Ixπ– напряжение, уравновешивающее ЭДС, наводимое в обмотке якоря вращающим магнитным полем якоря, без учета гистерезиса. Используя это уравнение, можно построить векторную диаграмму фазы генератора. Исходным будем считать вектор магнитного потока Ф0и направим его влево по горизонтальной оси. Вектор ЭДС E0, индуктируемой потоком Фо отстает от вектора Ф0 на 90 градусов. Вектор тока якоря отстает от Ео на угол φ0, причем . Здесь хnи rn — индуктивное и активное сопротивление нагрузки генератора. Вектор падения напряжения в проводах фазной обмотки Ir, совпадает по фазе с током I. Вектор Ijx опережает I ток на 90°. Вектор напряжения может быть получен как разность векторов ЭДС и падений напряжений Ů=Ė0−İ(r−jx).
Дата добавления: 2015-04-16 ; просмотров: 83 ; Нарушение авторских прав
Синхронные машины
Если во вращающемся магнитном поле разместить на валу ротора магнит так, чтобы ось, соединяющая его полюса, была направлена вдоль вектора индукции магнитного поля, то вращающееся магнитное поле вовлекает во вращение магнит вместе с валом ротора, который вращается синхронно с магнитным полем. Однако для этого необходимо раскрутить ротор до скорости вращения поля (условие синхронизма). На ротор действует вращающий момент, и энергия тока превращается в механическую энергию электродвигателя, который получил название синхронного.
Синхронные машины используются в качестве источников электрической энергии (генераторов), электродвигателей и синхронных компенсаторов.
Синхронные генераторы гидроэлектростанций вращаются с помощью гидротурбин и носят название гидрогенераторов. Кроме электростанций синхронные генераторы находят применение в установках, требующих автономного источника питания.
Синхронные двигатели переменного тока используются с механизмами средней и большой мощности при редких пусках, требующих постоянной частоты вращения. К таким механизмам относятся компрессоры, вентиляторы, насосы и т.д.
Синхронный компенсатор предназначается для улучшения коэффициента мощности электротехнических установок (компенсации индуктивной реактивной мощности).
Дополнительно по теме
Схема замещения синхронного двигателя и векторная диаграмма
Конструктивно синхронная машина состоит из статора и ротора. Статор аналогичен статору асинхронной машины, а ротор представляет собой постоянный магнит, поле которого создается обмоткой возбуждения, по которой пропускается постоянный ток. Питание обмотки возбуждения осуществляется через скользящий контакт между контактными кольцами и неподвижными щетками. Особенностью синхронной машины является возможность работы как в режиме двигателя, так и в режиме генератора.
Частота ЭДС переменного тока в синхронной машине зависит от частоты вращения ротора и числа пар полюсов, f1 = рn/60. Действующее значение ЭДС, индуцируемой в проводниках
Взаимодействие вращающегося поля статора и поля постоянного магнита ротора вызывает появление вращающего момента, вследствие чего ротор вращается в том же направлении, что и поле статора (n1=n). Скольжение синхронной машины равно нулю.
Характеристика зависимости момента двигателя от угла нагрузки имеет вид синусоиды и выражает работу как двигательного, так и генераторного режима.
С целью получения запаса устойчивости за номинальный момент синхронного двигателя принимается 0,5Мн, которому соответствует угол q=30°.
Важным преимуществом синхронного двигателя является способность регулировать потребляемую из сети реактивную мощность путем изменения тока возбуждения. Рассмотрим зависимости тока статора двигателя от тока возбуждения.
При перевозбуждении Iдв имеет емкостной характер, а при недовозбуждении — индуктивный. Таким образом, синхронный двигатель может быть использован в качестве компенсирующего устройства для регулирования реактивной мощности.
Характеристики имеют границу устойчивости, вдоль которой уменьшение тока возбуждения приведет к опрокидыванию двигателя или «выпаданию из синхронизма». Граница устойчивости соответствует режиму Мдв= Мген.
Недостатком синхронного двигателя является необходимость возбудителя для запуска, так как при равенстве синхронной частоты вращения поля статора и частоты вращения поля ротора пусковой момент отсутствует. Наиболее распространен асинхронный запуск. В этом случае на полюсах двигателя размещается короткозамкнутая обмотка. При пуске статор подключают к сети. Возникающее магнитное поле индуцирует в этой обмотке ЭДС и токи, в результате чего создается электромагнитный момент, как и у асинхронного двигателя. При этом обмотка возбуждения отключена от источника постоянного тока, но замкнута на активное сопротивление с целью уменьшения напряжения на ее зажимах при пуске. При достижении двигателем частоты вращения, близкой к синхронной, обмотка возбуждения переключается на источник постоянного тока. В этом случае говорят, что двигатель «втянулся в синхронизм».
Генераторный режим синхронной машины
Так как выражения электромагнитной мощности и момента у синхронной машины аналогичны и в двигательном и в генераторном режимах, то достаточно рассмотреть генераторный режим синхронной машины.
При работе синхронной машины в качестве генератора можно регулировать магнитный поток Фо и пропорциональную ему Ео, изменяя ток возбуждения.
Зависимость Ео=f(Iв) называется характеристикой холостого хода генератора.
Остаточная ЭДС у синхронного генератора равна 5-10 В.
Совпадение токов в проводниках по фазе с ЭДС будет только при активной нагрузке,
При включении статора на сопротивление нагрузки по обмотке пойдет ток, который создаст поле, вращающееся относительно статора и неподвижное относительно поля возбуждения основного потока ротора Фо. Совпадение токов в проводниках по фазе с ЭДС будет только при активной нагрузке, при индуктивной ток отстает на 90°, при емкостной опережает на 90°. Рост напряжения при емкостной нагрузке связан с подмагничивающим действием реакции якоря (статора), а снижение при индуктивной нагрузке — размагничиванием.
Упрощенное уравнение электрического состояния одной фазы синхронного генератора без учета поля рассеяния якоря имеет вид:
где Ео — ЭДС холостого хода.
Данному выражению соответствуют схема замещения (рис. а) и векторная диаграмма (рис. б). Из диаграммы следует, что Ео соответствует магнитному потоку ротора Фо, а напряжение U — результирующему магнитному потоку Ф. Отсюда следует, что в генераторном режиме Фо опережает Ф на угол q.
Основной режим работы генератора нагрузочный. Пренебрегая потерями в сопротивлении обмотки якоря, получим из векторной диаграммы значение cosy между напряжением и Еo:
С учетом этого выражения получим зависимость для определения электромагнитной мощности:
Момент равен отношению мощности к частоте вращения:
Выражение в скобках соответствует максимальному моменту Мmax, причем.
Зависимости электромагнитной мощности и момента синхронной машины при различных токах возбуждения показаны на рисунке.
В синхронном генераторе с активно-реактивной нагрузкой при определении электромагнитного момента необходимо учитывать фазовый сдвиг тока относительно магнитного потока или напряжения. Тогда выражение для момента
Синхронный генератор в качестве источника электрической энергии переменного тока включают в распределительную сеть параллельно. При параллельной работе генератора с системой большой мощности его частота и напряжение, а также угловая скорость должны оставаться неизменными при любых изменениях как нагрузки, так и тока возбуждения и момента первичного двигателя. Активную мощность, отдаваемую генератором в сеть, можно регулировать только изменением момента первичного двигателя, а реактивную — изменением тока возбуждения.
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:
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.
. Здесь хn и rn — индуктивное и активное сопротивление нагрузки генератора. Вектор падения напряжения в проводах фазной обмотки Ir, совпадает по фазе с током I. Вектор Ijx опережает I ток на 90°. Вектор напряжения может быть получен как разность векторов ЭДС и падений напряжений Ů=Ė0−İ(r−jx).
Зависимость Ео=f(Iв) называется характеристикой холостого хода генератора.
Данному выражению соответствуют схема замещения (рис. а) и векторная диаграмма (рис. б). Из диаграммы следует, что Ео соответствует магнитному потоку ротора Фо, а напряжение U — результирующему магнитному потоку Ф. Отсюда следует, что в генераторном режиме Фо опережает Ф на угол q.
.
Зависимости электромагнитной мощности и момента синхронной машины при различных токах возбуждения показаны на рисунке.
Рис. 1. Модель генератора с магнитным ротором
Рис. 2. Строение синхронного генератора средней мощности
Рис. 3. Схема, объясняющая принцип работы генератора
Рис. 4. Схема регулировки напряжения
Рис. 5. Схема подключения генератора к бортовой сети авто