§16. Синхронные генераторы
Устройство и принцип действия.
Синхронный генератор состоит из неподвижного статора 1 (рис. 44, а), на котором размещаются три обмотки (A—X, В—Y, С—Z), и вращающегося ротора 2 с полюсами, на которых расположена обмотка возбуждения ОВ. Поступающий в обмотку возбуждения постоянный ток намагничивает ротор, а первичный двигатель вращает его с частотой п оборотов в минуту. При этом обмотки пересекаются магнитным полем и в них индуктируются переменные э. д. с., сдвинутые по фазе на 120°.
Источником постоянного тока возбуждения Iв является возбудитель — небольшой генератор постоянного тока, мощность которого составляет 2—3 % мощности трехфазного генератора (рис. 44, б). Якорь возбудителя 3 и ротор синхронного генератора 6 находятся на одном валу 1 и приводятся в движение общим двигателем. При работе первичного двигателя ток возбуждения Iв проходит от положительной щетки возбудителя, касающейся коллектора 2, через щетку Щ1 и кольцо A, обмотку возбуждения синхронного генератора 7, кольцо 5, щетку Щ2 к отрицательной щетке возбудителя.
В некоторых синхронных генераторах для создания магнитного потока используется самовозбуждение. Цепь возбуждения в таких генераторах подключается к обмоткам статора через специальный выпрямитель (рис. 45). При вращении ротора в обмотках статора возникает небольшой переменный ток за счет остаточной индукции. Этот ток выпрямляется и, поступая в обмотку возбуждения, усиливает магнитный поток ротора, а следовательно, и э. д. с. генератора. Ток возбуждения, а значит и напряжение генератора можно регулировать реостатом РР.
Вращение ротора может производиться паровой или водяной турбиной или двигателем внутреннего сгорания. В соответствии с этим синхронный генератор называется турбогенератором, гидрогенератором или дизель-генератором.
Рис. 44. Устройство синхронного генератора
Частота f вырабатываемого тока прямо пропорциональна частоте вращения первичного двигателя п и числу пар полюсов ротора: f= рп. Для получения стандартной частоты f — 50 Гн следует иметь рп — 3000. Поэтому тихоходные генераторы, работающие совместно с водяными турбинами, имеют большое число явно выраженных полюсов.
Генераторы с неявно выраженными полюсами работают совместно с паровыми турбинами и являются быстроходными.
В каждой обмотке статора наводится э. д. с.
где w — число витков обмотки; Ф — магнитный поток ротора; к — обмоточный коэффициент.
Изменение э. д. с., а следовательно, и напряжения генератора производят регулировочным реостатом в цепи обмотки возбуждения возбудителя. Если увеличить ток возбуждения возбудителя, то увеличится его напряжение и ток возбуждения Iв синхронного генератора. В результате этого возрастет магнитный поток Ф ротора и индуктируемая э. д. с. E.
К. п. д. синхронных генераторов большой мощности достигает 96—97 %. Синхронные генераторы серии ЕСС служат для резервного питания устройств железнодорожной связи. Они входят в комплект дизель-генераторных агрегатов ДГА, которые включаются при неисправности питающих трансформаторных подстанций. Линейное напряжение таких генераторов при соединении обмоток статора звездой равно 380 В.
Синхронные генераторы применяются также в трехмашинных и двухмашинных установках гарантированного питания устройств связи переменным током.
В двухмашинных агрегатах используется двигатель постоянного тока. В трехмашинных агрегатах имеются два двигателя: асинхронный двигатель трехфазного тока и двигатель постоянного тока.
Характеристики.
Основными характеристиками синхронного генератора являются характеристики холостого хода, внешние и регулировочные. Для снятия характеристик пользуются схемой, представленной на рис. 46, а.
Характеристика холостого хода (рис. 46, б) показывает зависимость э. д. с. Е обмотки статора от тока возбуждения Iв при постоянной частоте вращения п и выключенной нагрузке, т. е. Е f (Iв) при п const и 1 = 0.
Ток возбуждения синхронного генератора регулируется реостатом РР, который включен последовательно с обмоткой возбуждения ОВ (см. рис. 46, а). Для измерения тока, напряжения и частоты на выходе генератора включены амперметры А, вольтметр V и частотомер Hz. Характеристика холостого хода синхронного генератора подобна кривой намагничивания сердечника ротора.
Внешние характеристики (рис. 46, в) отображают зависимость напряжения генератора U от тока нагрузки I при неизменных токе возбуждения Iв, частоте вращения п и коэффициенте мощности, т. е. U f (/) при Iв const, п const и cos φ const.
Рис. 46. Электрическая схема и характеристики синхронного генератора
Рассмотрим внешние характеристики синхронного генератора более подробно. Если увеличивать индуктивную нагрузку генератора, то его напряжение резко снижается (кривая /). Это объясняется увеличением падения напряжения на обмотках статора и реакцией статора.
Реакцией статора называется взаимодействие вращающегося магнитного потока статора с магнитным потоком ротора, которые вращаются с одинаковой скоростью (синхронно). С увеличением нагрузки возрастает магнитный поток обмоток статора, направленный противоположно магнитному потоку ротора. В результате размагничивания ротора снижаются э.д.с. и напряжение генератора. Если к генератору подключить только активную нагрузку, то магнитный поток статора будет сдвинут относительно потока ротора на угол 90°. Размагничивающее действие реакции статора несколько снижается и напряжение генератора изменяется по кривой 2. При нагрузке с преобладанием емкости магнитный поток статора направлен в одну сторону с магнитным потоком ротора. Поэтому напряжение генератора изменяется по кривой 3.
Регулировочные характеристики (рис. 46, г) показывают зависимость тока возбуждения генератора Iк от тока нагрузки I при постоянных напряжении U, частоте вращения п и коэффициенте мощности, т. е. Iв = f (I) при U = const, п — const и cos φ const. Регулировочные характеристики показывают, как следует изменять ток возбуждения генератора I с увеличением тока нагрузки I для того, чтобы напряжение генератора U было постоянным.