Что такое ток нагрузки синхронного генератора

Режим нагрузки синхронного генератора

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Роль синхронных машин в работе электроэнергетики невозможно переоценить. Во-первых, потому что практически 100% электроэнергии мы получаем от этих машин. Как ни какая другая машина синхронная машина используется во всем спектре промышленных технологий от производства электроэнергии до ее потребления. Эта машина обладает уникальным свойством потреблять и выдавать реактивную мощность, независимо от того работает она в режиме генератора или двигателя. Этим решается одна из глобальных проблем большой энергетики – оптимальное регулирование потоков мощности по системным связям.

Своими параметрами синхронные машины обеспечивают успешное функционирование энергосистем, как в нормальных, так и в аварийных режимах.

Крупнейшие экземпляры синхронных генераторов имеют мощность 1200–1600 МВт и одна такая машина способна обеспечить электроэнергией крупный мегаполис (например, зимний максимум сибирского города-миллионника 1500-1700 МВт). Современные синхронные машины предельных мощностей — это образцы самой передовой технологии, не уступающей космическим технологиям.

Понимание физических процессов протекающих в синхронных машинах, это путь к глубокому пониманию физики всей электроэнергетики. Теоретические построения для синхронной машины не зависят от режима ее работы (генератор это или двигатель), но как принято в мировой и отечественной учебной практике, теорию этих машин обычно излагают для режима генератора.

Рассматривая ниже основные теоретические и физические аспекты работы синхронной машины, мы полагаем, что читатель знаком с конструкцией и принципом действия этой машины.

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ И ФИЗИКИ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ

Режим холостого хода синхронного генератора

Генератор возбужден и вращается с синхронной скоростью n. Магнитное поле возбуждения Ф_в индуктирует в обмотке якоря симметричную трехфазную ЭДС. Направление этой ЭДС в фазах обмотки якоря определяется по правилу “правой руки” и показано на рис. 3.1: (+) от наблюдателя, (·) к наблюдателю. Следует помнить, что правило “правой руки” справедливо для неподвижного поля, поэтому при определении направления ЭДС индуктор был мысленно заторможен, а проводники якоря вращались в обратном направлении.

Поскольку цепь якоря разомкнута в ней тока нет, и поэтому никаких других электромагнитных процессов в генераторе не происходит.

Рис. 3.1. Режим холостого хода возбужденного синхронного генератора (в проводниках якоря показаны направления ЭДС и тока)

Режим нагрузки синхронного генератора

При подключении возбужденного генератора на симметричную 3х-фазную нагрузку,в обмотке якоря появится ток I, который создаст свое магнитное поле. Это поле называют – полем реакции якоря и обозначают Ф_а. В установившемся режиме работы поле реакции якоря постоянно по амплитуде, вращается относительно якоря с синхронной скоростью и поэтому неподвижно относительно ротора.

Когда была построена теория синхронных машин, выяснилась решающая роль магнитного поля реакции якоря на параметры машины и на работу всей энергосистемы. Поэтому рассмотрим физические процессы, связанные с реакцией якоря подробнее. Для построения теории вводится система координат d-q неподвижная относительно индуктора, и говорят о продольной — d и поперечной — q оси синхронной машины.

Реакция якоря синхронной машины.В установившемся режиме поле реакции якоря и индуктор неподвижны относительно друг друга. Однако взаимное расположение поля реакции якоря и индуктора зависит от характера нагрузки (активная, индуктивная, емкостная или смешанная), и этот факт имеет важнейшее значение для понимания энергетических процессов в синхронной машине. Покажем это.

Чисто активная нагрузка(рис. 3.2).При чисто активной нагрузке ток якоря совпадает по фазе с ЭДС. Это означает, что во всех проводниках якоря Е и Iбудут иметь одинаковое направление. На рис. 3.2 это иллюстрируется на векторной диаграмме и на осцилограмме. По направлению ЭДС в проводниках определим направления токов. Токи в верхней половине якоря направлены (+), в нижней половине направлены (·) и согласно “правилу буравчика” такая система токов создает поле реакции Ф_а направленное перпендикулярно полю возбуждения Ф_в. Таким образом чисто активный ток якоря создает поперечную реакцию Ф_а=Ф_q.

Рассматривая установившийся режим синхронной машины, следует помнить, что вся картина распределения ЭДС и токов, индуктор и магнитные поля вращается относительно статора с синхронной скоростью nи неподвижна относительно индуктора. Это означает что электромагнитные процессы протекают только в якоре, а в индукторе их по прежнему нет.

Рис. 3.2. Положение магнитных полей возбуждения и реакции якоря при чисто активной нагрузке

Чисто индуктивная нагрузка.При такой нагрузке ток I отстает от ЭДС на 90 эл. градусов. При положении индуктора показанном на рисунке 3.3 ЭДС в проводнике А максимальна и направлена (+), тогда максимальное значение тока I с направлением (+) будет в проводнике отстающем от А на 90 эл. градусов (на рисунке он не показан) а также в проводниках С и Y.

Рис. 3.3. Положение магнитных полей возбуждения и реакции якоря при индуктивной нагрузке

Направления токов в остальных проводниках также показаны на рис. 3.3. Полученная система токов в обмотке якоря создает магнитное поле Ф_а направленное навстречу полю возбуждения и таким образом размагничивает генератор. Таким образом чисто индуктивный ток создает продольную размагничивающую реакцию якоря Ф_а=-Ф_d.

Вывод о размагничивании машины полностью соответствует физическим представлениям об индуктивной нагрузке. Как известно, индуктивная нагрузка, например, катушка индуктивности, потребляет реактивную мощность, которая идет на создание в ней магнитного поля. Ровно такую реактивную мощность генератор теряет за счет размагничивания.

Чисто емкостная нагрузка. При такой нагрузке ток I опережает ЭДС на 90 эл. градусов и поэтому распределение токов в витках обмотки якоря будет таким как показано на рис. 3.4. Полученная система токов в обмотке якоря создает магнитное поле Ф_а направленное согласно с полем возбуждения, в результате чего генератор намагничивается. Чисто емкостный ток создает продольную намагничивающую реакцию якоря Ф_а=+Ф_q.

Полученная картина токов и полей также соответствует физическим представлениям о емкостной нагрузке. Емкость, как известно, является источником реактивной мощности, которую генератор и потребляет, при этом намагничиваясь.

Рис. 3.4. Положение магнитных полей возбуждения и реакции якоря при емкостной нагрузке

Смешанная нагрузка (рис.3.5). В качестве примера рассмотрим активно-индуктивную нагрузку, при которой ток якоря отстает от ЭДС на угол . Ток I и созданный им магнитный поток Ф_а формально можно разложить на оси, получим токи I_d, I_q.

Рис. 3.5. Реакция якоря при смешанной нагрузке

Разложению тока I можно дать следующее толкование. Реальная обмотка якоря с током I заменяется двумя фиктивными обмотками неподвижными относительно индуктора по которым протекают токи I_d, I_q и которые создают свои магнитные поля Ф_ad , Ф_{aq .} Эти поля индуктируют в обмотке якоря соответствующие электродвижущие силы Е_ad , Е_aq

Итак реальное поле Ф_а заменили его составляющими вдоль осей d — q и говорят о продольной Ф_аd и поперечной Ф_аq реакции якоря.

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:

1. Сконструировать генератор с определённым количеством полюсов электромагнитов.
2. 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.

Режимы работы синхронных генераторов, рабочие характеристики генераторов

Основными величинами, характеризующими синхронный генератор, являются: напряжение на зажимах U , нагрузка I , полная мощность P (кВа), число оборотов ротора в минуту n , коэффициент мощности cos φ .

Важнейшие рабочие характеристики синхронного генератора следующие:

характеристика холостого хода,

Характеристика холостого хода синхронного генератора

Электродвижущая сила генератора пропорциональна величине магнитного потока Ф, создаваемого током возбуждения i в, и числу оборотов n ротора генератора в минуту:

где с — коэффициент пропорциональности.

Хотя величина электродвижущей силы синхронного генератора зависит от числа оборотов n ротора, регулировать ее путем изменения скорости вращения ротора невозможно, так как с числом оборотов ротора генератора связана частота электродвижущей силы, которая должна быть сохранена постоянной.

Следовательно, остается единственный способ регулировки величины электродвижущей силы синхронного генератора — это изменение основного магнитного потока Ф. Последнее обычно достигается путем регулирования тока возбуждения iв с помощью реостата, введенного в цепь возбуждения генератора. В том случае когда обмотка возбуждения питается током от генератора постоянного тока, сидящего на одном валу с данным синхронным генератором, ток возбуждения синхронного генератора регулируется изменением напряжения на зажимах генератора постоянного тока.

Зависимость электродвижущей силы Е синхронного генератора от тока возбуждения iв при постоянстве номинальной скорости вращения ротора ( n = const) и нагрузке, равной нулю ( 1 = 0), называется характеристикой холостого хода генератора.

На рисунке 1 приведена характеристика холостого хода генератора. Здесь восходящая ветвь 1 кривой снята при возрастании тока i в от нуля до i в m , а нисходящая ветвь 2 кривой — при изменении iв от iвm до iв = 0.

Рис. 1. Характеристика холостого хода синхронного генератора

Несовпадение восходящей 1 и нисходящей 2 ветвей объясняется остаточным магнетизмом. Чем больше площадь, ограниченная этими ветвями, тем больше потерь энергии в стали синхронного генератора на перемагничивание.

Крутизна подъема кривой холостого хода на ее начальном прямолинейном участке характеризует магнитную цепь синхронного генератора. Чем меньше расход ампер-витков в воздушных зазорах генератора, тем при прочих одинаковых условиях будет круче характеристика холостого хода генератора.

Внешняя характеристика генератора

Напряжение на зажимах нагруженного синхронного генератора зависит от электродвижущей силы Е генератора, от падения напряжения в активном сопротивлении его статорной обмотки, падения напряжения, обусловленного электродвижущей силой самоиндукции рассеяния Es, и падения напряжения, обусловленного реакцией якоря.

Электродвижущая сила рассеяния Es, как известно, зависит от магнитного потока рассеяния Ф s , который не проникает в магнитные полюса ротора генератора и, следовательно, не изменяет степени намагничивания генератора. Электродвижущая сила самоиндукции рассеяния Es генератора относительно мала, а поэтому практически ею можно пренебречь. В соответствии с этим ту часть электродвижущей силы генератора, которая компенсирует электродвижущую силу самоиндукции рассеяния Es, можно считать практически равной нулю.

Реакция якоря оказывает более заметное влияние на режим работы синхронного генератора и, в частности, на величину напряжения на его зажимах. Степень этого влияния зависит не только от величины нагрузки генератора, но и от характера нагрузки.

Рассмотрим вначале влияние реакции якоря синхронного генератора для случая, когда нагрузка генератора носит чисто активный характер. Для этой цели возьмем часть схемы работающего синхронного генератора, изображенную на рис. 2 ,а. Здесь показаны часть статора с одним активным проводником якорной обмотки и часть ротора с несколькими его магнитными полюсами.

Рис. 2. Влияние реакции якоря для нагрузок: а — активного, б — индуктивного, в — емкостного характера

В рассматриваемый момент времени северный полюс одного из электромагнитов, вращающихся вместе с ротором против часовой стрелки, как раз проходит под активным проводником статорной обмотки.

Электродвижущая сила, индуктированная в этом проводнике, направлена к нам из-за плоскости рисунка. А так как нагрузка генератора носит чисто активный характер, то ток I в якорной обмотке совпадает по фазе с электродвижущей силой. Следовательно, в активном проводнике статорной обмотки ток течет к нам из-за плоскости рисунка.

Магнитные линии поля, создаваемого электромагнитами, показаны здесь сплошными линиями, а магнитные линии поля, создаваемого током провода якорной обмотки, — пунктирной линией.

Внизу на рис. 2 ,а показана векторная диаграмма магнитной индукции результирующего магнитного поля, находящегося над северным полюсом электромагнита. Здесь мы видим, что магнитная индукция В основного магнитного поля, создаваемого электромагнитом, имеет радиальное направление, а магнитная индукция В я магнитного поля тока якорной обмотки направлена вправо и перпендикулярно вектору В .

Результирующая магнитная индукция Врез направлена вверх и вправо. Это значит, что в результате сложения магнитных полей произошло некоторое искажение основного магнитного поля. Слева от северного полюса оно несколько ослабилось, а справа — несколько усилилось.

Нетрудно видеть, что радиальная составляющая вектора результирующей магнитной индукции, от которой по сути дела зависит величина индуктированной электродвижущей силы генератора, не изменилась. Следовательно, реакция якоря при чисто активной нагрузке генератора не влияет на величину электродвижущей силы генератора. Это значит, что и падение напряжения в генераторе при чисто активной нагрузке обусловлено только падением напряжения в активном сопротивлении генератора, если пренебречь электродвижущей силой самоиндукции рассеяния.

Теперь допустим, что нагрузка синхронного генератора носит чисто индуктивный характер. В этом случае ток I отстает по фазе от электродвижущей силы Е на угол π/2 . Это значит, что максимум тока возникает в проводе несколько позднее, чем максимум электродвижущей силы. Следовательно, когда в проводе якорной обмотки ток достигнет максимального значения, северный полюс N будет уже не под этим проводом, а сместится несколько дальше в направлении вращения ротора, как это показано на рис. 2 ,б.

В этом случае магнитные линии (пунктирные линии) магнитного потока якорной обмотки замыкаются через два соседних разноименных полюса N и S и направлены навстречу магнитным линиям основного магнитного поля генератора, создаваемого магнитными полюсами. Это приводит к тому, что основное магнитное пате не только искажается, но и делается несколько слабее.

На рис. 2,6 приведена векторная диаграмма магнитных индукций: основного магнитного поля В, магнитного поля, обусловленного реакцией якоря В я, и результирующего магнитного поля В рез.

Здесь мы видим, что радиальная составляющая магнитной индукции результирующего магнитного поля стала меньше магнитной индукции В основного магнитного поля на величину Δ В. Следовательно, стала меньше и индуктированная электродвижущая сила, так как она обусловлена радиальной составляющей магнитной индукции. А это значит, что напряжение на зажимах генератора при всех прочих равных условиях будет меньше, чем напряжение при чисто активной нагрузке генератора.

Если генератор имеет нагрузку чисто емкостного характера, то ток в нем опережает по фазе электродвижущую силу на угол π/2 . Ток в проводниках якорной обмотки генератора теперь достигает максимума раньше, чем электродвижущая сила Е. Следовательно, когда в проводе якорной обмотки (рис. 2,в) ток достигнет максимального значения, северный полюс N еще не подойдет под этот провод.

В этом случае магнитные линии (пунктирные линии) магнитного потока якорной обмотки замыкаются через два соседних разноименных полюса N и S и направлены попутно с магнитными линиями основного магнитного поля генератора. Это приводит к тому, что основное магнитное поле генератора не только искажается, но и несколько усиливается.

На рис. 2,в приведена векторная диаграмма магнитной индукции: основного магнитного поля В , магнитного поля, обусловленного реакцией якоря Вя, и результирующего магнитного поля B рез. Мы видим, что радиальная составляющая магнитной индукции результирующего магнитного поля стала больше магнитной индукции В основного магнитного поля на величину Δ В. Следовательно, увеличилась и индуктированная электродвижущая сила генератора.А это значит, что напряжение на зажимах генератора при всех прочих одинаковых условиях станет больше, чем напряжение при чисто индуктивной нагрузке генератора.

Выяснив влияние реакции якоря на электродвижущую силу синхронного генератора при различных по своему характеру нагрузках, перейдем к выяснению внешней характеристики генератора. Внешней характеристикой синхронного генератора называется зависимость напряжения U на его зажимах от нагрузки I при постоянной скорости вращения ротора (n = const), постоянстве тока возбуждения (i в = const) и постоянстве коэффициента мощности (cos φ = const).

На рис. 3 приведены внешние характеристики синхронного генератора для различных по своему характеру нагрузок. Кривая 1 выражает внешнюю характеристику при активной нагрузке (cos φ = 1,0). В этом случае напряжение на зажимах генератора падает при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной в пределах 10 — 20% напряжения при холостом ходе генератора.

Кривая 2 выражает внешнюю характеристику при активно-индуктивной нагрузке (cos φ = 0 ,8). В этом случае напряжение на зажимах генератора падает быстрее из-за размагничивающего действия реакции якоря. При изменении нагрузки генератора от холостого хода до номинальной напряжение уменьшается в пределах 20 — 30% напряжения при холостом ходе.

Кривая 3 выражает внешнюю характеристику синхронного генератора при активно-емкостной нагрузке (cos φ = 0,8). В этом случае напряжение на зажимах генератора несколько растет из-за намагничивающего действия реакции якоря.

Рис. 3. Внешние характеристики генератора переменного тока для различных нагрузок: 1 — активной, 2 — индуктивной, 3 емкостной

Регулировочная характеристика синхронного генератора

Регулировочная характеристика синхронного генератора выражает зависимость тока возбуждения i в генератора от нагрузки I при постоянстве действующего значения напряжения на зажимах генератора (U = const), постоянстве числа оборотов ротора генератора в минуту ( n = const) и постоянстве коэффициента мощности (cos φ = const).

На рис. 4 приведены три регулировочные характеристики синхронного генератора. Кривая 1 относится к случаю активной нагрузки (cos φ = 1 ) .

Рис. 4. Регулировочные характеристики генератора переменного тока для различных нагрузок: 1 — активной, 2 — индуктивной, 3 — емкостной

Здесь мы видим, что с ростом нагрузки I генератора ток возбуждения растет. Это понятно, так как с ростом нагрузки I увеличивается падение напряжения в активном сопротивлении якорной обмотки генератора и требуется увеличить электродвижущую силу Е генератора путем увеличения тока возбуждения i в , чтобы сохранить постоянство напряжения U.

Кривая 2 относится к случаю активно-индуктивной нагрузки при cos φ = 0 ,8 . Эта кривая поднимается круче, чем кривая 1, вследствие размагничивающего действия реакции якоря, снижающего величину электродвижущей силы Е, и, следовательно, напряжение U на зажимах генератора.

Кривая 3 относится к случаю активно-емкостной нагрузки при cos φ = 0,8. Эта кривая показывает, что с ростом нагрузки генератора требуется меньший ток возбуждения iв генератора для поддержания постоянства напряжения на его зажимах. Это понятно, так как в этом случае реакция якоря усиливает основной магнитный поток и, следовательно, способствует увеличению электродвижущей силы генератора и напряжения на его зажимах.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Работа синхронного генератора под нагрузкой

§ 102. РАБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ПОД НАГРУЗКОЙ

Если синхронный генератор не нагружен, т. е. работает вхоло­стую, то тока в обмотках статора нет. Магнитный поток полюсов, созданный током возбуждения, индуктирует в трехфазной обмотке статора э. д. с.

При нагрузке генератора в обмотке статора протекает ток. При симметричной нагрузке токи в фазах обмотки статора равны и сдвинуты на 1/3 периода. Токи статора создают вращающееся маг­нитное поле, скорость вращения которого

т. е. магнитное поле, созданное токами в обмотке статора, вращает­ся синхронно с магнитным полем полюсов.

В обмотке статора синхронного генератора создается э.д. с, величина которой зависит от магнитного потока полюсов. Если магнитный поток полюсов очень мал, то и э.д. с также мала. При увеличении магнитного потока возрастает и э. д. с. машины. Таким образом, при постоянной скорости вращения ротора э.д.с. пропор­циональна магнитному потоку, который возбуждается постоянным током, протекающим по проводникам обмотки возбуждения. Если повысить ток в обмотке возбуждения, то возрастет и магнит­ный поток полюсов, что вызовет увеличение э. д. с. машины. Следо­вательно, изменение тока в обмотке возбуждения вызывает соот­ветствующее изменение э. д. с. машины и позволяет регулировать напряжение на зажимах генератора.

Если синхронный генератор не нагружен (работает вхолостую), то тока в обмотках статора нет и напряжение на зажимах генера­тора равно э.д.с, индуктированной в обмотке статора.

При нагрузке генератора ток в обмотке статора не равен нулю и, следовательно, напряжение на зажимах генератора не равно э.д. с, так как в сопротивлении (активном и реактивном) обмотки статора возникает падение напряжения. Кроме того, токи, проте­кающие по обмоткам статора’, создают поток реакции якоря, кото­рый воздействует на поток полюсов, так что при нагрузке магнит­ный поток не будет равен магнитному потоку полюсов при холостой Работе генератора. Поэтому изменение нагрузки, т. е. тока в статоре генератора, будет вызывать изменение напряжения на зажимах генератора в случае, если ток в обмотке возбуждения остается неизменным.

На рис. 128 изображены внешние характеристики синхронного генератора при активной и реактивной нагрузках. Эти характеристики показывают зависимость напряжения на зажимах генерал тора от тока нагрузки при неизменных скорости вращения ротора и токе возбуждения. Различный вид этих характеристик при активной, индуктивной и емкостной нагрузках объясняется не одинаковым воздействием поля реакции якоря на магнитный поток полюсов.

Любой приемник электрической энергии требует постоянства напряжения сети. Чтобы обеспечить постоянное напряжение сети при изменении нагрузки в синхронном генераторе, изменяют и ток возбуждения.

Зависимость, показывающая, каким образом необходимо изме­нить ток в обмотке возбуждения для того, чтобы при изменении нагрузки генератора напряжение на его зажимах оставалось неиз­менным, называется регулировочной характеристикой (рис. 129), При активной нагрузке увеличение тока в статоре вызывает незна­чительное понижение напряжения, так как реакция якоря незначи­тельно уменьшает магнитный поток. При этой нагрузке требуется незначительно увеличить ток возбуждения для обеспечения по­стоянства напряжения. При индуктивной нагрузке создается про­дольное размагничивающее поле реакции якоря, уменьшающее поток полюсов. Поэтому, чтобы создать постоянство напряжения (т. е. для постоянства результирующего магнитного потока), необ­ходимо более значительно увеличить ток возбуждения для компен­сации размагничивающего поля реакции якоря. При емкостной нагрузке происходит усиление магнитного поля и для постоянства напряжения необходимо уменьшить ток возбуждения при увеличе­нии тока в статоре.

Наиболее часто синхронные генераторы работают на общую мощную сеть электростанции или энергосистемы. Напряжение такой сети Uc частота тока в ней неизменны. Напряжение на зажи­мах генератора равно и противоположно напряжению сети Uг= —Uс.

Результирующее магнитное поле Ф_Р статора, вращающееся с числом оборотов в пространстве, опережает напряжение Uг на 90° (рис. 130).

При неизменном напряжении сети U_С амплитуда магнитного потока Фр результирующего магнитного поля ста­тора также неизменна. При активной нагрузке генератора ток статора сов­падает по фазе с напряжением Uг. По­ток реакции якоря Фя совпадает по фазе с током I, так что вектор тока в статоре I в другом масштабе определит вектор Фя. Результирующий магнит­ный поток создается действием потока полюсов Фт и потока реакции якоря Фя и может быть представлен геометриче­ской суммой этих магнитных потоков.

Изменение тока возбуждения гене­ратора не вызывает изменения его активной мощности, так как мощность, потребляемая им от первичного двигателя, остается неизменной (вращающий момент первичного двигателя и скорость вращения постоянны). Поэтому актив­ная составляющая тока статора постоянна и конец вектора I (Фя) находится на прямой АВ, параллельной горизонтальной оси. Если увеличить ток возбуждения, то увеличится поток полюсов Ф’т, вектор которого находится между прямой АВ и концом неиз­менного вектора Фр.

В этом случае изменится как по величине, так и по направле­нию вектор I ‘ и Ф’я, т. е. ток окажется отстающим по фазе от на­пряжения генератора.

При уменьшении тока возбуждения уменьшится также и потом полюсов Ф»т, что приведет к изменению тока в статоре I»(Ф»я) как по величине, так и по фазе. Таким образом, изменение тока возбуждения генератора, работающего на мощную сеть, вызывает изменение реактивной составляющей тока в статоре, т. е. изменяем реактивную мощность, вырабатываемую генератором.

Для изменения активной мощности необходимо изменить вращающий момент первичного двигателя, приводящего во вращение ротор синхронного генератора. Под действием вращающего момента первичного двигателя М1 ротор машины с помещенными на ней полюсами приводится во вращение с числом оборотов в минуту n. Результирующее поле статора вращается в том же направлении с числом оборотов n1 =n (рис. 131, а). Следовательно, поле полюсов и результирующее поле статора вращаются синхронно, оставаясь неподвижными друг относительно друга, и между этими полями устанавливается взаимодействие. Магнитные линии, растягиваясь стремятся приблизить поле ротора к полю статора, создавая электромагнитный тормозной момент Мэ, уравновешивающий момент первичного двигателя.

При равновесии момент М1=М_Э угол между осями магнитных полей в остается неизменным.

Если увеличить момент первичного двигателя М’₁ (рис. 131, б), то он окажется больше тормозного, и ротор, получив некоторое ускорение, начнет перемещаться относительно поля статора, вращающегося с постоянной скоростью (частота тока сети постоянна). При этом угол между осями магнитных полей ротора и статора 61 увеличится, и магнитные линии, растягиваясь в боль­шей степени, увеличат тормозной электромагнитный момент М’э так, что вновь восстановится равновесие моментов, т. е. М1 = Мэ. Для включения генератора в сеть необходимо:

1) одинаковое чередование фаз в сети и генераторе;

2) равенство напряжения сети и э. д. с. генератора;

3) равенство частот э. д. с. генератора и тока сети;

4) включать генератор в тот момент, когда э.д.с. генератора в каждой фазе направлена встречно напряжению сети.

Невыполнение этих условий ведет к тому, что в момент вклю­чения генератора в сеть возникают токи, которые могут оказаться большими и опасными для генератора. При включении генерато­ров в сеть используют специальные устройства — синхроноскопы. Простейшим синхроноскопом являются три лампы накаливания, включаемые между зажимами генератора и сети. Лампы должны быть рассчитаны на двойное напряжение сети и до включения гене­ратора будут одновременно загораться и погасать.

В момент, когда э.д. с. генератора равна и направлена встреч­но напряжению сети, лампы погаснут, так как напряжение на лам­пе равно нулю. При погасании ламп замыканием рубильника ге­нератор включается в сеть.

До включения генератора в сеть э.д.с. его измеряется вольт­метром и регулированием тока возбуждения устанавливается рав­ной напряжению сети. Частота э.д.с. генератора регулируется из­менением скорости вращения первичного двигателя.

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!

Что такое ток нагрузки синхронного генератора

Воропаев Е.Г.
Электротехника

Если в рассмотренных выше асинхронных машинах ротор имел частоту вращения, отличную от частоты вращения магнитного поля статора, то в синхронных эти частоты равны между собой.
Синхронные машины могут работать как генераторами, так и двигателями.
В зависимости от типа привода синхронные генераторы получили и свои названия.
Турбогенератор, например, — это генератор, приводимый в движение паровой турбиной, гидрогенератор вращает водяное колесо, а дизель — генератор механически связан с двигателем внутреннего сгорания.
Синхронные двигатели широко применяют для привода мощных компрессоров, насосов, вентиляторов.
Синхронные микродвигатели используют для привода лентопротяжных механизмов регистрирующих приборов, магнитофонов и т.д.

6.1. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

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

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

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

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

6.2. ЭДС СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Как было показано выше, величина наводимой в обмотке статора ЭДС количественно связана с числом витков обмотки и скорости изменения магнитного потока:

Переходя к действующим значениям, выражение ЭДС можно записать в виде:

где n — частота вращения ротора генератора,
Ф — магнитный поток,
c — постоянный коэффициент.
При подключении нагрузки напряжение на зажимах генератора в разной степени меняется. Так, увеличение активной нагрузки не оказывает заметного влияния на напряжение. В то же время индуктивная и емкостная нагрузки влияют на выходное на-пряжение генератора. В первом случае рост нагрузки размагничивает генератор и снижает напряжение, во втором происходит его подмагничивание и повышение напряжения. Такое явление называется реакцией якоря.
Для обеспечения стабильности выходного напряжения генератора необходимо регулировать магнитный поток. При его ослаблении машину надо подмагнитить, при увеличении — размагнитить. Делается это путем регулирования тока, подаваемого в обмотку возбуждения ротора генератора.

6.3. СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

6.3.1. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Конструкция синхронного двигателя такая же, как и у синхронного генератора.
При подаче тока в трехфазную обмотку статора в нем возникает вращающееся магнитное поле. Частота вращения его определяется формулой:

где f — частота тока питающей сети,
р — число пар полюсов на статоре.
Ротор, являющийся часто электромагнитом, будет строго следовать за вращаю-щимся магнитным полем, т.е. его частота вращения n₂ = n₁.
Рассмотрим принцип действия синхронного двигателя на следующей условной модели (рис. 6.3.1.). Пусть магнитное поле статора будет смоделировано системой вращающихся магнитных полюсов N — S.

Ротор двигателя тоже представляет собой систему электромагнитов S — N, кото-рые «сцеплены» с полюсами на статоре. Если нагрузка на двигателе отсутствует, то оси полюсов статора будут совпадать с осями полюсов ротора ( = 0).
Если же к ротору подключена механическая нагрузка, то оси полюсов статора и ротора могут расходиться на некоторый угол .
Однако «магнитное сцепление» ротора со статором будет продолжаться, и частота вращения ротора будет равна синхронной частоте статора (n₂ = n₁). При больших значениях ротор может выйти из «сцепления» и двигатель остановится.
Главное преимущество синхронного двигателя перед асинхронным — это обеспечение синхронной скорости вращения ротора при значительных колебаниях нагрузки.

6.3.2. СИСТЕМА ПУСКА СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Как мы показали выше, синхронное вращение ротора обеспечивается «магнитным сцеплением» полюсов ротора с вращающимся магнитным полем статора.
В первый момент пуска двигателя вращающееся магнитное поле статора возникает практически мгновенно. Ротор же, обладая значительной инерционной массой, прийти в синхронное вращение сразу не сможет. Его надо «разогнать» до подсинхронной скорости каким-то дополнительным устройством.
Долгое время роль разгонного двигателя играл обычный асинхронный двигатель, механически соединенный с синхронным.
Ротор синхронного двигателя приводится во вращение до подсинхронной скорости. Далее двигатель сам втягивается в синхронизм.
Обычно мощность пускового двигателя составляет 5-15 % от мощности синхронного двигателя. Это позволяет пускать в ход синхронный двигатель только вхолостую или при малой нагрузке на валу.
Применение пускового двигателя мощностью, достаточной для пуска синхронного двигателя под нагрузкой делает такую установку громоздкой и дорогой.
В последнее время используется так называемая система асинхронного пуска синхронных двигателей. С этой целью в полюсные наконечники забивают стержни, напоминающие собою короткозамкнутую обмотку асинхронного двигателя (рис. 6.3.2.1).

В начальный период пуска синхронный двигатель работает как асинхронный, а в последующем — как синхронный. В целях безопасности обмотку возбуждения в начальном периоде пуска закорачивают, а на заключительном подключают к источнику по-стоянного тока.

6.4. РЕАКТИВНЫЙ СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

В лабораторной практике, в быту и в маломощных механизмах применяют так называемые реактивные синхронные двигатели.
От обычных классических машин они отличаются лишь конструкцией ротора. Ротор здесь не является магнитом или электромагнитом, хотя по форме напоминает собой полюсную систему.
Принцип действия реактивного синхронного двигателя отличен от рассмотренного выше. Здесь работа двигателя основана, на свободной ориентации ротора таким образом, чтобы обеспечить магнитному потоку статора лучшую магнитную проводимость (рис. 6.4.1).

Действительно, если в какой-то момент времени максимальный магнитный поток будет в фазе А — X, то ротор займет положение вдоль потока ФА. Через 1/3 периода максимальным будет поток в фазе В — У. Тогда ротор развернется вдоль потока ФВ. Еще через 1/3 периода произойдет ориентация ротора вдоль потока. ФС. Так непрерывно и синхронно ротор будет вращаться с вращающимся магнитным полем статора.
В школьной практике иногда, при отсутствии специальных синхронных двигателей, возникает необходимость в синхронной передаче.
Эту проблему можно решить с помощью обычного асинхронного двигателя, если придать ротору следующую геометрическую форму (рис. 6.4.2).

6.5. ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Этот тип двигателя является машиной постоянного тока, хотя принцип действия его напоминает синхронный реактивный двигатель.
Как видно из рис. 6.5.1, статор двигателя имеет шесть пар выступающих полюсов.

Каждые две катушки, расположенные на противоположных полюсах статора, образуют обмотку управления, включаемую, в сеть постоянного тока. Ротор — двухполюсный.
Если подключить к источнику постоянного тока катушки полюсов 1 — 1′, то ротор расположится вдоль этих полюсов. Если задействовать катушки полюсов 2 — 2′, а ка-тушки полюсов 1 — 1′ обесточить, то ротор повернется и займет положение вдоль полю-сов 2 — 2′. Такой же поворот ротора произойдет, если включить в сеть катушки полюсов 3 — 3′. Так, шагами, ротор будет «следовать» за своей обмоткой управления.
Преимуществом шаговых двигателей является то, что в них совершенно отсутствует «самоход». Они поворачиваются и строго фиксируются с шагом, пропорциональ-ным числу полюсов на статоре. Это качество делает его незаменимым в особо точных механизмах (для привода часов, механизмов подачи ядерного топлива в реакторах, в станках с ЧПУ и т.д.).
Управление шаговыми двигателями ведется с применением различных электронных устройств (триггеров Шмидта и др.).

6.6. КОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Безколлекторные асинхронные и синхронные двигатели при многих положительных качествах имеют существенные недостатки. Они не допускают достаточно плавного и экономичного регулирования вращения.
Этот пробел частично восполняют коллекторные двигатели переменного тока.
Коллекторные двигатели бывают однофазными и трехфазными.
Ротор однофазного коллекторного двигателя выполнен в виде цилиндра с фазными обмотками, статор — явнополюсный.
Так как обмотка полюсов статора, подключаемая к сети переменного тока, создает пульсирующее магнитное поле, то все элементы магнитной цепи машины набираются из отдельных листов электротехнической стали.
Вращающий момент в однофазном коллекторном двигателе создается взаимодействием токов в обмотке ротора с магнитным потоком полюсов. На рис. 6.6.1- показана схема подключения к сети коллекторного двигателя.

Коллекторные двигатели могут работать как от сети переменного тока, так и от сети постоянного тока. Это обстоятельство послужило для присвоения им наименования универсальных коллекторных двигателей. Коллекторные двигатели широко при-меняются для привода швейных машин, пылесоса и т.д.