка 70-80% для асинхронных IP54 и синхронных IP54 (High Protection). Если попробовать нагрузить агрегат сильнее, статорная обмотка окажется перегруженной и может «сгореть».

Другое дело, когда генератор сделан с «запасом». Например, когда при работе на три фазы его обмотки трудятся в треть силы. Тогда неравномерность распределения нагрузки (это и есть так называемый «перескок фаз») может составить хоть все 100%. В любом случае, не зависимо от предельных возможностей электростанции, нагрузку следует распределять равномерно — это увеличит КПД альтернатора и снизит нагрев у статорных обмоток.

Кратко подытожить выбор типа генератора можно так:

Предварительно Вы должны сами определить, какие потребители будут подключаться одновременно к генератору. При подсчёте — лучше (по возможности) проверить мощность потребителей по их паспортным данным, если это не возможно, то лучше обратится к квалифицированным специалистам, электрикам.

Обратите особое внимание на потребителей, имеющих в своём составе электромоторы: холодильники, насосы, газонокосилки и т.д. Это связано с тем, что для пуска электромотора требуется мощность в 3 — 3,5 раза превышающая его номинальную мощность. Приведённые цифры характерны для большинства бытовых приборов (в некоторых случаях может потребоваться существенно большая мощность и редких случаях меньшая).

Принцип работы синхронного генератора

Электрогенератор (альтернатор) электротока переменного типа предназначается для процедуры преобразования кинетической и потенциальной энергии в электроэнергию. Ротор такой машины приводится в движение, а именно вращается, от двигателя первичного типа, в роли которого могут выступать ДВС (топливные двигатели), электродвигатели, турбины.

Если альтернатор переменного тока характеризуется тем, что частота вращения его ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля, то такие машины называются синхронными. Произвести расчет частоты вращения можно по формуле:

f – частота тока в электросети;
p – количество пар статорных полюсов.

Часто многие неосведомленные в области электроустановок люди задаются вопросом о том, какой принцип работы синхронного генератора.

Принцип работы СГ

Конструкция генерирующей машины переменного тока достаточна проста. Статор и ротор – это основные компоненты синхронного генератора (СГ).

Синхронный альтернатор, в основном, вырабатывает электроэнергию тогда, когда ротор синхронного генератора движется по кругу вместе с магнитным полем, линии которого встречаются в неподвижной обмотке статора. Поле образуется посредством возбуждения дополнительным устройством, например:

вспомогательным генератором;
аккумулятором;
разнообразными энергетическими преобразователями;
и другими энергоисточниками.

Стоит отметить, что процесс преобразования энергий в СГ может происходить и по-другому – вращающееся части проводникового элемента могут располагаться в обездвиженном магнитном поле. В этом случае возникает трудность токосъема через щеточно-коллекторный узел электрической машины, какой соединяет ротор с цепями ее неподвижной части. Для генераторных машин невысокой мощности подобная схема может успешно применяться. Зачастую она встречается в установках передвижного типа.

В рассматриваемом генераторе продуцируется электродвижущая сила (ЭДС), расчет которой совершается по формуле:

π – константа;
B – индукция магнитного поля;
l – длина паза статорного элемента;
w – число витков в обмотке статорного компонента;
Dn – диаметр статора внутри.

Электроэнергетика с такими устройствами построена, в основном, на электронапряжении в диапазоне 15 000-40 000 В. Энергообмен через коллектор альтернатора затруднителен. К тому же обмоточная катушка подвижного типа подвергается ударным нагрузкам большой силы и вращательным движениям с попеременной скоростью, что формирует проблематику с изоляционной составляющей. По этой причине якорные элементы производят обездвиженными, так как именно через них пропускается основная масса энергии.

Мощность устройства-возбудителя обычно не превосходит 4-5% от совокупной производительной мощности синхронного генератора – это дает возможность пропускать электроток через динамический узел.

Для информации. В механизмах переменного тока малой мощности (до нескольких кВт) роторный элемент изготавливается с магнитными деталями постоянного типа (ферритовыми, неодимовыми, полимерными магнитопластами и другими). В них не нужно устанавливать подвижные контакты, однако из-за этого существуют трудности с регулировкой выходного напряжения.

Устройство СГ

Статор СГ имеет почти такое же устройство и принцип функционирования, как и у асинхронного варианта. Его железные компоненты компилируются из стальных пластин (сталь применяется электротехнического назначения), которые отделаются друг от друга слоями изоляции. Обмотка переменного электротока располагается в его пазах. Провода обмоток отделяются друг от друга изолирующим слоем и закрепляются надежно, так как через них вводится нагрузка. Ротор может исполняться без выпирающих полюсов либо с ярко выраженными полюсами.

На заметку. Наибольшую популярность имеет трехфазный синхронный генератор, применяемый во многих областях жизнедеятельности человека и предприятий. Однофазные варианты обычно применяется в быту.

Синхронные генераторы с явно полюсным ротором производятся для тихоходных машин, к примеру, для установок с гидротурбинами. А СГ с не явно полюсными роторами подходят для механизмов переменного тока, вращающихся с высокой скоростью.

Синхронные генерирующие устройства могут работать в двух режимах: двигательном либо генерирующем переменный электроток. Здесь важно то, какой метод охлаждения применяется, так как генерация чего-либо всегда более требовательна. В основном, на вал монтируются крыльчатки, какие охлаждают ротор с двух сторон воздухом, проходящем через фильтрующий элемент. Потоки воздуха в такой системе охлаждения вращаются одни и те же. При работе СГ в усиленном режиме подобная система нежелательна.

Важно! Эффективнее при высоких нагрузках применять в качестве охлаждающего агента водород, какой более чем в 14 раз легче воздуха.

Обмотки рассматриваемого генератора отводятся концами на его распредкоробку. Трёхфазная машина имеет иное соединение обмотки – отвод совершается звездой или треугольником.

Преимущественно все синхронные генерирующие устройства поддерживают синусоидальное переменное электронапряжение. Этого можно достичь посредством изменения формы наконечников на полюсах и особым месторасположением витков в пазах не явно полюсного ротора.

Реакция якоря

В обмотках статорного элемента при присоединении выхода с наружной нагрузкой начинает протекать электроток. Образующееся при этом силовое магнитное поле совмещается с полем, что формируется роторным элементом. Такое взаимодействие полей именуется реакцией якоря.

При активной нагрузке электроток и ЭДС имеют одни и те же фазы. Предельная сила электротока проявляется в тот момент, когда полюса роторного элемента находятся на противоположной стороне от якорных обмоток. Главный магнитный поток и второстепенный поток, который формируется во время реакции якоря, перпендикулярны друг другу, а при сопоставлении формируют увеличенный итоговый поток, что увеличивает в тот момент ЭДС.

Нагрузка индуктивного вида, имея потоки, направленные навстречу друг к другу, наоборот, приводит к значительному снижению электродвижущей силы.

Нагрузка емкостного типа вызывает совмещение потоков, движущихся в одну сторону, итог – увеличение ЭДС.

Любое повышение нагрузки увеличивает влияние реакции якоря на выходное электронапряжение, которое из-за этого изменяется в ту или иную сторону, что крайне нежелательно в электросетях. Практично такой процесс можно контролировать: просто изменять возбудитель, что снизит уровень влияния реакции якоря на главное силовое поле.

Режимы работы СГ

Нормальный режим работы СГ можно охарактеризовать любым числом рабочих периодов, какой угодно длительности, при которых главные параметры не выходят за диапазон допустимых значений. При таком режиме работы допустимы отклонения электронапряжения на выходе и частоты в пределах 4-5% и 2,5% от номинального значения, коэффициентов мощности и тому подобные. Допуски на отклонения задаются нормативными документами и определяются нагревом машин либо же гарантируются фирмой-производителем.

Нормальные рабочие режимы недопустимы для долгого функционирования устройства при таких обстоятельствах, как перевозбуждение или недовозбуждение, переход в режимы асинхронного типа, перегрузки. На возникновение таких обстоятельств влияют следующие отклонения в электросети:

неравномерность фазной загрузки;
короткое замыкание;
нагрузки попеременного действия.

Стоит отметить, что на нормальное функционирование механизма воздействует подключенная к нему электросеть, в которой любые нарушения работоспособности отдельно взятых источников потребления вызывают искажение формы и несимметрию электросигнала.

Важно! Длительная работа генерирующего энергию устройства допустима при разнице токов на фазах турбогенератора до 10% и водяных генераторов, синхронных компенсирующих машин до 15-20%.

Искривление синусоиды на СГ может случаться из-за высокомощных преобразователей, выпрямляющих устройств и прочих.

Необходимо учесть, что нормальное функционирование синхронных устройств возможно только при качественной работе охлаждающей системы. Так, при затратах охлаждающего агента в объеме более 70% от номинального значения, должна срабатывать предупреждающая сигнализация о том, что устройство нужно отключить от сети, в противном случае может произойти выход оборудования из строя. Когда расход охлаждающего агента уменьшается на 50%, то устройство должно разгрузиться порядка двух минут, после чего отключиться за максимум четыре минуты.

Характерные черты СГ

СГ обладают нижеследующими характерными чертами:

при нулевой нагрузке (холостом ходе), когда якорная обмотка находится в не замкнутом виде, задается зависимость электродвижущей силы от электротоков возбуждения, а также устанавливается значение уровня намагничивания сердечников генератора;
выходное электронапряжение зависит от нагрузочных электротоков – этот признак является внешней характеристикой СГ;
регулировочные характеристики синхронной машины проявляются в зависимости возбуждающих электротоков от нагрузочных аналогов при поддерживании установленных параметров на выходе в автоматическом режиме.

Синхронные генераторы нашли широкое применение в промышленности и энергообеспечении, так как имеют простую конструкцию, понятный принцип работы и могут выдерживать кратковременные перегрузки.

Для правильной эксплуатации и проведения ремонтных работ над СГ переменного тока необходимо знать их принцип работы (одинаковое по частоте вращение ротора и магнитного поля) и устройство. Эти знания пригодятся инженерам производственных предприятий и специалистам в области энергетики, а также обычным людям, которые используют подобную технику в бытовых целях.

Видео

Синхронный генератор переменного тока — что это?

Синхронный генератор (альтернатор) — устройство, с помощью которого осуществляется преобразование механической или других видов энергии в переменный ток.

Первые существенные попытки создания альтернаторов были предприняты еще М. Фарадеем и И. Пикси в 1831 году, но их изобретения не использовались на практике из-за слишком малой мощности. Впервые похожее устройство публично продемонстрировали в 1886 г. Немного ранее, в 1882 г., Д. Гордон разработал довольно мощный двухфазный генератор.

В 1891 г. известный сербский физик и ученый Н. Тесла запатентовал высокочастотный альтернатор. Трехфазное устройство с аналогичным принципом действия создал русский инженер М. Доливо-Добровольский, который в 1903 г. первым в мире запустил полноценную трехфазную электростанцию. Она обеспечивала электроэнергией зерновой элеватор в Новороссийске.

Из чего состоит генератор переменного тока

В стандартном альтернаторе обязательно присутствуют:

проводник тока;
«якорь» (магнитопровод);
магнитная система (обыкновенная, электрическая).

Электричество отправляется из якоря, благодаря угольным щеткам, которые прилегают к кольцу. Дополнительно к нему подсоединены концы проводника, что обеспечивает полноценную работу устройства.

Якорь является подвижной (вращающейся) частью генератора, а статор — статичный (неподвижный) элемент, в котором образуется магнитное поле. Если оно формируется с помощью электричества, то параллельно должен работать еще один генератор, который будет возбуждать действие. Возбудитель оснащен стандартными магнитами.

В зависимости от способа применения устройства и его разновидности якорь приводится в движение различными механизмами. На электростанциях эту функцию выполняют паровые или гидравлические (водяные) турбины. В бытовых условиях гораздо чаще используются устройства, в которых якорь приводится в движение с помощью двигателя внутреннего сгорания, вырабатывающего механическую энергию.

Разновидности синхронных генераторов переменного тока

Базовая классификация альтернаторов включает следующие типы устройств:

Высокочастотные генераторы рассчитаны на преобразование механической энергии в электричество высокой частоты. Приспособление работает за счет изменения магнитного потока с помощью воздействия вращающегося ротора на статичный статор. Высокая частотность достигается увеличением количества полюсов и разгоном вращения статора. Применяется в качестве источника питания электричеством для радиотелеграфных станций на расстояние до 3 километров. Для меньших промежутков они не подходят, поскольку требуется увеличение частотности. Устройства подразделяются на генераторы, производящие энергию непосредственно в машине, и агрегаты, в которых ток увеличивается за счет статических умножителей.
Гидротурбинный генератор, как становится понятно из названия, функционирует за счет движения гидравлической турбины. Ротор в таких устройствах располагается на одном валу с турбинным колесом. Максимальная мощность подобных агрегатов достигает 100 000 кВт, что является внушительным показателем для электростанций, в особенности автономных. По размеру они ощутимо больше аналогичных аппаратов. Диаметр одного ротора может достигать пятнадцати метров. На мощность турбины значительное влияние оказывает скорость, с которой она вращается, маховый момент, характерный для ротора, и протяженность ЛЭП (линии электропередачи). Обмотка размещается непосредственно на статоре, охватывающем явный полюсный ротор, который закреплен на валу.
Паротурбинный генератор, работающий с помощью паровой турбины. Наибольшим распространением пользуются двухполюсные и четырехполюсные устройства. Ротор имеет форму внушительного по размеру цилиндра с пазами прямоугольного типа. В специальных пазах на внутренней стороне статора размещается обмотка переменного тока. В машинах, работающих медленно, устанавливается ротор в форме колеса или звезды. Если система замкнутая, то охладительные элементы располагаются непосредственно под генератором. В сравнении с предыдущим типом генераторов паротурбинные обладают значительно меньшими размерами.

Самое широкое распространение получили синхронные трёхфазные генераторы, мощности которых варьировались от минимальных значений до нескольких мегаватт. Работа классических альтернаторов была основана на том, что на роторе располагались кольца и щетки, которые находились в непосредственном контакте со статором. В большинстве случаев данный механизм был небезопасен, щётки при этом быстро изнашивались, а коллектор якоря требовал непрерывного поддержания в рабочем состоянии. Поэтому были разработаны бесщёточные синхронные генераторы, которые исключили все эти недостатки.

Работа синхронного бесщёточного трёхфазного генератора основана на применении системы независимого возбуждения и автоматических регуляторов напряжения (AVR). AVR помогает не допускать отклонений и скачков, поддерживая выходное напряжение генератора на постоянном уровне. Если вдруг происходит значительный скачок напряжения, AVR примет всю нагрузку на себя и в первую очередь выйдет из строя, защитив тем самым остальные системы альтернатора. AVR поставляются отдельно в качестве запасной части и заменить его не сложнее, чем поменять батарейки в любом устройстве.

Генераторы могут быть одноопорные с одним подшипником и двухопорные.

Если генератор вышел из строя, а двигатель находится в хорошем состоянии, то можно заказать генератор отдельно. Для заказа нужно обязательно знать наименование двигателя и присоединительные размеры генератора. Основная градация здесь по стране производства двигателя — отечественный он или импортный, — поскольку для отечественных двигателей (ЯМЗ, ТМЗ или ММЗ) в большинстве разработаны свои типы для присоединения и стыковки генератора с двигателем (напрямую, через муфту или при помощи стыковочных колец). Импортные же двигатели стыкуются с альтернаторами по единой системе SAE.

Области применения генераторов переменного тока

Переменный ток используется повсеместно в различных отраслях человеческой деятельности. В отличие от постоянного, переменный ток можно передавать на большие расстояния с минимальными потерями. Используя диодные выпрямители, при необходимости переменный ток можно без особых усилий преобразовать в постоянный, а наоборот сделать не получится. Многочисленные преимущества способствовали его широкому распространению. Сейчас на переменном токе работает большинство современных бытовых устройств и гаджетов.

Востребованность синхронных генераторов растет с каждым годом. Это касается как больших стационарных агрегатов, так и мобильных (переносных), которые используются преимущественно в быту или на небольших объектах.

Альтернаторы применяются на всех видах электростанций. В промышленности и строительной отрасли они тоже незаменимы. С их помощью обеспечиваются электричеством:

административные и жилые сооружения;
школы, больницы, детские сады;
производственные и коммерческие предприятия;
торгово-развлекательные центры.

В удаленных, труднодоступных или не обеспеченных иными источниками энергии местах также используются генераторы переменного тока. Автономные дизельные и бензиновые электростанции тоже оснащаются синхронными генераторами. Отрасли применения альтернаторов не ограничены и продолжают расти.

Обслуживание альтернаторов необходимо производить регулярно, согласно рекомендациям производителя. Иначе велика вероятность возникновения неисправностей или выхода агрегата из строя.

ООО ПКФ «Энергодизельцентр» работает на рынке России и стран ближнего зарубежья более 17 лет. За это время нам удалось создать безупречную репутацию и выработать оптимальный подход сотрудничества. Мы специализируемся на производстве газопоршневых и дизельных электростанций на базе двигателей ЯМЗ.

У нас вы найдете:

дизельные и газопоршневые электростанции;
силовые установки;
комплектующие и аксессуары.

При производстве дизельных и газовых электростанций применяются только надёжные и зарекомендовавшие себя долгими годами стабильной работы генераторы отечественного и импортного производства:

БГ, БЭМЗ (Россия);
ГС, ОАО Электроагрегат (Россия);
Stamford, Cummins (Англия);
Marelli Motori (Италия);
Leroy Somer (Франция);
Linz (Италия) и др.

Доставка заказа осуществляется в пределах Российской Федерации. В странах СНГ также можно приобрести нашу продукцию. Специалисты компании «Энергодизельцентр» готовы помочь в выборе подходящего по характеристикам устройства. Эксперты ответят на любые интересующие вопросы, помогут оформить предварительный заказ. Чтобы получить бесплатную консультацию, необходимо набрать номер 8 800 550-76-40.