Синхронный генератор: устройство, принцип работы, применение

Устройство

В конструкции синхронных генераторов используются две основные рабочие части — вращающийся ротор и неподвижный статор. На валу ротора расположены постоянные магниты или обмотки возбуждения. Магниты зубчатые, с противоположными полюсами.

Бесщеточные генераторы.

Обмотки статора размещают таким образом, чтобы их сердечники совпадали с выступами магнитных полюсов ротора, либо с сердечниками катушек ротора. Количество зубцов магнита обычно не превышает 6. При такой конструкции генерируемый ток берется непосредственно с обмоток статора. Другими словами, статор действует как якорь.

В принципе, на статоре можно разместить постоянные магниты, а на роторе — рабочие обмотки, в которых будет индуцироваться ЭДС. Производительность генератора от этого не изменится, но понадобятся кольца и щетки для снятия напряжения с обмоток якоря, а это чаще всего не рационально.

Схематичное изображение бесщеточного генератора без обмоток возбуждения показано на рис.

Рис. 1. Модель генератора с магнитным ротором

Объяснение:

• блок-схема;
• конструкция магнитных полюсов на якорях. Здесь буквами NS обозначен соосный магнит с полюсами, а буквой R обозначен стальной магнитопровод ротора в виде когтеобразных наконечников.
• модель генератора в разрезе. Выводы фазных обмоток статора соединены «звездой».

Синхронные машины с индукторами.

Обратите внимание, что постоянные магниты, такие как роторы, используются в динамо-машинах малой мощности. В мощных электрических машинах всегда применяют индукторные обмотки с независимым возбуждением. Автономным источником питания является генератор постоянного тока малой мощности, установленный на валу синхронного двигателя.

Это конструкции синхронных генераторов малой и средней мощности с самовозбуждающимися обмотками. Для возбуждения индуктора выпрямленный ток фазных обмоток подается через щетки на кольца, расположенные на валу статора. Структура такого динамо показана на рис. 2.

Рис. 2. Структура синхронного генератора средней мощности

Обратите внимание на наличие щеток, которые питаются от независимого источника.

По количеству фаз синхронные генераторы делятся на:

• простая фаза;
• двухфазный;
• трехфазный.

По конструкции ротора различают генераторы с явными и неявными полюсами. В невыступающем полюсном роторе нет выступов, а витки провода якоря спрятаны в пазах статора.

По способу соединения фазных обмоток различают трехфазные генераторы:

• подключен через шестипроводную систему Теслы (практического применения не нашел);
• «звезда»;
• «треугольник»;
• комбинация из шести обмоток, соединенных в виде «звезды» и «треугольника». Это соединение еще называют «Славянкой».

Наиболее распространено соединение «звездой» с нейтральным проводом.

Область применения

Синхронные генераторы – это устройства, предназначенные для выработки переменного тока. Встретить такие отряды можно на разных станциях:

• атомный;
• термальный;
• гидроэлектростанция.

Агрегаты также активно используются в транспортных системах. Они используются в различных транспортных средствах, в корабельных системах. Синхронный генератор способен работать как в автономном режиме, отдельно от электрической сети, так и одновременно с ней. В этом случае возможно подключение нескольких устройств одновременно.

Преимуществом станций, вырабатывающих переменный ток, является возможность снабжать электричеством выделенное пространство. Удобно, если объект находится далеко от центральной сети. Поэтому агрегаты пользуются спросом у владельцев фермерских хозяйств, поселков, удаленных от города.

Выход из синхронизма

Синхронные двигатели имеют постоянную скорость независимо от нагрузки (при условии, что нагрузка не превышает максимально допустимую). Если момент нагрузки больше момента, создаваемого самим электродвигателем, он выйдет из синхронизма и остановится. Низкое напряжение питания и низкое напряжение возбуждения также могут привести к рассинхронизации двигателя.

Как выбрать?

При выборе генератора важно найти подходящее и надежное устройство, способное обеспечить питание закрепленного участка. Для начала необходимо определиться с техническими параметрами будущего устройства. Специалисты рекомендуют обратить внимание на:

• вес генератора;
• габариты агрегата;
• сила;
• потребление топлива;
• индикатор шума;
• продолжительность работы.

А также важным параметром является возможность организации автоматической работы. Чтобы понять, сколько фаз потребуется будущему генератору, нужно определиться, какой тип и количество электроприборов будет к нему подключено.

Например, к однофазному электрогенератору можно подключать только однофазных потребителей. Трехфазный значительно расширяет этот показатель.

Однако покупка такой мобильной электростанции не всегда является лучшим решением.

Перед покупкой также рекомендуется учитывать нагрузку, которая будет прикладываться к устройству в процессе эксплуатации. Каждая фаза должна быть заряжена максимум на 30% от общей. Таким образом, при мощности генератора 6 кВт, при использовании розеток с напряжением 220 В можно использовать только 2 кВт.

Покупка трехфазного генератора востребована только тогда, когда в доме много трехфазных потребителей. Если большинство приборов однофазные, лучше купить правильный прибор.

Устройство СГ

RGB-светодиодная лента

Статор СГ имеет практически такое же устройство и принцип действия, что и асинхронный вариант. Железные компоненты изготовлены из стальных пластин (сталь используется в электротехнике), которые отделены друг от друга слоями изоляции. Обмотка переменного тока размещена в пазах. Провода обмоток отделены друг от друга изолирующим слоем и закреплены надежно, так как через них вводится нагрузка. Ротор может быть выполнен без выступающих стоек или с выраженными стойками.

На заметку. Наиболее популярным является трехфазный синхронный генератор, который используется во многих сферах жизни и бизнеса человека. Однофазные варианты обычно используются в быту.

Основные типы СГ: а — с ротором с выступающими стойками; б — с неявнополюсным ротором

Синхронные генераторы с ажурным ротором изготавливаются для тихоходных машин, например для установок с гидротурбинами. А СГ с неявными полюсными роторами подходят для быстроходных вращающихся машин переменного тока.

Синхронные генераторные установки могут работать в двух режимах: двигательный или генерирующий переменный ток. Здесь важно то, какой метод охлаждения используется, поскольку создание чего-то всегда более требовательно. В основном на вал насаживаются крыльчатки, которые охлаждают ротор с двух сторон воздухом, проходящим через фильтрующий элемент. Потоки воздуха в такой системе охлаждения вращаются одинаково. При использовании СГ в усиленном режиме такая система нежелательна.

Важно! В качестве теплоносителя при высоких нагрузках эффективнее использовать водород, который более чем в 14 раз легче воздуха.

Внутреннее устройство ВК СГ

Обмотки рассматриваемого генератора отведены от концов распределительной коробки. У трехфазного автомата другое соединение обмотки – отвод выполнен звездой или треугольником.

Предпочтительно все синхронные генерирующие устройства поддерживают синусоидальное переменное электрическое напряжение. Этого можно добиться изменением формы наконечников полюсов и особым расположением витков в пазах неявного полюсного ротора.

Принцип работы

Рассмотрим принцип генерации тока на примере контурной рамки, помещенной между магнитными полюсами.

Если вы заставите рамку вращаться (в направлении стрелок), она пересечет магнитные силовые линии. При этом по закону электромагнитной индукции в раме индуцируется электрический ток, который проявляется при подключении нагрузки к щеткам. Направление можно определить по правилу буравчика. На диаграмме текущее направление показано черными стрелками.

Обратите внимание на то, что в частях кадра ab и cd ток движется в противоположных направлениях. Эти направления меняются по мере того, как части рамки перемещаются от одного полюса магнита к другому. Если каждый вывод на каркасе подключить к отдельному кольцу (на рисунке они подключены к коллектору!), то мы получим на выходе переменный ток.

Величина тока пропорциональна скорости вращения ротора. Кроме того, переменный ток характеризуется еще одним параметром – частотой. Это значение напрямую зависит от частоты вращения вала.

Строго соблюдается частота тока в сети. В России и ряде других стран это 50 Гц, то есть 50 колебаний в секунду.

Этот параметр довольно легко вычислить из следующих соображений: за один оборот рамки (или двухполюсного магнита) происходит изменение направления тока. Если вал синхронного генератора совершает 1 оборот в секунду, частота переменного тока будет равна 1 Гц. Для достижения частоты 50 Гц необходимо обеспечить 50 оборотов статора в секунду или 3000 об/мин.

При увеличении числа полюсов заданную частоту поддерживают за счет уменьшения скорости вращения статора. (обратно пропорциональный). Так для четырехполюсного статора (количество полюсов в два раза больше) для поддержания частоты 50 Гц скорость вращения вала необходимо уменьшить вдвое. Соответственно, если используется 6 полюсов, скорость вращения вала следует уменьшить в три раза – до 1000 об/мин.

Отметим, что в некоторых странах, таких как США, Япония и др., существуют другие стандарты — 60 Гц, а переменная 400 Гц используется, например, в бортовой сети современных самолетов.

Прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети

Почему синхронные электродвигатели не запускаются от электрической сети?

Если ротор не имеет начального вращения, ситуация отличается от описанной выше. Северный полюс магнитного поля ротора притянется к южному полюсу вращающегося магнитного поля и начнет двигаться в том же направлении. Но так как ротор имеет определенный момент инерции, стартовая скорость будет очень низкой. За это время южный полюс вращающегося магнитного поля сменится северным полюсом. Таким образом, появятся силы отталкивания. В результате ротор начнет вращаться в противоположном направлении. Таким образом, ротор не сможет запуститься.

Демпферная обмотка — прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети

Для реализации самозапуска синхронного электродвигателя без системы управления между наконечниками ротора помещается «беличья клетка», которую также называют демпферной обмоткой. При пуске электродвигателя обмотки ротора не возбуждаются. Под действием вращающегося магнитного поля в витках «беличьей клетки» индуцируется ток и ротор начинает вращаться так же, как запускаются асинхронные двигатели.

Когда ротор достигает максимальной скорости, активируется обмотка возбуждения ротора. В результате, как было сказано ранее, полюса ротора смыкаются с полюсами вращающегося магнитного поля и ротор начинает вращаться с синхронной скоростью.

Когда ротор вращается с синхронной скоростью, относительное движение между беличьей клеткой и вращающимся магнитным полем равно нулю. Это означает, что в короткозамкнутых витках ток отсутствует, и поэтому «беличья клетка» не влияет на синхронную работу электродвигателя.

Способы возбуждения синхронных генераторов

Наиболее распространенным способом создания основного магнитного потока синхронных генераторов является электромагнитное возбуждение, заключающееся в том, что на полюсах ротора размещается обмотка возбуждения, при прохождении через которую постоянного тока возникает МДС, создающая магнитное поле в генератор. До недавнего времени для возбуждения обмотки возбуждения использовались специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями Б.

Обмотка возбуждения (ОБ) приводится в действие другим генератором (параллельное возбуждение), называемым вспомогательным возбудителем (ПВ). Ротор синхронного генератора, возбудитель и вспомогательный возбудитель расположены на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток поступает в обмотку возбуждения синхронного генератора через контактные кольца и щетки.

Для регулирования тока возбуждения используются регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения намагничивания r1 и вспомогательного возбудителя r2. В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизирован.

В синхронных генераторах применяется также бесконтактная система электромагнитного возбуждения, где синхронный генератор не имеет токосъемных колец на роторе. При этом в качестве намагничивания используется обращенное синхронное динамо В. Трехфазная обмотка 2 намагничивания, в которой индуцируется переменная ЭДС, расположена на роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора, а их электрическое соединение осуществляется непосредственно через вращающийся выпрямитель 3, без контактные кольца и щетки.

Подача постоянного тока на обмотку возбуждения 1 возбудителя Б осуществляется от вспомогательного возбудителя ПВ — генератора постоянного тока. Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронного генератора позволяет повысить надежность и эффективность работы.

В синхронных генераторах, в том числе водородных, получил распространение принцип самовозбуждения, когда необходимая для возбуждения энергия переменного тока получается из обмотки статора синхронного генератора и преобразуется в энергию постоянного тока через ступень -понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь ПП. Принцип самовозбуждения основан на том, что начальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного магнетизма машины.

Структурная схема автоматической системы самонамагничивания синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ТТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которую проходит переменный ток из цепи статора СГ, после преобразования в постоянного тока, подается на обмотку возбуждения.

Тиристорный преобразователь управляется с помощью автоматического регулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на входе СГ (через трансформатор напряжения ТТ) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты (БЗ), обеспечивающий защиту обмотки возбуждения (ОВ) от перенапряжения и перегрузки по току.

Мощность возбуждения обычно составляет от 0,2% до 5% полезной мощности (меньшее значение относится к большим генераторам).

В генераторах малой мощности используется принцип возбуждения постоянными магнитами, размещенными на роторе машины.

Такой способ возбуждения позволяет избавить генератор от обмотки возбуждения. В результате конструкция генератора значительно упрощается, становится более экономичной и надежной. Из-за дороговизны материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничивается машинами мощностью не более нескольких киловатт.

Синхронные генераторы составляют основу электроэнергетики, так как практически вся электроэнергия в мире вырабатывается синхронными турбо- или водородными генераторами.

Синхронные генераторы также широко используются в составе стационарных и передвижных электроустановок или станций в комплекте с дизельными и бензиновыми двигателями.

Устройство и назначение

Конструкция таких устройств предполагает всего два основных элемента:

• ротор;
• статор.

При этом на валу ротора располагаются дополнительные элементы. Это могут быть магниты или обмотка возбуждения. Магниты имеют зубчатую форму, полюса для приема и передачи тока направлены в разные стороны.

Основной задачей генератора является преобразование энергии в электрическую энергию. С его помощью можно обеспечить необходимое количество мощности зависимым устройствам, чтобы их можно было использовать.

Регулирование частоты

Есть 2 способа получить требуемые частотные параметры:

1. Сконструируйте генератор с определенным числом полюсов электромагнита.
2. Обеспечить правильную расчетную скорость вала.

Например, в тихоходных гидротурбинах, вращающихся со скоростью 150 об/мин, для регулирования частоты число полюсов синхронных генераторов увеличивают до 40. В дизельных электростанциях при частоте вращения 750 об/мин оптимальное число полюсов это 8.

Синхронный компенсатор

Синхронные двигатели также могут использоваться для улучшения коэффициента мощности системы. Когда единственной целью использования синхронных двигателей является улучшение коэффициента мощности, их называют синхронными компенсаторами. В этом случае вал двигателя не связан с механической нагрузкой и свободно вращается.

Реакция якоря

Концевой выключатель двери

В обмотках элемента статора при подключении вывода к внешней нагрузке начинает протекать электрический ток. Результирующее силовое магнитное поле объединяется с полем, образованным элементом ротора. Это взаимодействие между полями называется реакцией якоря.

Якорная реакция в СГ с разнородными видами нагрузки

При активной нагрузке электрический ток и ЭДС имеют одну фазу. Предельная сила электрического тока проявляется в момент, когда полюса элемента ротора находятся на противоположной стороне от обмоток якоря. Основной магнитный поток и вторичный поток, образующиеся при реакции якоря, перпендикулярны друг другу и при их сравнении образуют повышенный конечный поток, увеличивающий ЭДС в этот момент.

Индуктивная нагрузка с токами, направленными навстречу друг другу, приводит, наоборот, к значительному снижению ЭДС.

Емкостная нагрузка вызывает сочетание токов, движущихся в одном направлении, результатом чего является увеличение ЭДС.

Любое увеличение нагрузки увеличивает влияние реакции якоря на выходное напряжение, которое из-за этого изменяется в ту или иную сторону, что крайне нежелательно в силовых сетях. На практике таким процессом можно управлять: просто поменять возбудитель, что снизит уровень влияния реакции якоря на основное силовое поле.

Режимы работы СГ

Требования пожарной безопасности к электроустановкам

Нормальный режим работы СГ может характеризоваться любым количеством периодов работы, любой продолжительности, при которых основные параметры не выходят за пределы допустимых значений. При таком режиме работы отклонения электрического напряжения на выходе и частоты находятся в пределах 4-5% и 2,5% от номинального значения, коэффициентов мощности и тому подобное. Допуски на отклонения устанавливаются нормативными документами и определяются нагревом машин или гарантируются изготовителем.

Бытовой топливный синхронный генератор отечественного производства, модель «Интерскол ЭБ-5500» на 5,5 кВт

Нормальные режимы работы недопустимы для длительной работы устройства при таких обстоятельствах, как перевозбуждение или недовозбуждение, переход на режимы асинхронного типа, перегрузки. На возникновение таких обстоятельств влияют следующие отклонения в электрической сети:

• неравномерная фазовая нагрузка;
• короткое замыкание;
• чередующиеся нагрузки.

Следует отметить, что на нормальное функционирование механизма влияет подключенная к нему электрическая сеть, где любая неисправность в отдельных источниках потребления вызывает искажение формы и асимметрию электрического сигнала.

Схема мощности СГ

Важно! Допускается длительная работа энергоблока при разнице токов в фазах турбогенератора до 10 % и гидрогенераторов, синхронных компенсационных машин до 15-20%.

Искривление синусоиды на СГ может происходить из-за преобразователей большой мощности, выпрямителей и прочего.

Необходимо учитывать, что нормальная работа синхронных агрегатов возможна только при качественной работе системы охлаждения. Так, если стоимость хладагента составляет более 70% от номинала, должна сработать предупредительная сигнализация о необходимости отключения устройства от сети, иначе оборудование может выйти из строя. Когда поток хладагента уменьшится на 50 %, установка будет сливаться в течение приблизительно двух минут, а затем отключится в течение максимум четырех минут.

Характерные черты СГ

СГ имеют следующие характеристики:

• при нулевой нагрузке (холостом ходе), когда обмотка якоря не замкнута, задается зависимость ЭДС от токов электрического возбуждения, а также задается значение уровня намагниченности сердечников генератора;
• выходное напряжение зависит от токов нагрузки — эта функция является внешней характеристикой СГ;
• регулировочные свойства синхронной машины проявляются в зависимости возбуждающих электрических токов от аналогов нагрузки, при этом заданные параметры поддерживаются на выходе в автоматическом режиме.

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

Для правильной эксплуатации и проведения ремонтных работ на генераторах переменного тока необходимо знать их принцип работы (вращение ротора и магнитное поле одинаковы по частоте) и устройство. Эти знания пригодятся инженерам промышленных предприятий и специалистам в области энергетики, а также обычным людям, использующим такое оборудование в бытовых целях.

Читайте также: Какую мощность потребляет стабилизатор напряжения?

Принцип действия

Понять принцип работы устройства не так уж и сложно. Он заключается во вращении магнитной рамки для создания электрического поля. При вращении рамки появляются магнитные линии, которые начинают пересекать контур. Соединения способствуют образованию электрического тока.

Чтобы узнать, куда движутся токи электрической энергии, нужно воспользоваться правилом буравчика. Следует отметить, что на некоторых участках течение противоположное. Направления постоянно меняются, когда вы достигаете следующего полюса, который находится на магните. Это явление называется переменным током, и это условие можно проверить, подключив рамку к отдельному магнитному кольцу.

Связь между величиной тока в раме и частотой вращения ротора системы пропорциональна. Чем больше вращается рама, тем большую мощность может выдать генератор. Этот показатель характеризуется частотой вращения.

По установленным стандартам оптимальная скорость в большинстве стран не должна превышать 50 Гц. Это означает, что ротор должен совершать 50 колебаний в секунду. Для расчета параметра необходимо согласиться с тем, что поворот рамки приводит к изменению направления потока.

Если вал успевает повернуться один раз в секунду, это означает, что частота электрического тока равна 1 Гц. Поэтому для достижения цифры 50 Гц необходимо обеспечить правильное количество оборотов кадра в секунду.

В процессе эксплуатации число полюсов электромагнита часто увеличивается. Их можно задержать, уменьшив скорость вращения ротора.

Зависимость в этом случае обратно пропорциональна. Следовательно, чтобы получить частоту 50 Гц, необходимо уменьшить скорость прибл. Два раза.

Кроме того, стоит отметить, что в некоторых странах установлены другие нормы вращения ротора. Стандартный показатель частоты составляет 60 Гц.

Преимущества и недостатки

Виды

Сегодня производители выпускают синхронные генераторы нескольких типов. Среди существующих классификаций некоторые заслуживают особого внимания. В первую очередь стоит рассмотреть деление агрегатов по конструктивному узлу. Генераторы бывают двух типов.

• Бесщеточный. Конструкция генератора предполагает использование статорных обмоток. Их располагают так, чтобы сердечники элементов совпадали с направлением либо магнитных полюсов, либо сердечников, расположенных на катушке. Максимальное количество магнитных зубьев не должно превышать 6 штук.

• Синхронный, оснащенный индуктором. Если говорить о наладочных машинах, работающих на малой мощности, то в качестве ротора используются магниты постоянного тока. В противном случае ротор является обмоткой индуктора.

Следующая классификация предполагает разделение мобильных станций на отдельные типы.

• Гидрогенераторы. Отличительной чертой устройства является ротор с ярко выраженными полюсами. Такие устройства используются для выработки электроэнергии там, где нет необходимости обеспечивать большое количество оборотов устройства.

• Турбогенераторы. Отличие заключается в отсутствии ярко выраженных полюсов. Устройство собрано из разных турбин, оно способно увеличить количество оборотов ротора в несколько раз.

• Синхронные компенсаторы. Применяется для достижения реактивной мощности – важного показателя на промышленных предприятиях. С его помощью можно улучшить качество подаваемого тока и стабилизировать показатели напряжения.

Существует несколько распространенных моделей таких устройств.

• Степпер. Применяются для обеспечения работы приводов, установленных в механизмах, имеющих пуск-стопный цикл работы.

• Безредукторный. В основном используется в автономных системах.

• Бесконтактный. Востребованы в качестве основных или резервных мобильных станций на кораблях.

• Гистерезис. Такие генераторы используются для счетчиков времени.

• Индуктор. Обеспечивать работу электроустановок.

Еще одним типом разделения агрегатов является тип используемого ротора. В этой категории генераторы делятся на агрегаты с явнополюсным ротором и неявнополюсным ротором.

Первый — это юниты, где четко видны полосы. Они характеризуются низкой скоростью вращения ротора. Вторая категория имеет цилиндрический по конструкции ротор, не имеющий выступающих стоек.

ЭДС синхронного генератора

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

В терминах эффективных значений выражение ЭДС можно записать как:

где n — частота вращения ротора генератора, Ф — магнитный поток, с — постоянный коэффициент.

При подключении нагрузки напряжение на клеммах генератора меняется в разной степени. Так что увеличение активной нагрузки не оказывает заметного влияния на напряжение. При этом на выходное напряжение генератора влияют индуктивные и емкостные нагрузки. В первом случае увеличение нагрузки размагничивает генератор и снижает напряжение, во втором случае он смещается и напряжение растет. Это явление называется якорной реакцией.

Для обеспечения стабильности выходного напряжения генератора необходимо регулировать магнитный поток. При его ослаблении машина должна быть намагничена, при увеличении — размагничена. Это делается путем регулирования тока, подаваемого на обмотку намагничивания ротора генератора.

Электричество – это вид энергии, который может передаваться на большие расстояния, преобразовываться в механическую, тепловую энергию и преобразовываться в световое излучение. Электричество получают разными способами — химическим, тепловым, механическим, солнечным.

Регулирование ЭДС

В связи с изменением параметров для активных нагрузок возникает необходимость выравнивания номинальных напряжений. Хотя ЭДС индукции синхронного генератора связана со скоростью вращения ротора, но в связи с требованием поддержания стабильной частоты этот параметр нельзя изменять таким образом. Но параметры магнитной индукции можно изменить, уменьшив или увеличив магнитный поток, что зависит от числа витков обмотки индуктора и величины тока возбуждения.

Регулирование осуществляется включением в цепь намагничивающей катушки дополнительных реостатов, электронных схем или регулировкой тока намагничивающего генератора (рис. 4). При использовании генераторов с постоянными магнитами в таких агрегатах напряжение регулируется внешними стабилизаторами.

Рис. 4. Схема регулирования напряжения

Благодаря небольшому весу и отличным характеристикам тока синхронные генераторы используются во всех современных автомобилях. Поскольку в бортовой сети автомобиля используется постоянный ток, конструкции автомобильных генераторов оснащаются трехфазным выпрямителем. Для выпрямленного переменного тока частота значения не имеет, но напряжение должно быть стабильным. Это достигается 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 автомобиля

Основные конструктивные элементы

Конструкция статора включает в себя корпус, внутри которого расположен сердечник, или пакет, собранный из листов электротехнической стали специальной формы. На качество электрического тока влияют такие факторы, как: целостность листов в упаковке (они сплошные или составные), качество и материал обмотки. Для намотки используется медно-эмалевая проволока, а в дешевых агрегатах медь можно заменить алюминием.

Роторы изготавливаются в виде выступающих или не выступающих стоек.

• Роторы с выдающимися полюсами предназначены для синхронных генераторов, работающих с тихоходными двигателями внутреннего сгорания — 1500 и 3000 об/мин.
• Неявнополюсные роторы востребованы в быстроходных (более 3000 об/мин) мощных механизмах переменного тока. Обычно они располагаются на одном валу с паровыми турбинами. Такие СГ называются «турбогенераторами».

В синхронном генераторе, работающем под нагрузкой, магнитное поле статора, наложенное на магнитное поле основного ротора, создаваемое обмоткой возбуждения, ослабляет или усиливает его. Воздействие намагничивающей силы якоря на магнитное поле для возбуждения ротора генератора называется реакцией якоря.

Синхронный генератор работает следующим образом. Ротор генератора приводится в движение приводным двигателем с номинальной скоростью, которая поддерживается постоянной автоматическим регулятором скорости приводного двигателя. Генератор возбуждается путем подачи намагничивающего тока /in на обмотку ротора.

С какой скоростью вращается ротор синхронной машины

Частота вращения ротора синхронной машины, как правило, не превышает 3000 об/мин. Обычно это не выступающие машины, где обмотка возбуждения находится во фрезерованных пазах.

Характеристики

Чтобы оценить работу генератора, нужно посмотреть на его характеристики. Принципиально они такие же, как и для станции, вырабатывающей постоянный ток. Важнейшими параметрами оценки являются несколько факторов.

• На холостом ходу. Он представляет собой зависимость ЭДС от силы движущихся токов, ответственных за возбуждение демпферной катушки. С его помощью можно определить способность цепей намагничиваться.
• Внешние характеристики. Он включает в себя параллельное соединение между напряжением катушки и током нагрузки. Значение зависит от типа нагрузки, применяемой к устройству. Среди причин, которые могут вызвать изменения, можно назвать увеличение или уменьшение ЭДС устройства, а также падение напряжения на обмотках установленной катушки, которая находится внутри устройства.
• Корректирование. Представляет взаимосвязь между токами возбуждения и токами нагрузки. Обеспечение работоспособности и защиты синхронных устройств достигается за счет контроля этого показателя. Этого легко добиться, если постоянно регулировать ЭДС.

Еще один важный параметр – мощность. Определить значение можно с помощью показателей по ЭДС, напряжению и угловому сопротивлению.

Применение

Синхронные генераторы переменного тока выполняют одну важную функцию: их можно синхронизировать с другими аналогичными электрическими машинами. При этом синхронные скорости и ЭДС параллельно включенных генераторов одинаковы, а фазовый сдвиг равен нулю. Это обстоятельство позволяет использовать блоки в промышленной энергетике и подключать к резервным генераторам при превышении номинальной мощности в часы пик.

На тепловозах используются трехфазные тяговые генераторы. Переменные токи для приводных двигателей выпрямляются полупроводниковыми устройствами. Сегодня в России уже выпускаются тепловозы на базе асинхронных электродвигателей, не требующих выпрямления. В режиме торможения они действуют как асинхронные генераторы.

Синхронные генераторы устанавливаются на гибридные автомобили для объединения приводной мощности двигателя внутреннего сгорания и мощности тяговых двигателей. Развивая активную мощность при номинальной нагрузке, они экономят дорогостоящее топливо.

Есть много других приложений. Например, мобильные мини-электростанции, бытовые электрогенераторы, типа однофазного двигателя и т.п.