на каком токе происходит возбуждение сг
Генераторы переменного тока
Различают два типа таких генераторов. Синхронные и асинхронные.
Синхронный генератор. Принцип действия
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:
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.
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.
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 δmax (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
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
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 синхронного генератора
Синхронный генератор. Устройство генератора и принцип действия
Синхронный генератор – машина (механизм) переменного тока, которая преобразовывает определенный тип энергии в электроэнергию.
К таким устройствам относят электростатические машины, гальванические элементы, солнечные батареи, термобатареи и т. п. Использование каждого вида из перечисленных приборов определяется их техническими характеристиками.
Область применения
Применяют синхронные агрегаты как источники электроэнергии переменного тока: используют на мощных тепло-, гидро- и атомных станциях, на передвижных электрических станциях, транспортных системах (машинах, самолетах, тепловозах).
Синхронный агрегат может включать устройства в тех местах, где нет центрального питания электрических сетей. Данные приборы можно применять в фермерских хозяйствах, которые расположены далеко от населенных пунктов.
Описание прибора
Устройство синхронного генератора:
Синхронный генератор работает в качестве генераторов и моторов. Он может переходить от графика работы генератора к графику двигателя – это зависит от действия вращающей либо тормозящей силы прибора. В графике генератора в него входит механическая, а исходит электроэнергия. В графике двигателя в него входит электрическая, а исходит механическая энергия.
Прибор включается в цепь переменного тока разного типа нелинейных сопротивлений. Синхронные агрегаты являются генераторами переменного тока на электростанциях, а синхронные моторы используются тогда, когда необходим двигатель, что работает с постоянной крутящейся частотой.
Принцип работы агрегата
Работа синхронного генератора осуществляется по принципу электромагнитной индукции.
Во время холостого движения якорная (статорная) катушка разомкнута, поэтому магнитное поле агрегата формируется одной обмоткой ротора. Когда ротор крутится от проводного мотора, у него присутствует постоянная частота, роторное магнитное поле перемещается через проводники обмоток фаз статора и осуществляет наводку повторяющихся переменных токов – электродвижущую силу (ЭДС).
ЭДС носит синусоидальный, несинусоидальный либо пульсирующий характер.
Обмотка возбуждения предназначается для создания в генераторе первоначального магнитного поля, чтобы навести в катушку якоря электрическую движущую силу. В случае если якорь синхронного генератора приводят в движение путем вращения с определенной скоростью, затем возбуждают источником постоянных токов, то поток возбуждения переходит через проводники катушек статора, и в фазах катушки индуцируются переменные ЭДС.
Трехфазное устройство
Трехфазный синхронный генератор – устройство, имеющее трехфазную структуру переменного тока, которая имеет огромное практическое распространение. Крутящийся электромагнит способен образовывать магнитный поток (переменный), который перемещается через три фазы обмотки имеющегося статора.
Результатом этого является то, что в фазах происходит переменная ЭДС однотипной частоты, сдвиг фаз осуществляется под углом, равным одной третьей периода вращения магнитных полей.
Трехфазный синхронный генератор оборудован так, что на его валу якорь является электромагнитом и питается от генератора. Когда вал вращается, к примеру, от турбины, генератор поставляет электроток, в то время как обмотка ротора питается поставляемым током. От этого якорь становится электрическим магнитом и, осуществляя обороты с тем же валом, доставляет вращающееся электромагнитное поле.
Благодаря синхронным трехфазным гидро- и турбогенераторам производится большая часть электроэнергии.
Синхронные агрегаты применяются и в качестве электромоторов в таких устройствах, у которых мощность превышает 50 кВт. Во время работы синхронного агрегата в графике двигателя сам ротор соединяют с источником постоянных токов, статор же подключают к трехфазному кабелю.
Структуры возбуждения
Любые турбо-, гидро-, дизельные генераторы, синхронные компенсаторы, моторы, производимые на данный момент, оснащаются новейшими полупроводниковыми структурами, такими как возбуждение синхронных генераторов.
В данных структурах применяется метод выпрямления трехфазных переменных токов возбудителей высокой или промышленной частоты либо напряжения возбуждаемого агрегата.
Устройство генератора таково, что структуры возбуждения могут обеспечить такие параметры работы агрегата, как:
Разновидности агрегатов
Синхронный генератор (мотор) подразделяется на несколько моделей, которые предназначены для разнообразных целей:
Принцип действия синхронного трёхфазного генератора
Универсальный синхронный трёхфазный генератор представлен в виде специфического механизма переменного тока, который призван преобразовывать определённый тип энергии в электричество.
Именно этот агрегат отвечает за работоспособность солнечных батарей, электростатических машин, а также гальванических элементов.
На практике использование этих устройств определяется исключительно техническими характеристиками.
Системы возбуждения синхронных генераторов
Ток, протекающий в обмотке статора, создает поле (реакцию якоря), синхронно вращающееся с ротором и влияющее на результирующий поток в воздушном зазоре машины. Степень и характер этого влияния определяют параметры машины, значение и коэффициент нагрузки cos φ. Это подтверждают внешние и регулировочные характеристики (см. рис. 9 и 10). Генератор, в свою очередь, является источником электроэнергии автономной системы и должен обеспечивать заданное качество электроэнергии в статических и динамических режимах. Наряду с обеспечением качества электроэнергии в ЭЭС реализуются различные виды защит. Например, при коротком замыкании защита системы должна быть избирательной (селективной) и отключать только поврежденные участки сети. В настоящее время селективность обеспечивают введением выдержек времени на отключение различных участков, при этом действует принцип: источник электроэнергии должен отключаться в последнюю очередь. Так как существующая защитная аппаратура срабатывает по току, то в момент отключения ток должен быть не меньше определенного значения. Таким образом, на систему возбуждения синхронного генератора (СГ) автономной системы возлагаются функции обеспечения качества электроэнергии и определенного значения тока в режиме короткого замыкания.
Способ возбуждения генератора, а именно три его компоненты: источник возбуждения; принцип регулирования; способ передачи в обмотку возбуждения электроэнергии – представляют собой важнейший фактор, влияющий на все характеристики генератора, в том числе и его конструкцию [9].
Способы передачи электроэнергии в обмотку возбуждения. Относительно передачи энергии в обмотку возбуждения различают СГ со щетками и без щеток.
Принципиальная схема СГ со щетками представлена на рис. 11. В этой схеме обмотка возбуждения подключена к источнику постоянного тока через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух неподвижных щеток и двух колец, расположенных на валу (изолированных от вала и одно от другого). Источником возбуждения здесь служит сам генератор.
 |
Рис. 11. Блок-схема системы возбуждения
синхронного генератора со щетками:
САРН – система автоматического регулирования напряжения; ОВ – обмотка возбуждения; ПД – первичный двигатель
Существует достаточно много разновидностей бесщеточных синхронных генераторов. На рис. 12 представлен один из вариантов такого генератора с электромашинным возбудителем.
 |
Рис. 12. Блок-схема системы возбуждения
бесщеточного синхронного генератора с возбудителем (В)
Принципы регулирования тока возбуждения при стабилизации напряжения синхронного генератора. Для регулирования тока возбуждения применяют разные системы, в которых использованы следующие принципы регулирования:
– токовое компаундирование – компенсация изменения значения тока нагрузки (I);
– амплитудно-фазовое компаундирование (фазовое компаундирование) – компенсация изменения значения тока и коэффициента мощности нагрузки (I, cos φ);
3) комбинированное – сочетание систем, использующих регулирование по отклонению и по возмущению.
В ЭЭС применяют все три вида систем регулирования напряжения синхронных генераторов. Каждая их них имеет свои области применения, определяемые параметрами генераторов [7].
Регулирование по отклонению, как известно, позволяет компенсировать изменение напряжения при любых видах возмущающих воздействий.
Схемы возбуждения, построенные по этому принципу, целесообразно использовать для генераторов с высоким значением ОКЗ, так как в этом случае регулируемая мощность системы возбуждения будет иметь меньшее значение. Эти схемы характеризуются большим значением коэффициента усиления по мощности и имеют тенденцию к автоколебательному режиму.
Регулирование по возмущающему воздействию компенсирует действие основных факторов, приводящих к снижению напряжения генератора, а также позволяет повысить быстродействие в переходном режиме, так как возмущение воздействует одновременно на объект управления и на его систему регулирования.
Системы возбуждения, реагирующие только на значение нагрузки (системы токового компаундирования), применяют обычно для генераторов с высоким значением ОКЗ. В этом случае регулировочные характеристики при cos φ = 0 и cos φ = 1 незначительно отличаются друг от друга (рис. 13) и точность поддержания напряжения оказывается выше, чем в случае применения генератора с низким ОКЗ.
Для генераторов с низким ОКЗ применяют, как правило, схемы возбуждения, реагирующие на значение и коэффициент мощности нагрузки, то есть схемы амплитудно-фазового (фазового) компаундирования.
| Рис. 13. Регулировочные характеристики синхрон-ных генераторов с различными значениями ОКЗ: 1 – ОКЗ = 0,82; 2 – ОКЗ = 1,8 |
Комбинированное регулирование осуществляют введением в системы компаундирования обратной связи по отклонению, что повышает точность регулирования. Основную роль в таких системах играет канал по возмущению. Канал по отклонению служит для устранения второстепенных возмущений и имеет небольшую мощность. Часто его выполняют в виде корректора напряжения, который имеет два способа включения – на обмотку возбуждения или на элемент системы на стороне переменного тока.
Источник возбуждения.Питать обмотку возбуждения можно от независимого источника электроэнергии (возбудителя) и/или от собственных шин генератора. Системы, в составе которых есть независимый источник энергии, относят к системам косвенного действия. Недостатки таких систем очевидны: они имеют повышенные массогабаритные показатели и ухудшенные показатели по быстродействию, так как к инерционности генератора и системы добавляется инерционность возбудителя. Примером такой системы может служить регулятор УБК-М в генераторах серии МС [4].
Системы прямого действия не имеют независимого источника энергии и для возбуждения используют энергию самого генератора. Регулирующее воздействие в таких системах осуществляется непосредственно в цепи возбуждения генератора. Конструктивно систему возбуждения располагают над статором генератора рядом с воздухоохладителем.
Системы прямого компаундирования.В системах прямого компаундирования ток обмотки возбуждения СГ должны определять две составляющие, пропорциональные напряжению и току. Составляющая, пропорциональная напряжению, необходима для обеспечения режима холостого хода и создания основного потока возбуждения. Составляющая, пропорциональная току нагрузки, служит для компенсации тех факторов, которые вызывают снижение напряжения при изменении нагрузки, а также для обеспечения необходимого для срабатывания защитной аппаратуры значения установившегося тока короткого замыкания.
В зависимости от того, как осуществляется суммирование сигналов, пропорциональных напряжению и току, различают системы:
– прямого токового компаундирования – суммирование арифметическое (рис. 14, а);
– прямого фазового компаундирования – суммирование геометрическое (рис. 14, б).
В схеме прямого токового компаундирования (см. рис. 14, а) суммирование происходит на стороне постоянного тока. В результате фаза тока по отношению к напряжению не учитывается, поэтому ток возбуждения генератора не зависит от коэффициента мощности нагрузки, а определяется только значениями напряжения и тока статора. Такая схема обеспечивает точность лишь ±10%. К ее недостаткам можно также отнести наличие двух выпрямителей.
 аб Рис. 14. Принципиальные схемы прямого компаундирования: а – токового; б – фазового; СГ – синхронный генератор; ТТ – трансформатор тока; ТН – трансформатор напряжения; В – выпрямитель; Zк – компаундирующее сопротивление |
Суммирование сигналов возбуждения, пропорциональных току статора и напряжению генератора, в схеме прямого фазового компаундирования (см. рис. 14, б)происходит на стороне переменного тока, то есть с учетом фазы между напряжением и током. Геометрическое суммирование должно выполняться так, чтобы в режиме активной нагрузки угол между составляющими векторами был близок к 90° и уменьшался бы с увеличением значения φ, достигая при φ = 90° (индуктивная нагрузка) значения, близкого нулю. В этом случае ток возбуждения будет возрастать с изменением I и cos φ именно таким образом, как это необходимо нормальному синхронному генератору при сохранении его напряжения неизменным. Такое суммирование можно обеспечить как при параллельном, так и при последовательном соединении вторичных обмоток трансформаторов тока и напряжения, вводя в схему дополнительный элемент. Роль этого элемента станет ясной при прочтении материала, приводимого далее.
Суммирование сигналов при параллельном соединении вторичных обмоток трансформаторов тока и напряжения [7, 10]. На рис. 15, б приведена принципиальная схема системы при параллельном соединении вторичных обмоток тока и напряжения, причем для упрощения рассмотрен однофазный генератор.
Если пренебречь активными сопротивлениями обмоток, намагничивающими токами трансформаторов, а также активными потерями их в магнитопроводах, то расчетную схему можно представить в следующем виде (рис. 15, а).
 |
Рис. 15. Эквивалентные схемы системы фазового компаундирования:
параллельное (а) и последовательное (б) суммирование каналов тока и напряжения; Zк – компаундирующее сопротивление; Rв – сопротивление цепи возбуждения генератора
Используя метод суперпозиций, который можно применить при сделанных допущениях, получим:
.
Полагая внутреннее сопротивление источника тока равным бесконечности, можно записать:
 , | (40) |
где Кu – коэффициент трансформации по напряжению;
rк, xк – активное и реактивное сопротивления компаундирующего элемента;
αu – начальная фаза напряжения.
Учитывая, что внутреннее сопротивление идеального источника напряжения можно считать равным нулю, получим:
 , | (41) |
где Ki – коэффициент трансформации по току;
Полагая αu = 0 и вводя соответствующие обозначения, получим:
 . | (42) |
Из этого выражения следует, что величину тока возбуждения определяет геометрическая сумма двух составляющих – пропорциональной напряжению генератора и пропорциональной току его нагрузки. При этом характер суммирования зависит от Zк.
При отсутствии компаундирующего сопротивления ток возбуждения генератора будет определять только составляющая канала напряжения и нормальная работа системы окажется невозможной. По этой причине величина Zк и названа компаундирующим сопротивлением.
Можно сравнить два крайних режима работы генератора: активная (φ = 0) и реактивная (индуктивная, φ = 90°)нагрузки. Сравнение проведено при разных видах компаундирующих элементов в системах возбуждения: индуктивность (дроссель, φк = 90°) и активное сопротивление (φк = 0).
1. Активная нагрузка при φ = 0:
2. Реактивная (индуктивная) нагрузка при φ = 90°:
|  | Рис. 16. Векторные диаграммы параллельного соединения каналов тока и напряжения: а и в – компаундирующий элемент дросселя; б и г – активное сопротивление; а и б – активная нагрузка генератора; в и г – индуктивная нагрузка генератора |
Таким образом, в случае использования в качестве компаундирующего элемента идеальной реактивной катушки (rк = 0, φк = 90°) составляющие канала тока и напряжения в режиме активной нагрузки генератора образуют прямой угол. При индуктивной нагрузке оба вектора расположены на одной прямой, геометрическое суммирование переходит в арифметическое.
Если использовать в качестве компаундирующего элемента активное сопротивление, то составляющие при чисто индуктивной нагрузке будут ортогональны, а при нагрузке с φ = 0 совпадут по фазе, то есть ток возбуждения, обеспечиваемый системой, будет снижаться с уменьшением коэффициента мощности. Это находится в противоречии с задачей регулирования. Следует отметить, что в трехфазных системах возможно использование активных сопротивлений в качестве компаундирующих элементов. Однако при этом необходимо обеспечить соответствующее подключение к фазам генератора трансформаторов тока и напряжения. Ниже такая схема будет рассмотрена на рис. 19.
Система может правильно действовать также при использовании вместо дросселя конденсатора, однако в этом случае необходимо переключать какую-либо обмотку одного из трансформаторов.
Из сказанного выше следует, что точность регулирования во многом зависит от значения φк: с его уменьшением будет возрастать погрешность регулирования. В частности, при φк = 45° значения тока возбуждения в режиме активной и индуктивной нагрузок оказываются равными. Реальные компаундирующие элементы из-за неизбежных активных потерь имеют |φк |
Дата добавления: 2016-02-02 ; просмотров: 11271 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ