Устройство синхронного генератора

При вращении витка проводники 1 и 2 пересекают магнитные линии магнитного поля полюсов N — S, вследствие  чего  в  витке будет индуктироваться э. д. с.

Концы витка соединены с кольцами 3, вращающимися вместе с витком. Если на кольцах поместить неподвижные щетки и соединить их с приемником электрической энергии, то по замкнутой цепи, состоящей из витка, колец, щеток и приемника энер­гии, потечет электрический ток под дей­ствием э. д. с, созданной в витке.

Полученная в таком простейшем гене­раторе э. д. с. будет непрерывно изменять-

ся в зависимости от положения витка в магнитном поле. В момент изображенный на рис. 125, проводники 1 и 2 находятся под середи­нами полюсов и при вращении витка пересекают в единицу време­ни наибольшее число магнитных линий магнитного поля. Следова­тельно, в данный момент индуктируемая в витке э. д. с. будет иметь наибольшее значение.

В дальнейшем при повороте витка изменится число магнитных линий магнитного поля, пересекаемых в единицу времени провод­никами 1 и 2. В момент, соответствующий повороту витка на 90° в пространстве, проводники витка будут перемещаться в вертикаль­ном направлении, совпадающем с направлением магнитных линий магнитного поля. Следовательно, проводники 1 и 2 не пересекают магнитных линий и э. д. с. в витке равна нулю.

При повороте витка на угол, больший 90°, изменится направ­ление перемещения этих проводников в магнитном поле, а следо­вательно и направление э. д. с, индуктируемой в витке.

Если магнитное поле между полюсами N и S распределяется равномерно, то э. д. с. будет меняться во времени синусоидально. За один оборот витка в пространстве э. д.с, индуктируемая в нем, претерпевает один период изменения.

Если виток вращается при помощи какого-либо первичного двигателя с постоянным числом оборотов п в минуту, то в этом витке индуктируется переменная э. д. с. с частотой

§ 101. УСТРОЙСТВО СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Возникновение э. д. с. в проводниках возможно как при пере­мещении этих проводников в неподвижном магнитном поле, так и при перемещении магнитных линий магнитного поля относительно неподвижных проводников. В первом случае полюсы, т. е. индук­тирующая часть машины, возбуждающая магнитное поле, поме­щаются на неподвижной части машины (на статоре), а индукти­руемая часть (якорь), т. е. проводники, в которых создается э. д.с. — на вращающейся части машины (на роторе). Во втором случае полюсы помещаются на роторе, а якорь — на статоре.

Выше мы рассмотрели принцип действия синхронного генера­тора с неподвижными полюсами и вращающимся якорем. В таком генераторе энергия, вырабатываемая им, передается приемнику энергии посредством скользящих контактов — контактных колец и щеток.

Скользящий контакт в цепи большой мощности создает значи­тельные потери энергии, а при высоких напряжениях наличие та­кого контакта крайне нежелательно. Поэтому генераторы с вра­щающимся якорем и неподвижными полюсами выполняют только при низких напряжениях (до 380/220 в) и небольших мощностях I (до 15 ква).

Наиболее широкое применение получили синхронные генера­торы, в которых полюсы помещены на роторе, а якорь — на ста­торе.

Ток возбуждения протекает по обмотке возбуждения, которая представляет собой последовательно соединенные катушки, поме­щенные на полюсы ротора.

Концы обмотки возбуждения соединены с контактными коль­цами, которые крепятся на валу машины. На кольцах помещаются неподвижные щетки, посредством которых в обмотку возбуждения подводится постоянный ток от постороннего источника энергии — генератора постоянного тока, называемого возбудителем.

На рис. 126 показан общий вид синхронного генератора с воз­будителем.

Устройство статора синхронного генератора аналогично устрой­ству статора асинхронной машины.

Ротор синхронных генераторов выполняют либо с явно выра­женными (выступающими) полюсами, либо с неявно выраженны­ми полюсами, т. е. без выступающих полюсов.

В машинах с относительно малой скоростью вращения (при большом числе полюсов) роторы выполняют с явно выраженными полюсами (рис. 127, а), равномерно расположенными по окружности ротора.

Полюс состоит из сердечника 1, полюсного наконечника 2 и катушки обмотки возбуждения 3, помещаемой на сердечнике полюса

Первичные двигатели синхронных генераторов с явно выраженными полюсами обычно представляют собой гидравлически

турбины, являющиеся тихоходными машинами. Поэтому синхрон­ные генераторы с явно выраженными полюсами называются гид­рогенераторами.

При большой скорости вращения такое устройство  ротора может обеспечить нужной механической прочности и поэтому у высокоскоростных

машин роторы выполняют с неявно выраженными полюсами (рис. 127, б).

Сердечники роторов с неявно выраженными полюсами обычно изготовляют из цельных поковок, на поверхности которых фрезе­руются пазы. После укладки обмоток возбуждения на роторе пазы

его забиваются клиньями, а лобовые соединения обмотки возбуж­дения укрепляются стальными бандажами, помещенными на тор­цовых частях ротора. При такой конструкции ротора допускаются большие окружные скорости (до 180—200 м/сек).

Для генераторов с неявно выраженными полюсами первичными двигателями обычно являются паровые турбины, принадлежащие к числу быстроходных машин. Поэтому синхронные генераторы с неявно выраженными  полюсами  называются  турбогенераторами.

§ 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.