HydroMuseum – Система водяного охлаждения

Система водяного охлаждения

Наиболее эффективным является применение непосредственного водяного охлаждения обмоток. При этом токопроводы статора, а часто и ротора делаются полыми (трубчатыми) и по ним пропускается дистиллированная вода. Нагретая вода проходит через охладители, работающие на обычной воде. Хотя водяное охлаждение сложнее воздушного, оно дает интенсивный отъем тепла и его применение позволяет значительно увеличить мощность генератора или уменьшить его габариты (за счет сокращения до 70% высоты активной стали).

Системой возбуждения синхронной машины называется совокупность машин, аппаратов и устройств, предназначенных для питания ее обмотки возбуждения постоянным током I_f и регулирования величины этого тока.

Системы возбуждения с генераторами постоянного тока. Классическая система возбуждения синхронных машин, широко используемая и в настоящее время, состоит из возбудителя в виде генератора параллельного возбуждения на общем валу с синхронной машиной.

У тихоходных машин мощностью до Р_а =5000 кВт для уменьшения веса и стоимости возбудителей последние иногда соединяют с валом синхронной машины с помощью клиноременной передачи.

Гидрогенераторы также обычно имеют возбудитель на одном валу с генератором. Однако при этом у мощных тихоходных генераторов с n_н = 60—150 об/мин размеры и стоимость возбудителя в связи со значительной его мощностью и тихоходностью получаются большими. Кроме того, тихоходные возбудители вследствие своих больших размеров обладают большой электромагнитной инерцией, что снижает эффективность автоматического регулирования и форсировки возбуждения. Поэтому применяют также системы возбуждения в виде отдельного быстроходного агрегата

(п = 750—1500 об/мин), состоящего из асинхронного двигателя и генератора постоянного тока. Асинхронный двигатель при этом получает питание от специального вспомогательного синхронного генератора, расположенного на одном валу с главным гидрогенератором, а в некоторых случаях — с шин собственных нужд гидростанции или с выводов главного гидрогенератора. В последнем случае возбудительный агрегат подвержен влиянию аварий в энергосистеме (короткие замыкания и пр.), и поэтому для повышения его надежности приводные асинхронные двигатели выполняют с повышенным максимальным моментом (М_т > 4 М_н), а иногда эти агрегаты снабжают также маховиками. В виде отдельных возбудительных агрегатов выполняются также агрегаты резервного возбуждения электростанций, служащие для резервирования собственных возбудителей- генераторов в случае аварий и неисправностей.

Турбогенераторы мощностью до Р_и = 100 тыс. кВт также обычно имеют возбудители в виде генераторов постоянного тока на своем валу. Однако при Р_н > > 100 тыс. кВт

мощность возбудителей становится настолько большой, что их выполнение при п_Н = 3000—3600 об/мин по условиям коммутационной надежности становится затруднительным или даже невозможным. При этом применяются разные решения. Например, за границей широко используются возбудители со скоростью вращения n_н = 750—1000 об/мин, соединяемые с валом турбогенератора с помощью редуктора, а также возбудительные агрегаты с асинхронными двигателями, получающими питание с шин станции или с выводов генератора.

Применяются также некоторые разновидности систем возбуждения с машинами постоянного тока. Например, мощные возбудители крупных машин иногда имеют подвозбудители (рис. 1), которые служат для возбуждения возбудителя.

k_fm=u_fm/u_fи ≥ 2  и у гидрогенераторов k_fm=u_fm/u_fи ≥ 1,8.

Регулирование системы возбуждения при этом производится в цепи возбуждения подвозбудителя, в которой протекает малый ток. Этим достигается снижение мощности и веса аппаратуры управления и регулирования.

Компаундированная система возбуждения с возбудителем постоянного тока (рис. 2) В современных системах возбуждения широко применяется принцип компаундирования, т. е. автоматическое изменение Н с возбуждения при изменении тока нагрузки синхронного генератора, подобно тому, как это происходит в генераторах постоянного тока со смешанным возбуждением при согласном включении последовательной обмотки возбуждения. Так как в обмотке якоря синхронной машины протекает переменный ток, а в обмотке возбуждения 2 — постоянный ток, то в схемах компаундирования синхронных машин применяются полупроводниковые выпрямители. В приведенной на рис. 2 принципиальной схеме компаундированной системы возбуждения с возбудителем постоянного тока обмотка возбуждения возбудителя 4 подключена к якорю возбудителя 3 с реостатом 6 и, кроме того, к выпрямителям 9, получающим питание от последовательных трансформаторов 7.

Рис. 1 Система возбуждения с возбудителем и подвозбудителем постоянного тока

1 — якорь синхронного генератора, 2 — обмотка возбуждения синхронного генератора, 3 — якорь возбудителя, 4 — обмотка возбуждения возбудителя, 5 — якорь подвозбудителя, 6 — обмотка возбуждения подвозбудителя

Рис. 2 Система возбуждения с токовым компаундированием

На холостом ходу генератора обмотка 4 получает питание только от якоря 3 По мере увеличения тока нагрузки генератора / напряжение вторичной обмотки трансформатора 7 будет расти, и уже при небольшой нагрузке это напряжение, выпрямленное выпрямителем 9, сравняется с напряжением обмотки 4 При дальнейшем увеличении нагрузки обмотка 4 будет подпитываться от трансформатора 7 и поэтому ток этой обмотки и ток возбуждения генератора ц будут расти с увеличением нагрузки.

При увеличении сопротивления установочного реостата S напряжение, подаваемое на выпрямители 9, и компаундирующее действие трансформатора 7 будут расти. При коротких замыканиях компаундирующее устройство осуществляет форсировку возбуждения.

Компаундирующее действие схемы рис. 2 зависит только от величины тока / и не зависит от его фазы. Поэтому при индуктивной нагрузке это действие слабее, чем при активной нагрузке. Такое компаундирование называется токовым, и при этом постоянство напряжения U в пределах диапазона нормальных нагрузок удается сохранять с точностью до ± (5—10)%. Такая точность для современных установок недостаточна, и поэтому в схемах рис. 2 применяется дополнительный корректор или автоматический регулятор напряжения 11, который соединен с помощью трансформатора 10 с зажимами генератора, а также с установочным реостатом 8. Регулятор 11реагирует на изменения напряжения U и тока I и питает постоянным током дополнительную обмотку возбуждения возбудителя 5. Он состоит из статических элементов (магнитный усилитель, насыщенный трансформатор, полупроводниковые выпрямители и др.), и подробности его устройства здесь не рассматриваются.

Подобная система возбуждения широко применялась в СССР для генераторов мощностью до 100 тыс. кВт.

Рис. 3. Система возбуждения с возбудителями переменного тока и выпрямителями

Система возбуждения с генераторами переменного тока и выпрямителями.

Как указывалось выше, для мощных гидро- и турбогенераторов системы возбуждения с возбудителями постоянного тока, находящимися на одном валу с генераторами, становятся неэкономичными и даже невыполнимыми.

В этих случаях применяются системы возбуждения с генераторами переменного тока и управляемыми или неуправляемыми выпрямителями (рис. 3).

Схема рис. 3, а положена в основу системы возбуждения гидрогенераторов волжских, Братской и Красноярской ГЭС, причем вспомогательный синхронный генератор нормальной частоты 3 и возбудитель 7 расположены на одном валу с главным генератором 1, а ионный выпрямитель 5 с одноанодными вентилями имеет сеточное управление от регулятора возбуждения сильного действия (на рис. 3, а не показан). Гашение поля осуществляется переводом выпрямителя 5 в инверторный режим для передачи мощности от обмотки возбуждения главного генератора 2 к вспомогательному генератору 3.

Схема рис. 3, б применяется заводом «Электросила» для турбогенераторов мощностью 150 тыс. кВт и выше. В этой схеме обмотка возбуждения 2 главного генератора 1 получает возбуждение от индукторного генератора (возбудителя) 3 частотой 500 Гц через кремниевые выпрямители 5. Генератор 3 имеет две обмотки возбуждения: обмотку независимого возбуждения 4, получающую питание от вспомогательного генератора (подвозбудителя) 9 через выпрямители 5, и обмотку последовательного самовозбуждения 6.

Генератор 9 имеет полюсы в виде постоянных магнитов. Генераторы 3 и 9 расположены на одном валу с главным генератором 1. Индукторный генератор не имеет обмоток на роторе и поэтому очень надежен в работе. Параллельно к обмотке его якоря присоединена трехфазная индуктивная катушка (дроссель) 10, подмагничиваемая постоянным током. Катушка 10 потребляет от генератора 3 индуктивный ток, и так как при f = 500 Гц индуктивное сопротивление обмотки якоря генератора велико, то напряжение на ее зажимах сильно зависит от тока катушки 10 Путем регулирования тока подмагничивания катушки 10 достигается быстрое регулирование напряжения генератора 3 и тока возбуждения i_f Обмотка возбуждения 6 способствует форсировке возбуждения при коротких замыканиях за счет действия апериодического переходного тока в обмотке возбуждения 2.

Наиболее мощные современные турбогенераторы имеют i_fB = 5000—10000 А, и при этом даже работа контактных колец со щетками становится затруднительной. Поэтому в настоящее время строятся также генераторы с бесконтактными системами возбуждения. Такую систему можно выполнить, например, на основе схемы рис. 3, а, если обмотку якоря 3 генератора переменного тока поместить

Рис. 4. Система самовозбуждения с фазовым компаундированием

на его роторе, укрепленном на валу главного генератора 1, а обмотку возбуждения 4 поместить на статоре. Полупроводниковые выпрямители 5 при этом укрепляются на диске, который также укреплен на валу генератора / и вращается вместе с его ротором и обмоткой возбуждения 2. Задача регулирования тока i_f в этом случае возлагается на подвозбудитель 7—8, который также можно выполнить в виде бесконтактного генератора переменного тока. Подобные системы возбуждения весьма перспективны, но имеют тот недостаток, что гашение поля можно осуществить только в цепи обмотки 4 и в этом случае поле главного генератора гасится относительно медленно.

Компаундированные генераторы с самовозбуждением. Выше рассматривались независимые системы возбуждения, в которых вся энергия или ее часть для возбуждения синхронного генератора получалась от возбудителей в виде машин постоянного или переменного тока. Наряду с ними применяются также системы самовозбуждения, в которых эта энергия получается из цепи якоря самого генератора. Особенно широко такие системы возбуждения применяются для генераторов малой и средней мощности, работающих в автономных системах (лесоразработки, транспортные установки и т. д). В последние годы системы самовозбуждения все чаще начинают применять также для крупных генераторов, работающих в мощных энергосистемах, и для синхронных двигателей. При этом обычно используется также принцип компаундирования.

Типичная схема компаундированного генератора с самовозбуждением изображена на рис. 4. Вторичная ЭДС параллельного трансформатора 3 пропорциональна U, а вторичная ЭДС последовательного трансформатора 5 пропорциональна I . Вторичные обмотки этих трансформаторов включены параллельно и I_f=I_u+I_i.

Ток возбуждения if ~ If зависит не только от величины тока нагрузки I, но и от его фазы, вследствие чего схема рис. 4 называется схемой фазового компаундирования. Это позволяет усиливать компаундирующее действие системы возбуждения при индуктивной нагрузке генератора, поскольку индуктивная составляющая тока нагрузки генератора вызывает наибольшее падение напряжения.

Рис. 5. Схемы замещения системы самовозбуждения с фазовым компаундированием

Предположим, что первичные обмотки трансформаторов 3 и 5 приведены к вторичным, сопротивления этих трансформаторов и выпрямителей 6 равны нулю и сопротивление обмотки возбуждения 2, приведенной к стороне переменного тока, равно ri. Тогда схеме рис. 4 соответствует схема замещения рис. 5, а. Схему замещения можно представить также в виде рис. 5, б.

Пусть рассматриваемый генератор является неявнополюсным. Тогда его векторная диаграмма имеет вид, изображенный на рис. 40-6 сплошными линиями. Так как U’ и I_i пропорциональны U и I и совпадают с ними по фазе (или сдвинуты относительно них на 180°), то схеме рис. 5, б и равенству соответствует векторная диаграмма, изображенная на рис. 6 штриховыми линиями. Из этого рисунка следует, что при соответствующем выборе коэффициентов трансформации трансформаторов 3 и 5 и сопротивления x_L индуктивной катушки 4 векторные диаграммы рис. 6 будут подобны. Поэтому при U = const и при любой величине и фазе I будет Uf -~ E и If ~ E, т. е. при любой нагрузке ток возбуждения I_f будет индуктировать такую ЭДС Е, что сохраняется U = const.

Рис. 6. Векторные диаграммы неявнополюсного синхронного генератора и его системы самовозбуждения с фазовым компаундированием

U’=jx_LI_u+r’_fI_f

или

U’=jx_L(I_f-I_i)+r’_fI_f, откуда I_f=(U’+jx_LI_i)/(r’_f+jx_L)=Uf/(r’_f+jx_L).

Из выражения следует, что при x_L = 0 компаундирование будет отсутствовать. В этом случае при увеличении // трансформатор 5 будет брать на себя нагрузку трансформатора 3 и ток I_f увеличиваться не будет.

Трансформаторы 3 и 5 на рис. 4 можно объединить также в один общий трансформатор с двумя первичными обмотками и одной вторичной обмоткой, присоединенной к выпрямителю 6. Катушку 4 при этом необходимо перенести в первичную обмотку напряжения. Вместо этого можно также искусственно увеличить рассеяние этой обмотки, отделив ее от других обмоток трансформатора магнитным шунтом. При высоком напряжении трансформатор 5 целесообразно включить со стороны нейтрали обмотки якоря генератора. В генераторах малой мощности иногда отказываются от трансформатора 3 и катушку 4 присоединяют непосредственно к зажимам генератора. Применяются также другие разновидности подобных систем возбуждения.

Вследствие насыщения и других причин как у неявнополюсных, так и явнополюсных генераторов U = const в действительности поддерживается с точностью (2—5)%. для генераторов малой мощности такая точность достаточна, но для генераторов большой мощности необходимо дополнительное регулирование напряжения с помощью корректора или регулятора напряжения. Для этой цели катушку 4 можно выполнить с подмагничиванием постоянным током, и в этом случае регулятор напряжения регулирует величину этого тока, чем достигается изменение x_L и тока I. в необходимом направлении. Если выпрямители S являются управляемыми, то регулятор напряжения может действовать на эти выпрямители.

Самовозбуждение синхронного генератора по схеме рис. 4 происходит только при наличии потока остаточного намагничивания, как и в генераторах постоянного тока с параллельным возбуждением. Однако вследствие повышенного сопротивления выпрямителя при малых токах и других причин остаточный поток обычной величины индуктирует недостаточно большую ЭДС для обеспечения самовозбуждения синхронного генератора и поэтому необходимо принимать дополнительные меры (применение резонансных контуров, включение в цепь возбуждения небольшого аккумулятора или добавочного генератора с постоянными магнитами, увеличение остаточного потока посредством магнитных прокладок в полюсах генератора и пр. ). Для получения резонансного контура параллельно зажимам выпрямителя 6 (рис. 4) со стороны переменного тока можно подключить конденсатор 7. Если емкости С подобрать так, что во время пуска генератора, возникнет резонанс напряжений, то напряжение на конденсаторах 7 и напряжение выпрямителя 6 повысятся в несколько раз и произойдет самовозбуждение. При n = n_п условия резонанса нарушатся, и поэтому конденсаторы оказывают незначительное влияние на работу схемы. В схемах возбуждения вида рис. 4, как правило, применяются полупроводниковые выпрямители. Благодаря своей простоте, надежности и хорошим регулирующим свойствам n_f подобные схемы возбуждения получают все более широкое применение. Для защиты от перенапряжений при асинхронном ходе и других необычных условиях выпрямители обычно шунтируются высокоомными или нелинейными сопротивлениями.

Генераторы малой мощности с рассмотренной системой возбуждения допускают прямой пуск короткозамкнутых асинхронных двигателей, мощности которых соизмеримы с мощностью генераторов. При этом пусковой ток двигателя благодаря компаундированию осуществляет форсировку возбуждения генератора и поэтому его напряжение сильно не снижается, несмотря на большие пусковые токи индуктивного характера.

Применяются и другие разновидности систем возбуждения. Характерным является все более широкая замена систем с возбудителями постоянного тока системами с полупроводниковыми выпрямителями.

Устройство возбуждения синхронной машины — Нов-электро

В зависимости от способа питания обмотки возбуждения различают системы независимого возбуждения и самовозбуждения. При независимом возбуждении в качестве источника для питания обмотки возбуждения служит генератор постоянного тока (возбудитель), установленный на валу ротора синхронной машины (рис. 1, а), либо отдельный вспомогательный генератор, приводимый во вращение синхронным или асинхронным двигателем.

Рис. 1. Схемы возбуждения синхронной Машины:
1 – обмотка якоря;
2 – ротор генератора;
3 – обмотка возбуждения;
4 – кольца;
5 – щетки;
6 – регулятор напряжения;
7 – возбудитель;
8 – выпрямитель;
9 – обмотка якоря возбудителя;
10 – ротор возбудителя;
11 – обмотка возбуждения возбудителя;
12– подвозбудитель;
13 – обмотка возбуждения подвозбудителя

При самовозбуждении обмотка возбуждения питается от обмотки якоря через управляемый или неуправляемый выпрямитель — обычно полупроводниковый (рис. 1, б). Мощность, необходимая для возбуждения, сравнительно невелика и составляет 0,3 — 3% от мощности синхронной машины.

В мощных генераторах кроме возбудителя обычно применяют подвозбудитель — небольшой генератор цостоянного тока, служащий для возбуждения основного возбудителя. Основным возбудителем в этом случае может служить синхронный генератор совместно с полупроводниковым выпрямителем.

Питание обмотки возбуждения через полупроводниковый выпрямитель, собранный на диодах или на тиристорах, широко применяют как в двигателях и генераторах небольшой и средней мощности, так и в мощных турбо- и гидрогенераторах (тиристорная система возбуждения). Регулирование тока возбуждения Iв осуществляется автоматически специальными регуляторами возбуждения, однако в машинах небольшой мощности применяется регулировка и вручную реостатом, включенным в цепь обмотки возбуждения. При необходимости форсирования возбуждения генератора повышают напряжение возбудителя и увеличивают выходное напряжение выпрямителя.

В современных синхронных генераторах применяют так называемую бесщеточную систему возбуждения (рис. 1, в). При этом в качестве возбудителя используют синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу. Обмотка возбуждения возбудителя получает питание от подвозбудителя, снабженного регулятором напряжения.

При таком способе возбуждения в цепи питания обмотки возбуждения генератора отсутствуют скользящие контакты, что существенно повышает надежность системы возбуждения.

Работа синхронного генератора под нагрузкой. Реакция якоря.

Электротехника Работа синхронного генератора под нагрузкой. Реакция якоря.

просмотров — 328

Принцип действия синхронной машины

При вращении ротора со скоростью n₂ магнитный поток создаваемый обмоткой возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуцирует в её фазах переменную ЭДС изменяющуюся с частотой , ᴛ. ᴇ. . В случае если обмотка якоря подключена к нагрузке, то протекающий по ней ток создаст вращающееся магнитное поле со скоростью вращения . Следовательно, , ᴛ.ᴇ. ротор и магнитное поле статора вращаются синхронно. По этой причине машина принято называть синхронной. Результирующий магнитный поток Ф_рез синхронной машины создается совместным действием МДС обмотки возбуждения и обмотки статора, и результирующее магнитное поле вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор.

Синхронная машина может работать автономно в качест­ве генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, или параллельно с сетью, к которой присоединœены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т. е. рабо­тать генератором или двигателœем.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, для установившихся режимов работы синхронной машины характерны следующие особенности:

а) ротор машины, работающей как в двигательном так и в генераторном режимах, вращается с постоянной ча­стотой, равной частоте вращения магнитного поля, т. е. n₂ = n₁;

б) частота изменения ЭДС Е₁, индуцируемой в обмотке якоря, пропорциональна частоте вращения ротора;

в) в установившемся режиме ЭДС в обмотке возбуждения не индуцируется; МДС этой обмотки определяется только током возбуждения и не зависит от режима работы машины.

При работе синхронного генератора под нагрузкой, в обмотках якоря протекает ток. Этот ток создает магнитное поле якоря, вращающегося с такой же скоростью что и ротор, ᴛ.ᴇ. магнитный поток якоря и поток возбуждения будут взаимно неподвижны, и результирующий поток машины будет создаваться суммарным действием магнитных потоков статора и ротора.

Воздействие магнитного потока якоря на результирующий поток синхронного генератора принято называть реакцией якоря. Реакция якоря зависит от характера нагрузки.

При активной нагрузке реакция будет поперечная размагничивающая.

При индуктивной нагрузке реакция якоря будет продольная размагничивающая (размагничивание сильнее, чем при активной).

При емкостной – продольная намагничивающая.

Однофазный генератор с кольцевой якорной обмоткой

Изобретение относится к области электрических машин, в частности к машинам переменного тока.

Наиболее близким аналогом предложенного является однофазный синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов.

Названный генератор наряду с известными достоинствами обладает и некоторыми недостатками. У него относительно низкий КПД и плохая регулируемость скорости ротора в двигательном режиме. Это связано прежде всего с тем, что его индуктор в ходе вращения индуцирует в витках обмотки якоря токи таких направлений, что сзади его магнитных полюсов на якоре всегда будут электромагнитные полюса противоположных полярностей первым, а спереди их — одноименные полюса. Кроме того, у его якорных обмоток достаточно большие активное и индуктивное сопротивления.

Технический результат заявленного изобретения — существенное повышение КПД, улучшение его электромеханических характеристик.

Технический результат достигается тем, что обмотки якоря в предложенной конструкции генератора кольцевые вместо обычно применяемых петлевых, а ферромагнитный сердечник разделен на два полуцилиндра и имеет с двух сторон немагнитные зазоры между собой. Кроме того, их витки пронизываются в ходе работы силовыми линиями — индукции одного направления, исходящими от одноименных полюсов постоянных магнитов индуктора. Такая конструкция якоря позволяет направить его магнитные силовые линии по кругу, а не по диаметру, как это обычно происходит у аналога с петлевыми обмотками и с замкнутым магнитопроводом. Она же позволяет существенно снизить не только активное, но и индуктивное сопротивления обмоток его якоря.

Предложенный однофазный генератор с кольцевой якорной обмоткой, выполненный в виде однофазного синхронного генератора, состоящий из якоря и индуктора, разделенных воздушным зазором, отличается тем, что якорь состоит из двух соединенных последовательно кольцевых обмоток с полукольцевыми ферромагнитными сердечниками, ближайшие прямоугольные концы которых приклеены немагнитными вкладышами, а индуктор состоит из размещенного на валу вращения центрального цилиндрического магнитопровода, на диаметрально противоположных поверхностях которого установлены два стержневые постоянные магниты с одноименными вогнутыми полюсами.

На фиг.1 и 2 показаны соответственно поперечный и продольный разрезы предложенного генератора.

На фиг.1 и 2 приняты следующие обозначения: 1 — проводник электрического тока, 2 — немагнитный зазор, 3 — незамкнутый магнитопровод якоря, 4 — кольцевая обмотка якоря, 5 — постоянный стержневой магнит с выпуклым и вогнутым полюсами индуктора, 6 — центральный магнитопровод индуктора, 7 — электрический вывод генератора.

Однофазный генератор с кольцевой якорной обмоткой работает следующим образом. При вращении с внешним двигателем индуктор генератора начинает вращаться, например, по часовой стрелке. В этом случае в витках обмотки 4 якоря наводятся ЭДС одного знака. Но на электрическом выводе 7 будет поддерживаться определенное переменное напряжение. Это связано тем, что в каждый раз, когда магнитные полюса постоянных магнитов 5 индуктора проходят немагнитные зазоры 2 сердечника якоря, происходит его перемагничивание, что вызывает в обмотках 4 якоря ЭДС другого знака. При этом индукционные переменные токи, протекающие по виткам обмотки 4 якоря, намагничивают его ферромагнитные сердечники 3 так, что магнитные силовые линии будут всегда направлены по кругу через немагнитные зазоры 2, где будут электромагнитные полюса обоих полярностей. В этом случае по всему кругу в течение всего цикла вращения индуктора не будут возникать отдельные магнитные полюса, препятствующие движению последнего, как это происходит обычно в случае с петлевыми обмотками.

Предложенный генератор может работать и в двигательном режиме. Если подать от специального источника или от неподвижного коллектора на электрический вывод 7 генератора переменное напряжение одного знака с частотой, двухкратной частоте вращения ротора, то в каждый раз, когда полюса постоянных магнитов 5 будут находиться в области обмоток 4 якоря, по его виткам будут всегда протекать токи в одном направлении. Это приводит к электромагнитному взаимодействию их с постоянными магнитами 5 ротора, который при этом начинает вращаться, направление которого определяется правилом левой руки. В то же время ферромагнитные сердечники 3 статора не будут насыщаться от токов сети одного направления. Это достигается тем, что при каждом прохождении постоянных магнитов 5 ротора области немагнитных зазоров 2 они будут перемагничиваться.

Источники информации

1. Бертинов А.И. и др. Униполярные электрические машины с жидкометаллическими токосъемниками. — М.-Л.: Энергия, 1966.

2. Бертинов А.И. Специальные электрические машины. — М.: Энергия, 1982.

3. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. — М.: ВШ, 1990.

4. Иродов И.А. Электромагнетизм. — М.: Бином, 2003.

5. Калашников С.Г. Электричество. — М.: Наука, 1985.

Однофазный генератор с кольцевой якорной обмоткой, выполненный в виде однофазного синхронного генератора, состоящий из якоря и индуктора, разделенных воздушным зазором, отличающийся тем, что якорь состоит из двух соединенных последовательно кольцевых обмоток с полукольцевыми ферромагнитными сердечниками, ближайшие прямоугольные концы которых приклеены немагнитными вкладышами, а индуктор состоит из размещенного на валу вращения центрального цилиндрического магнитопровода, на диаметрально противоположных поверхностях которого установлены два стержневые постоянные магниты с одноименными вогнутыми полюсами.

Синхронный электродвигатель: характеристики, устройство и принцип действия

Содержание

1. Устройство синхронного электродвигателя
2. Принцип работы синхронного электродвигателя
3. Характеристики синхронного электродвигателя

Синхронный электродвигатель – это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Его также можно использовать в качестве генератора. Чаще всего он применяется в компрессорах, прокатных станках, поршневых насосах и другом подобном оборудовании. Рассмотрим принцип действия синхронного электродвигателя, его характеристики и свойства.

Устройство синхронного электродвигателя

Строение агрегата данного вида типично. Двигатель состоит из:

• Неподвижной части (якорь или статор).
• Подвижной части (ротор или индуктор).
• Вентилятора.
• Контактных колец.
• Щеток.
• Возбудителя.

Статор представляет собой сердечник, состоящий из обмоток, который заключен в корпус. Индуктор комплектуется электромагнитами постоянного тока (полюсами). Конструкция индуктора может быть двух видов – явнополюсная и неявнополюсная. В статоре и роторе расположены ферромагнитные сердечники, изготовленные из специальной электротехнической стали. Они необходимы для уменьшения магнитного сопротивления и улучшения прохождения магнитного потока.

Частота вращения ротора в синхронном двигателе равна частоте вращения магнитного поля. Независимо от подключаемой нагрузки частота ротора неизменна, так как число пар полюсов магнитного поля и ротора совпадают. Их взаимодействие обеспечивает постоянную угловую скорость, не зависящую от момента, приложенного к валу.

Принцип работы синхронного электродвигателя

Самые распространенные типы такого рода агрегатов – однофазный и трехфазный. Принцип работы синхронного электродвигателя в обоих случаях примерно одинаков. После подключения обмотки якоря к сети ротор остается неподвижным, в то время как постоянный ток поступает в обмотку возбуждения. Направление электромагнитного момента меняется дважды за время одного изменения напряжения. При значении среднего момента равном нулю, ротор под влиянием внешнего момента (механического воздействия) разгоняется до частоты, близкой по значению частоте вращения магнитного поля в зазоре, после чего двигатель переходит в синхронный режим.

В трехфазном устройстве проводники расположены под определенным углом относительно друг друга. В них возбуждается вращающееся с синхронной скоростью электромагнитное поле.

Разгон двигателя может осуществляться в двух режимах:

• Асинхронный. Обмотки индуктора замыкаются с помощью реостата. Вращающееся магнитное поле, возникающее при включении напряжения, пересекает короткозамкнутую обмотку, установленную на роторе. В ней индуцируются токи, взаимодействующие с вращающимся полем статора. По достижении синхронной скорости крутящий момент начинает уменьшаться и сводится к нулю после замыкания магнитного поля.
• С помощью вспомогательного двигателя. Для этого синхронный двигатель механически соединяется со вспомогательным (двигателем постоянного тока либо трехфазным индукционным двигателем). Постоянный ток подается только после того, как вращение двигателя достигает скорости, близкой к синхронной. Магнитное поле замыкается, и связь со вспомогательным двигателем прекращается.

Характеристики синхронного электродвигателя

Хотя асинхронные двигатели считаются более надежными и дешевыми, их синхронные «собратья» имеют некоторые преимущества и широко применяются в различных областях промышленности. К отличительным характеристикам синхронного электродвигателя можно отнести:

• Работу при высоком значении коэффициента мощности.
• Высокий КПД по сравнению с асинхронным устройством той же мощности.
• Сохранение нагрузочной способности даже при снижении напряжения в сети.
• Неизменность частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.
• Экономичность.

Синхронным двигателям также присущи некоторые недостатки:

• Достаточно сложная конструкция, делающая их производство дороже.
• Необходимость источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя).
• Сложность пуска.
• Необходимость корректировать угловую частоту вращения путем изменения частоты питающего напряжения.

Однако в некоторых случаях использование синхронных двигателей предпочтительнее:

• Для улучшения коэффициента мощности.
• В длительных технологических процессах, где нет необходимости в частых запусках и остановках.

Таким образом, «плюсы» двигателей такого типа значительно превосходят «минусы», поэтому на данный момент они высоко востребованы.

Изучив синхронный двигатель, устройство и принцип его действия и учтя условия, в которых он будет эксплуатироваться, вы сможете быстро и с легкостью подобрать оптимально подходящий для ваших целей тип агрегата (защищенный, закрытый, открытый) и использовать его с максимальной эффективностью.

Электрические машины — Якорь синхронного генератора

Ток якоря

Если ток якоря равен нулю, индуцированное напряжение равно напряжению на клеммах. Если течет ток якоря, индуцированное напряжение уже не равно измеренному напряжению на клеммах.

Причины разницы между наведенным напряжением и напряжением на клеммах:

• Реакция якоря
• Реактивное сопротивление утечки якоря
• Сопротивление якоря

Реакция якоря

Реакция якоря — это уменьшение плотности магнитного потока за счет создания тока якоря. магнитное поле, противодействующее полю ротора.

Рассмотрим вращающееся магнитное поле и обмотку статора, состоящую из нескольких катушек. Как магнитный поле вращается, напряжение, индуцированное в каждой из катушек, находится в фазе с плотностью магнитного потока. В магнитные и электрические векторные диаграммы аналогичны.

Рис. 2. Отношения между пространственным углом плотности потока и фазовым углом наведенного напряжения во времени.

Теперь, если индуцированное напряжение подключено к нагрузке и протекает отстающий ток, магнитное поле будет создаваться результирующим током якоря.Этот вектор плотности потока электрически отстает от вектора тока на 90 °. Суммируя магнитные потоки ротора и якоря, результирующая плотность потока будет отличаться от плотности потока ротора. В результате величина и фаза индуцированного напряжения будут функцией тока якоря. Этот эффект известная как реакция якоря и проиллюстрированная на анимации ниже

Нажмите одну из кнопок ниже, чтобы запустить анимацию

Наведенное напряжение Текущий Арматурное поле Стоп Шаг вперед

Рис 3.Интерактивная анимация для иллюстрации реакции арматуры

На схеме слева от анимации показано упрощенное поперечное сечение статора с 9 витками. Положение пика магнитной индукции основного ротора показано векторной стрелкой. Верхний правый график показывает синусоидальное изменение плотности потока вокруг воздушного зазора, а нижний левый график показывает индивидуальные индуцированные напряжения катушки. При нажатии кнопки «Напряжение» происходит анимация изменения плотности потока и напряжений во времени.Теперь предположим, что мы позволяем току течь. Предполагается, что ток в каждой катушке отстает от напряжения. На нижнем правом графике показаны напряжения отдельных катушек с течением времени, а на диаграмме слева теперь показан ток в каждой катушке (красный — за пределами страницы, синий — на странице). Мы также можем отобразить положение пикового тока в виде векторной стрелки. Теперь ток будет создавать новое магнитное поле в воздушном зазоре. Нажатие кнопки «Поле» иллюстрирует этот эффект. Поле статора будет отставать от местоположения пиковых токов статора на 90 градусов.Это показано как темно-красный вектор в правом верхнем углу. Комбинированное чистое магнитное поле, поле статора плюс поле ротора, показано зеленым цветом, как вектор, так и в правом верхнем углу.

Математически чистое магнитное поле равно

.

\ [ \ vec {B} _ {net} = \ vec {B} _ {R} + \ vec {B} _ {S} \]

, а суммарное индуцированное напряжение можно записать как

\ [ \ vec {V} = \ vec {E} -j \ vec {I} _A X \]

Термин \ (j \ vec {I} _A X \) используется для объяснения реакции якоря.

Наконец, напряжение на клеммах будет уменьшено из-за падений напряжения на реактивном сопротивлении утечки и сопротивлении обмотки

\ [ \ vec {V} = \ vec {E} -j \ vec {I} _A X-j \ vec {I} _A X_A — \ vec {I} _A R_A \]

Использование термина \ (X_S \) или синхронного реактивного сопротивления чтобы учесть как реакцию якоря, так и реактивное сопротивление утечки, получается окончательное уравнение якоря:

\ [ \ vec {E} = \ vec {V} + \ vec {I} _A R_A + j \ vec {I} _A X_S \]

Цепь якоря

Схема для описания одной фазы обмотки синхронного генератора описывает уравнение арматуры, приведенное выше.

Рис. 4. Модель эквивалентной схемы для якоря синхронной машины.

Трехфазный синхронный генератор может быть подключен по схеме звезды или треугольника. Однако часто встречаются генераторы в конфигурации звездой, поскольку общее линейное напряжение выше для заданное фазное напряжение.

Соединение звездой

\ [ \ begin {выровнено} I_A & = I_ {линия} \\ V & = \ frac {V_ {LL}} {\ sqrt {3}} \ end {выровнен} \]

Обратите внимание, что в некоторых текстах для обозначения напряжения на клеммах используется V _T .В примерах и примечаниях здесь мы будем использовать V для обозначения фазного напряжения и В _LL для линейного напряжения на клеммах

Синхронный генератор

Вопросы и ответы PDF

1. Реактивное сопротивление утечки якоря явнополюсной синхронной машины, которое изменяется в зависимости от положения ротора, вызвано потоком утечки

(а) торцевых соединений.
(b), который выходит из зубцов паза, пересекает воздушный зазор и входит в полюсные поверхности.
(c), который остается в прорези.
(d) ничего из вышеперечисленного.

Ответ: (b) который выходит из зубцов паза, пересекает воздушный зазор и входит в поверхности полюсов.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

2. В синхронном генераторе

(а) якорь mmf опережает поток в воздушном зазоре, а поток в воздушном зазоре опережает поле mmf.
(б) якорь mmf опережает поток в воздушном зазоре, а поток в воздушном зазоре отстает от поля mmf.
(c) якорь mmf отстает от потока в воздушном зазоре, а поток в воздушном зазоре отстает от поля mmf.
(d) якорь mmf отстает от воздушного зазора, а поток через воздушный зазор опережает поле mmf.

Ответ: (c) mmf якоря отстает от потока в воздушном зазоре, а поток в воздушном зазоре отстает от поля mmf.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

3. Эффект реакции якоря ………. от потока основного поля.

(а) искажение (или перекрестное намагничивание), а также размагничивание.
(b) только помогает
(c) только размагничивает
(d) только искажает

Ответ: (а) искажение (или перекрестное намагничивание), а также размагничивание.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

4. Эффект реакции якоря в синхронной машине зависит от

.

(а) ток нагрузки.
(б) коэффициент мощности нагрузки.
(c) скорость машины.
(г) и (а), и (б).

Ответ: (г) и (а), и (б).

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

5. В синхронном генераторе эффект перекрестного намагничивания делает генерируемое напряжение

(а) истинно синусоидальный.
(б) несинусоидальный.
(c) без гармоник.
(d) ничего из этого.

Ответ: (б) несинусоидальный.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

6. В генераторе якорь mmf будет находиться в фазе с потоком основного поля только тогда, когда нагрузка составляет чисто

(а) резистивный.
(б) индуктивный.
(в) емкостный.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

7. В генераторе переменного тока реакция якоря считается эквивалентной фиктивному

.

(а) реактивное сопротивление.
(б) сопротивление.
(в) импеданс.
(d) вход.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

8. Синхронный генератор питает нагрузку с нулевым коэффициентом мощности (запаздывающую) при номинальном токе. Реакция якоря

(а) намагничивание.
(б) размагничивание.
(в) перекрестное намагничивание.
(d) недействителен. [GATE E.E. 2006]

Ответ: (б) размагничивание.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

9. Реакция якоря AT синхронного генератора, питающего номинальное напряжение с нулевым запаздыванием по коэффициенту мощности, составляет

.

(a) намагничивание
(b) размагничивание
(c) перекрестное намагничивание
(d) как намагничивание, так и перекрестное намагничивание [U.P.S.C. I.E.S. 2010]

Ответ: (б) Размагничивание

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

10.

Синхронное реактивное сопротивление равно .

(а) реакция из-за реакции якоря машины.
(b) реактивное сопротивление из-за потока утечки.
(c) комбинированное реактивное сопротивление из-за потока утечки и реакции якоря.
(d) реактивное сопротивление либо из-за реакции якоря, либо из-за потока утечки. [I.E.S. E.E. II 2003]

Ответ: (c) комбинированное реактивное сопротивление из-за потока утечки и реакции якоря.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

11. Падению напряжения на клеммах генератора из-за реакции якоря противодействует

.

(а) демпферная обмотка.
(б) эффект заметности.
(c) увеличение выпуска первичных двигателей.
(г) автоматический регулятор напряжения. [A.M.I.E. Раздел Б. Электрические машины, зима 1994 г.]

Ответ: (г) автоматический регулятор напряжения.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

12. Насыщенное синхронное реактивное сопротивление генератора переменного тока — это его …….

. ненасыщенное синхронное реактивное сопротивление.

(a) более
(b) менее
(c) равно
(d) ни один из этих

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

13. В генераторе ток короткого замыкания ограничен

.

(а) синхронный импеданс в режиме насыщения.
(б) ненасыщенный синхронный импеданс.
(c) либо из вышеперечисленного.
(d) ничего из этого.

Ответ: (б) ненасыщенный синхронный импеданс.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

14.Когда нагрузка (индуктивная) сбросится, напряжение на клеммах будет

.

(а) увеличение.
(б) уменьшение.
(c) остается без изменений.
(d) ничего из этого.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

15. По мере уменьшения ведущего коэффициента мощности нагрузки генератора переменного тока величина генерируемого напряжения, необходимая для получения номинального напряжения на клеммах

(а) увеличивается.
(б) убывает.
(c) остается без изменений.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

16. В синхронном генераторе, обеспечивающем отстающую нагрузку с коэффициентом мощности

(а) ЭДС возбуждения приводит к напряжению на зажимах на угол мощности.
(b) ЭДС возбуждения отстает от напряжения на клеммах на угол мощности.
(c) ЭДС возбуждения опережает напряжение на клеммах на угол коэффициента мощности.
(d) ничего из вышеперечисленного. [A.M.I.E. Секция Б. Электрические машины, лето 1995 г.]

Ответ: (а) ЭДС возбуждения приводит к напряжению на зажимах под углом мощности.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

17. Коэффициент мощности, от которого работает генератор переменного тока, зависит от

.

(а) Скорость тягача.
(b) характер поставляемой нагрузки.
(в) потери в арматуре.
(г) потери меди.

Ответ: (б) характер поставляемой нагрузки.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

18. Несбалансированные трехфазные токи статора вызывают

(а) колебания.
(б) нагрев ротора.
(в) двойные частотные токи в роторе.
(d) все вышеперечисленное.

Ответ: (г) все вышеперечисленное.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

19.Регулировка генератора переменного тока, питающего резистивную или индуктивную нагрузку, составляет

.

(a) всегда + ve.
(b) всегда -ve.
(c) либо из вышеперечисленного, либо ноль.
(d) ничего из вышеперечисленного.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

20. Опережающая нагрузка на генератор переменного тока подразумевает, что его напряжение регулируется равным

.

(а) положительный.
(б) отрицательный.
(c) ноль.
(d) любой из них. [A.M.I.E. Электротехника, лето 1994]

Ответ: (г) любой из этих.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

21. Влияние опережающего коэффициента мощности на регулирование напряжения генератора составляет

.

(а) увеличивающийся характер.
(б) убывающий характер.
(c) поддерживается на постоянном уровне.
(г) колеблющиеся по своей природе. [A.M.I.E. Раздел Б. Зима 1996 г.]

Ответ: (б) нисходящий характер.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

22. Реактивное сопротивление утечки трехфазного генератора определяется путем выполнения

.

(а) Испытания обрыва цепи и нулевого коэффициента мощности.
(b) нулевой коэффициент мощности и испытания на скольжение.
(c) испытания на обрыв и короткое замыкание.
(d) испытания на короткое замыкание и скольжение. [U.P.S.C. I.E.S. 2003]

Ответ: (а) испытания на обрыв цепи и нулевой коэффициент мощности.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

23. «Метод синхронного импеданса» для определения регулирования напряжения генератора переменного тока с цилиндрическим ротором обычно рассматривается как

(a) пессимистический метод, поскольку насыщенность не рассматривается.
(b) оптимистичный метод, поскольку насыщение не рассматривается.
(c) довольно точный метод, даже если коэффициент мощности не принимается во внимание при определении синхронного импеданса.
(d) довольно точный метод, когда коэффициент мощности учитывается при определении синхронного импеданса. [U.P.S.C. I.E.S. 2002]

Ответ: (а) пессимистический метод, потому что насыщенность не рассматривается.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

24. Регулировка, полученная методом синхронного импеданса, всегда выше фактического значения, потому что

(a) синхронное реактивное сопротивление предполагается переменным, в то время как это не так.
(b) эффективное сопротивление якоря предполагается постоянным.
(c) синхронное реактивное сопротивление предполагается постоянным, в то время как это не так.
(d) ток возбуждения увеличивается, чтобы получить ток короткого замыкания примерно в два раза больше тока полной нагрузки.

Ответ: (c) синхронное реактивное сопротивление предполагается постоянным, в то время как это не так.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

25. Характеристика короткого замыкания генератора

(а) всегда линейно.
(б) всегда нелинейный.
(c) либо (a), либо (b).
(d) ничего из этого.

Ответ: (а) всегда линейный.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

26. В условиях короткого замыкания коэффициент мощности генератора составляет

.

(а) единство.
(б) практически нулевое отставание.
(c) почти нулевой ведущий.
(d) ничего из вышеперечисленного.

Ответ: (б) практически нулевое отставание.

ПОКАЗАТЬ ОТВЕТ

Синхронный генератор Вопросы и ответы PDF

1. Загрузить MCQ в формате PDF
2. Генератор MCQ Вопрос Ответ
3. Тест генератора переменного тока
4. Генератор MCQ
5. Генератор MCQ Загрузить PDF
6. Генератор переменного тока с несколькими вариантами ответов: вопросы и ответы PDF
7. Синхронный генератор Вопросы и ответы PDF
8. Ответ на короткий вопрос о генераторе
9. Синхронный двигатель MCQ
10. Синхронный двигатель MCQ Вопросы
11. Синхронный двигатель MCQ Вопросы PDF
12. Параллельная работа генератора MCQ

© www.yourelectricalguide.com/ синхронный генератор вопросы и ответы pdf.

Реакция якоря в генераторе переменного тока или синхронном генераторе

Реакция якоря:

Влияние потока якоря на поток основного поля в любой машине известно как реакция якоря. В генераторе переменного тока ротор получает питание от источника постоянного тока и заставляет вращаться посредством первичного двигателя. Когда ротор вращается, вращающееся магнитное поле ротора перерезает проводники якоря и индуцирует напряжение (ЭДС) в обмотках статора генератора переменного тока.Если к генератору не подключена нагрузка, все напряжение, индуцированное в обмотке якоря, отображается как напряжение на клеммах.

Когда генератор нагружен, ток начинает течь через обмотку якоря и создает собственное магнитное поле (поскольку проводник с током создает магнитное поле). Магнитный поток, создаваемый в обмотке якоря, известен как поток якоря.

Согласно закону Ленца, направление потока якоря таково, что он противодействует причине, которая его порождает.Поскольку наведенная в обмотке якоря ЭДС возникает из-за потока основного поля (). Следовательно, магнитный поток якоря противостоит магнитному потоку поля главного ротора, из-за чего чистый магнитный поток внутри машины уменьшается. Это просто означает, что напряжение на клеммах генератора переменного тока также уменьшается. Влияние потока якоря на поток ротора (поток основного поля) известно как реакция якоря в генераторе переменного тока. На диаграмме ниже показано противодействие потока якоря потоку основного поля (реакция якоря).

Влияние магнитного потока якоря на напряжение на клеммах генератора переменного тока не всегда одинаково, поскольку зависит от коэффициента мощности (фазового соотношения между напряжением на клеммах и током якоря) нагрузки.Примите во внимание следующие условия, чтобы понять влияние магнитного потока якоря на напряжение на клеммах генератора.

Влияние реакции якоря:

Во-первых, выведем связь между потоком основного поля и наведенной ЭДС в обмотках якоря генератора. Предположим, что наведенное в обмотке якоря напряжение равно Eph. Поток основного поля () генератора переменного тока и наведенная ЭДС (Eph) в якоре могут быть выражены в виде уравнения как:

…….экв. A

Поток главного поля можно записать как:

Взяв производную по t t, получим

Или мы можем написать как:

Если подставить значение в уравнение (A), мы получим

с

Следовательно, мы можем записать приведенное выше уравнение как

Из этого уравнения можно сказать, что угол между потоком основного поля и наведенной ЭДС равен.Следовательно, поток основного поля опережает наведенную ЭДС (Eph) на. Мы можем нарисовать рис. As:

Так как мы вычисляем математическую связь потока основного поля и наведенной ЭДС. Теперь обсудим влияние потока якоря на поток основного поля при различных типах нагрузки.

Реакция якоря в генераторе при нагрузке на единицу мощности:

Предположим, что коэффициент мощности нагрузки равен единице (т.е. чисто резистивная нагрузка). В этом случае угол между наведенной ЭДС (Eph) и током (Ia) таков, что они находятся в фазе друг с другом.Когда ток (Ia) протекает через обмотку якоря, он создает магнитный поток (), который известен как поток якоря. Направление потока якоря будет таким же, как у тока якоря. Более того, мы также знаем, что угол между потоком основного поля и наведенной ЭДС равен. Следовательно, мы можем нарисовать рис. как:

Теперь угол между потоком основного поля и потоком якоря таков, что поток якоря отстает от потока основного поля на 90 градусов. Влияние потока якоря в этом случае таково, что он частично поддерживает основной поток и частично противодействует потоку основного поля.Следовательно, чистый магнитный поток внутри машины остается прежним, что означает, что генерируемое напряжение на клеммах (ЭДС) также остается прежним. Этот эффект известен как эффект перекрестного намагничивания. Форма волны в случае резистивной нагрузки следующая:

На диаграмме выше видно, что форма волны потока якоря отстает от потока основного поля на 90 градусов.

Реакция якоря в генераторе переменного тока при ведущих нагрузках по коэффициенту мощности:

Предположим, что коэффициент мощности нагрузки является опережающим (т.е.е. чистая емкостная нагрузка). В случае емкостной нагрузки ток (Ia) опережает наведенную ЭДС (Eph) на. Поскольку направление потока якоря () такое же, как и у тока якоря. Можем нарисовать рис. Как

Из рис. можно сказать, что если нагрузка, подключенная к генератору переменного тока, является емкостной, угол между потоком основного поля и потоком якоря составляет 0 градусов. В этом случае поток якоря всегда поддерживает поток основного поля. Это называется эффектом намагничивания. Это называется эффектом намагничивания, потому что поток якоря помогает потоку основного поля.Следовательно, чистый магнитный поток внутри машины увеличивается, что означает, что генерируемое напряжение на клеммах (ЭДС) увеличивается в случае чистой емкостной нагрузки. Форма волны в случае емкостной нагрузки следующая:

Реакция якоря в генераторе переменного тока при отстающих нагрузках на коэффициент мощности:

Когда коэффициент мощности нагрузки имеет нулевое отставание (т. Е. Чисто индуктивная нагрузка), ток якоря отстает от наведенной ЭДС на. Как описано ранее, поток якоря создается из-за тока якоря, и направление потока якоря () такое же, как у тока якоря.В этом случае угол между потоком основного поля и потоком якоря составляет 180 градусов (не в фазе). Это показано на рисунке ниже как

.

Из рис. мы можем видеть, что угол между потоком поля и потоком якоря составляет 180 градусов (не в фазе). Следовательно, в случае индуктивных нагрузок поток якоря всегда противостоит основному потоку. Этот эффект известен как эффект размагничивания. Это называется эффектом размагничивания, потому что поток якоря всегда противодействует основному потоку. Следовательно, чистый магнитный поток внутри машины уменьшается, что означает, что генерируемое напряжение на клеммах также уменьшается в случае чисто индуктивной нагрузки.Форма волны в случае индуктивной нагрузки следующая:

На диаграмме выше видно, что форма волны потока якоря отстает от потока основного поля на 180 градусов.

Заключение:

Из приведенного выше обсуждения можно сказать, что реакция якоря в генераторе переменного тока зависит от коэффициента мощности нагрузки. Если коэффициент мощности нагрузки равен единице, эффект реакции якоря в этом случае имеет перекрестное намагничивание. В случае запаздывающей нагрузки по коэффициенту мощности реакция якоря размагничивает.В случае, если нагрузка находится с опережающим коэффициентом мощности, эффект реакции якоря носит намагничивающий характер.

Вот и все. Надеюсь, это вам поможет.

Похожие сообщения:

Типы изоляторов, используемых в линиях электропередачи↗

Коэффициент мощности генератора ↗

Что такое коэффициент мощности? ↗

(PDF) Влияние реакции якоря на стабильность синхронной машины

в

(11)

получается напряжение на клеммах, которое генератор

должен работать, чтобы максимизировать преобразование энергии

.

111. РЕЖИМ РАБОТЫ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ

Из рис. 2 можно охарактеризовать три режима работы синхронной машины

, как синхронного генератора.

1)

Если

, ток якоря равен Iq

<

0

и Id

<

0,

текущий

напряжение Vt находится на линии между точками (0-e ) (см. рис.

2).

Управляемая кривая Vt определяется опорным сигналом регулятора напряжения

, где напряжение на клеммах генератора

должно работать в стабильном состоянии.

величина: Is

=

,, / (I

2

d

+

I

2

q)

<

Ismax, терминал

‘/

I

‘ .R +

jX &

‘t

регулируемый

Is2 ISTI

q

Рис. 2. Векторная диаграмма устойчивого состояния синхронного генератора

с активной и реактивной нагрузкой.

Если режим работы машины задается якорем

, ток IS2 и напряжение на зажимах Vt2 (см. Рис. 2). Ток IS2

создает вращающееся поле, которое индуцирует результирующее напряжение

в точке (a), определяемой углом нагрузки 62. Ток якоря

IQ

создает вращающееся поле, которое индуцирует

напряжения xd Id2 на оси d и

xq

Iq

на оси

q

.Результирующее индуцированное напряжение

находится в точке (е). Станок

работает при некотором уровне насыщения и небольшом угле нагрузки. (см.

рис. 2).

Влияние напряжения регулятора в этом случае будет иметь тенденцию уменьшать

индуцированное напряжение через систему возбуждения, чтобы

уменьшало величину напряжения на клеммах

VQ.

Затем

заставит его работать по кривой, определенной Vtregulated.

Следует отметить, что уменьшение индуцированного напряжения соответствует

уменьшению тока возбуждения и, следовательно,

уменьшению

вращающемуся полю.

Это

уменьшает электромагнитный крутящий момент

. Это уменьшение вызывает дисбаланс уравнения движения

согласно второму закону Ньютона,

, который ускоряет синхронную машину. В зависимости от подаваемой активной мощности генератора

может произойти потеря устойчивости.

Чтобы гарантировать, что практические пределы устойчивости генератора не достигаются

, используются регуляторы минимального возбуждения вместе с регуляторами напряжения

[3],

[4].

2)

Если

, ток якоря равен

I

<

0

и Id

>

0,

клемма

напряжение на линии (0-d)

(

см. Рис.2).

Если режим работы машины задается арматурой

ток Is3 (см. Рис.

2).

Ток Is3 создает вращающееся поле

, которое индуцирует результирующее напряжение в точке (d),

, определяемое углом нагрузки

63.

Ток якоря

IS3

создает вращающееся поле, которое индуцирует напряжения -xd Id на оси d

и

Xq

Iq на оси

q

.Результирующее индуцированное напряжение составляет

в точке (c). Машина работает при недовозбуждении и большом угле нагрузки

(см. Рис. 2).

В этом случае регулятор напряжения будет стремиться увеличивать индуцированное напряжение

посредством возбуждения, увеличивая величину напряжения на клеммах

и заставляя напряжение на клеммах

работать по кривой, определяемой Vtregulated. Крайняя ситуация

— это когда напряжение на клеммах низкое.В этом состоянии

регулятор напряжения заставляет работать при максимальных пределах тока возбуждения

.

Напряжение Vt2 e Vt3 на рисунке

2,

создается статором

токов IS2 и Is3 соответственно, который имеет токи Id2 e

Id3 с эффектами намагничивания и размагничивания над полем ротора

. В каждом случае угол нагрузки низкий и высокий.

В зависимости от активной мощности и реакции якоря, с которыми работает генератор

, может возникнуть потеря устойчивости.Чтобы работа генератора

не достигла практической стабильности, генератор

должен работать выше своей электромеханической преобразовательной способности

. потому что уменьшение электромагнитного момента

из-за реакции якоря вызовет ускорение машины

, как экспериментальный результат

, показанный на рис.

4.

3) Идеальный режим работы синхронного генератора — это когда

ток якоря синфазен с индуцированным напряжением.

То есть Id

=

0

и

I

<

0.

Работа генератора в этом режиме

9

позволяет достичь максимальной механической мощности на турбине

. ось преобразуется в электрическую энергию.

Этот рабочий режим — это когда якорь

Isl

находится в фазе

с наведенным напряжением Efd. Этот режим работы

из

генератора

можно определить как работу в ориентированном поле.Это

позволяет генератору работать с максимальной эффективностью в процессе преобразования энергии

, как и генератор

DC

с независимым возбуждением

. где поле статора создается током

Iq

, а поле прямой оси создается возбуждением ротора

вдоль оси de d.

Чтобы проверить влияние регулятора напряжения на стабильность синхронного генератора

, была разработана система пониженного энергоснабжения

, модель

[2],

, как показано на рис.3. Синхронная генераторная установка micro-

подключена к энергосистеме

через микротрансформатор и линию микропередачи.

9.

TC1-8.2

Разрешенное лицензионное использование ограничено: UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAIBA. Загружено 17 августа 2009 г. в 09:42 с сайта IEEE Xplore. Ограничения применяются.

Реакция якоря в генераторе переменного тока, синхронной машине или генераторе

Когда к генератору переменного тока или синхронному генератору не подключена нагрузка, в якоре не будет наведенного напряжения.Следовательно, поток, присутствующий в воздушном зазоре, возникает только из-за полевых ампер-витков. После загрузки генератора переменного тока он начинает подавать ток нагрузки, и в обмотках якоря возникает индуцированное напряжение. Поскольку индуцированное напряжение является трехфазным, ток якоря создает собственное вращающееся магнитное поле. Теперь в воздушном зазоре установки машины будет два магнитных потока — обмотка возбуждения и обмотка якоря. Влияние потока якоря на поток, создаваемый полевыми ампер-витками, называется «реакцией якоря».

Поток, создаваемый обмоткой якоря, таков, что он либо противодействует, либо суммируется с потоком поля, вызывая уменьшение или увеличение потока в воздушном зазоре. Это вызывает изменение производительности машины. Характер влияния потока якоря на поток поля зависит от характера коэффициента мощности нагрузки. Посмотрим, как влияет реакция якоря при нагрузках с разным коэффициентом мощности.

Реакция якоря генератора переменного тока:

Рассмотрим отдельную катушку якоря, движущуюся вправо относительно системы возбуждения.На каждой стороне катушки индуцируется максимальная ЭДС, когда она противоположна центру полюса.

Реакция якоря генератора переменного тока при единичном коэффициенте мощности:

Предположим, генератор переменного тока питает исключительно резистивную нагрузку. Ток находится в фазе с напряжением, т. Е. С единичным коэффициентом мощности, и поэтому положение катушки для максимального тока будет таким же, как и для положения для максимального напряжения. Ток якоря вызывает отставание потока якоря от основного потока на 90 °, намагничивает заднюю половину главного полюса и размагничивает переднюю половину.Однако эти два эффекта нейтрализуют друг друга, и средняя напряженность поля остается неизменной. В результате основное поле искажается, как показано ниже.

Ниже показана векторная диаграмма при нагрузке с единичным коэффициентом мощности и разностью фаз 90 ° между потоком поля и потоком обмотки якоря. Воздействие на генератор переменного тока из-за реакции якоря на нагрузку с единичным коэффициентом мощности вызывает небольшое падение напряжения на клеммах генератора. Эффект реакции якоря при нагрузке с единичным коэффициентом мощности называется «эффектом перекрестного намагничивания» реакции якоря.

Реакция якоря генератора переменного тока при нулевом коэффициенте мощности:

Когда нагрузка является чисто индуктивной, ток отстает на 90 ° от напряжения, и, следовательно, катушка должна переместиться на 90 ° (электрическая) из более раннего положения, как показано на рисунке ниже. Следовательно, поток якоря отстает от основного на полюс.

Из векторной диаграммы видно, что потоки от обмотки якоря и обмотки основного возбуждения полностью противоположны.Сравнивая потоки якоря и основные потоки, мы видим, что при индуктивной нагрузке эффект реакции якоря уменьшает основной поток. Это приводит к меньшей генерации ЭДС из-за ослабления основного потока. Чтобы сохранить такую ​​же ЭДС, необходимо увеличить возбуждение поля, чтобы компенсировать эффект ослабления. Поскольку эффект реакции якоря из-за индуктивной нагрузки вызывает размагничивание потока основного поля. Этот эффект называется «эффектом размагничивания» реакции якоря.

Реакция якоря генератора переменного тока при нулевом коэффициенте мощности:

В этом случае ток опережает напряжение на 90 °.так, чтобы катушка выдерживала максимальный ток на 90 °, прежде чем она достигнет положения, показанного ниже.

Когда к генератору подключена нагрузка чисто емкостного типа. Ток якоря из-за ЭДС, индуцированной потоком основного поля, опускается на 90 °, как показано на приведенной ниже векторной диаграмме. Таким образом, поток в обмотке якоря и поток основного поля будут иметь одинаковое направление и складываться друг с другом. Следовательно, в этом случае реакция якоря оказывает полностью намагничивающий эффект из-за сложения обоих потоков.Это приводит к увеличению наведенной ЭДС и напряжения на клеммах генератора. Чтобы сохранить такую ​​же ЭДС, необходимо уменьшить возбуждение поля. Поскольку поток якоря способствует потоку поля, этот эффект называется «намагничивающим эффектом» реакции якоря.

Характер реакции якоря:

Влияние реакции якоря на напряжение на клеммах, генерируемое генератором при различных нагрузках с коэффициентом мощности, показано на рисунке ниже.

• При единичном коэффициенте мощности i.е., когда нагрузка является чисто резистивной, будет небольшое изменение напряжения на клеммах по сравнению с индуктивными и емкостными нагрузками.
• Как правило, большая часть нагрузок на генератор переменного тока — резистивно-индуктивного типа. Когда нагрузка внезапно отключается от линии передачи, подключенной к генератору переменного тока, это вызывает емкостную нагрузку на генератор. Если не предусмотрены надлежащие профилактические меры, емкостная нагрузка увеличивает напряжение на клеммах и может создать безвыходную ситуацию для генератора переменного тока.
• Следовательно, изменение напряжения на клеммах из-за эффекта реакции якоря при нулевом запаздывании и опережающем коэффициенте мощности больше.
• Кроме того, помимо реакции якоря, будет падение напряжения из-за сопротивления обмотки и реактивного сопротивления утечки. Следовательно, полное падение напряжения в генераторе переменного тока под нагрузкой представляет собой комбинацию падений из-за сопротивления обмотки, реактивного сопротивления утечки и эффекта реакции якоря.

ECE 449 — Лаборатория 5: Генерация переменного тока

Цели

Для генерации переменного тока и управления частотой и генерируемым напряжением.В частности, экспериментально поставлены задачи:

1. Общие сведения о работе синхронного генератора
2. Понять фазовые соотношения между генерируемыми напряжениями в различных обмотках якоря.
3. Понять факторы, влияющие на генерируемое напряжение
4. Получите характеристики намагничивания (холостого хода) генератора переменного тока.

Предварительная лаборатория

Прочтите этот эксперимент до конца.Обзор запуска двигателей постоянного тока. Определите, должен ли реостат для цепи возбуждения машины постоянного тока переключаться на минимальное или максимальное сопротивление при запуске двигателя.

Теория

1. Конструкция синхронной машины

   Поперечное сечение генератора показано ниже

   
   Рис. 1. Поперечное сечение четырехполюсного генератора переменного тока (1).

   Синхронная машина (генератор) состоит из двух основных частей:

   1. Статор, несущий трехфазную обмотку,
   2. Ротор с одной обмоткой постоянного тока или постоянными магнитами, на обмотку возбуждения обычно подается постоянный ток через контактные кольца.

   Также должен быть источник механической энергии (первичный двигатель) и источник возбуждения (обычно возбудитель).

   Обмотки якоря помещаются (не показаны) в пазы (показаны) на внутренней поверхности статора. Когда первичный двигатель вращает ротор,

   Генератор, который вы будете использовать, специально разработан, чтобы дать вам лучшее представление о векторных отношениях и трехфазной мощности. Машина оснащена шестью аналогичными обмотками якоря, равномерно расположенными по периферии якоря.

2. Эксплуатация

   Первичный двигатель (двигатель постоянного тока в этом эксперименте) соединен с валом генератора переменного тока. Когда первичный двигатель вращает вал генератора переменного тока, магнитный поток ротора, соединяющего якорь, будет изменяться. Изменение магнитного потока приводит к возникновению ЭДС в обмотках якоря согласно закону Фарадея. Генерируемое напряжение зависит от этого потока и, следовательно, от тока возбуждения. Первичный двигатель передает механическую мощность генератору переменного тока.

   Если количество полюсов P, то частота генерируемых напряжений в статоре зависит от скорости:

   $$ N _ {(об / мин)} = {120 f \ over P} $$

   Таким образом, на частоту станка влияет частота вращения первичного вала
   двигатель (в данном случае машина постоянного тока), в то время как на величину напряжения влияет ток возбуждения, согласно:

   E _rms = 4,44 f * (количество витков) * φ _полюс

   Токи статора создают вращающееся магнитное поле в воздушном зазоре.Постоянный крутящий момент может быть получен только в том случае, если поле статора и поле ротора, возбужденное постоянным током, вращаются синхронно.

   Показана эквивалентная схема одной фазы генератора переменного тока

   
   Рис. 2. Эквивалентная схема по фазе (2)

Процедура

Важное примечание: Всегда проверяйте наличие тока возбуждения в машине постоянного тока, прежде чем нажимать кнопку пускателя.Также не забудьте полностью повернуть полевой реостат в одну сторону в исходное положение. Спросите инструктора, если вы не уверены, что это за позиция

.

1. Считайте данные с паспортной таблички машины постоянного тока и генератора и запишите эти данные.
2. Подключите питание к двигателю постоянного тока через автоматический выключатель. Взаимное расположение различных модулей и клемм машин на стенде показано ниже (A относится к якорю, F — к полю шунта, а S — к последовательному полю):
3. Попросите инструктора проверить цепь.
4. Запустите машину постоянного тока и ознакомьтесь с регулированием скорости с помощью тока возбуждения. Обратите внимание на диапазон скорости, который вы можете получить с помощью этого метода, и запишите соответствующие токи возбуждения. Убедитесь, что ток возбуждения находится в пределах номинала, указанного на паспортной табличке.
5. При отключенном поле переменного тока измерьте и запишите генерируемое напряжение на каждой обмотке якоря машины переменного тока.
6. Подключите аналоговый амперметр постоянного тока к цепи возбуждения генератора.
7. Попросите инструктора проверить цепь, а затем запишите возможный диапазон тока возбуждения в машине переменного тока.
8. При минимальном переменном токе возбуждения запустите машину постоянного тока.
9. Измерьте генерируемые напряжения на обмотках якоря машины переменного тока.
10. Обратите внимание на разность фаз между этими напряжениями, определите количество полюсов в вашей машине, исходя из генерируемой электрической частоты и скорости вращения первичного двигателя.Сравните это с данными на паспортной табличке.
11. Поддерживая постоянный ток возбуждения машины переменного тока, измените скорость и запишите генерируемое напряжение.
12. Выключите машину постоянного тока, а затем подключите обмотки машины переменного тока, чтобы получить трехфазное питание, подключенное по схеме Y.
13. Запустите машину постоянного тока, как раньше. Измените ток возбуждения генератора и измерьте генерируемое напряжение между фазой и нейтралью, запишите это напряжение и соответствующий ток возбуждения для получения достаточных значений для построения характеристики холостого хода этого генератора.
14. Выключите машину и добавьте трехфазную резистивную нагрузку. Организуйте измерение тока нагрузки. Запустите машину постоянного тока, как раньше, и измените ее скорость, чтобы генератор работал с номинальной скоростью. Выберите значение тока поля, которое находится где-то в середине диапазона. Измерьте выходное напряжение как функцию нагрузки. Если у вас недостаточно возможностей загрузки одной тележки, вы можете попробовать соединить две параллельно. Возьмите достаточно данных, чтобы построить график зависимости выходного напряжения от резистивной нагрузки.
15. Повторите шаг 14, но с трехфазной переменной емкостной нагрузкой. Возьмите достаточно данных, чтобы построить график зависимости V _из от емкостной нагрузки.
16. Если возможно, повторите шаг 14 с трехфазной индуктивной нагрузкой (IM, трансформатор…?)

Отчет

Ваш отчет должен включать подробные электрические схемы.

В дополнение к отчету о полученных данных и построению графиков характеристик холостого хода и нагрузки (V _из против I _из ) ответьте на следующие вопросы:

1. Постройте нагрузочные характеристики как для резистивной, так и для емкостной нагрузки на одном графике, если это возможно.Вы можете объяснить разницу в кривых для резистивных и емкостных нагрузок?
2. При запуске двигателя постоянного тока должен ли реостат поля постоянного тока быть максимальным или минимум.
3. Если в цепи якоря машины постоянного тока есть пусковой реостат, то он должен быть сплошным или сплошным.
4. Имеет ли используемый генератор переменного тока ротор с круглым (цилиндрическим) или явнополюсным ротором?
5. Какие факторы влияют на решение о разработке машины с выступающим или круглым ротором?
6. Если напряжение, индуцированное в первой обмотке статора: v ₁ ( t ) = 50cos (ω t ), запишите уравнения напряжений остальных пяти обмоток.
7. Изобразите напряжения, указанные в предыдущем вопросе, на векторной диаграмме.
8. Каждую обмотку можно рассматривать как источник напряжения, как показано на рисунке.

Как бы вы подключили эти источники, чтобы получить 3-фазный источник с Y-соединением.

9. Используйте Matlab для получения гладкого V = f (If).
10. График E как функция If с постоянной скоростью. Это характеристики холостого хода.
    Объясните форму этой характеристики.

Библиография

1. http://cnx.org/content/m30028/latest/, лицензировано NGUYEN Phuc под Лицензия Creative Commons Attribution (CC-BY 3.0)
2. «Анализ энергосистемы», Саадат (требуется разрешение).

Синхронный генератор

как ветроэнергетический генератор

Синхронный генератор как ветроэнергетический генератор

Как и генератор постоянного тока в предыдущем учебном пособии, работа синхронного генератора также основана на законе электромагнитной индукции Фарадея, работающем в аналогичных условиях. мода на генератор автомобильного типа.

Разница на этот раз состоит в том, что синхронный генератор генерирует трехфазное выходное напряжение переменного тока на своих обмотках статора, в отличие от генератора постоянного тока, который выдает одиночный выходной сигнал постоянного или постоянного тока. Однофазные синхронные генераторы также доступны для маломощных бытовых систем синхронных генераторов ветряных турбин.

По сути, синхронный генератор представляет собой синхронную электромеханическую машину, используемую в качестве генератора и состоящую из магнитного поля на вращающемся роторе и неподвижного статора, содержащего несколько обмоток, обеспечивающих генерируемую мощность.Система магнитного поля ротора (возбуждение) создается либо с помощью постоянных магнитов, установленных непосредственно на роторе, либо с помощью электромагнитного возбуждения от внешнего постоянного тока, протекающего в обмотках возбуждения ротора.

Этот постоянный ток возбуждения передается на ротор синхронной машины через контактные кольца и угольные или графитовые щетки. В отличие от предыдущей конструкции генератора постоянного тока, синхронные генераторы не требуют сложной коммутации, что позволяет использовать более простую конструкцию. Тогда синхронный генератор работает аналогично автомобильному генератору переменного тока и состоит из двух следующих общих частей:

Основные компоненты синхронного генератора

• Статор: — Статор несет три отдельных (3-фазных) якоря. обмотки физически и электрически смещены друг от друга на 120 градусов, создавая выходное напряжение переменного тока.
• Ротор: — Ротор несет магнитное поле либо в виде постоянных магнитов, либо в виде катушек с намоткой поля, подключенных к внешнему источнику постоянного тока через контактные кольца и угольные щетки.

Говоря о «синхронном генераторе», терминология, используемая для описания частей машины, является обратной по сравнению с описанием генератора постоянного тока. Обмотки возбуждения — это обмотки, создающие основное магнитное поле, которые являются обмотками ротора для синхронной машины, а обмотки якоря — это обмотки, в которых индуцируется основное напряжение, обычно называемые обмотками статора.Другими словами, для синхронной машины обмотки ротора являются обмотками возбуждения, а обмотки статора — обмотками якоря, как показано.

Конструкция синхронного генератора

В приведенном выше примере показана базовая конструкция синхронного генератора, который имеет двухполюсный ротор с выпуклой фазой. Эта обмотка ротора подключена к источнику постоянного напряжения, создающему ток возбуждения I _f . Внешнее напряжение возбуждения постоянного тока, которое может достигать 250 вольт постоянного тока, создает электромагнитное поле вокруг катушки со статическими северным и южным полюсами.

Когда вал ротора генератора вращается лопастями турбины (первичный двигатель), полюса ротора также будут перемещаться, создавая вращающееся магнитное поле, поскольку северный и южный полюса вращаются с той же угловой скоростью, что и лопатки турбины (при условии прямого водить машину). Когда ротор вращается, его магнитный поток разрезает отдельные катушки статора одну за другой, и по закону Фарадея в каждой катушке статора индуцируется ЭДС и, следовательно, ток.

Величина напряжения, индуцированного в обмотке статора, как показано выше, является функцией напряженности магнитного поля, которая определяется током возбуждения, скоростью вращения ротора и количеством витков в обмотке статора.Поскольку синхронная машина имеет три обмотки статора, в обмотках статора генерируется трехфазное напряжение, соответствующее обмоткам A, B и C, которые электрически разнесены на 120 ^o , и это показано выше.

Эта трехфазная обмотка статора подключена непосредственно к нагрузке, и, поскольку эти катушки неподвижны, им не нужно проходить через большие ненадежные контактные кольца, коммутатор или угольные щетки. Кроме того, поскольку основные катушки, генерирующие ток, неподвижны, это облегчает наматывание и изоляцию обмоток, поскольку они не подвергаются вращательным и центробежным силам, что позволяет генерировать более высокие напряжения.

Синхронный генератор с постоянным магнитом

Как мы видели, синхронные машины с возбужденным полем требуют возбуждения постоянного тока в обмотке ротора. Это возбуждение осуществляется с помощью щеток и контактных колец на валу генератора. Однако есть несколько недостатков, таких как необходимость регулярного обслуживания, очистки от угольной пыли и т. Д. Альтернативный подход заключается в использовании бесщеточного возбуждения, при котором вместо электромагнитов используются постоянные магниты.

Как следует из названия, в синхронном генераторе с постоянными магнитами (PMSG) поле возбуждения создается с помощью постоянных магнитов в роторе.Постоянные магниты могут быть установлены на поверхности ротора, встроены в поверхность или установлены внутри ротора. Воздушный зазор между статором и ротором уменьшен для максимальной эффективности и минимизации необходимого количества материала редкоземельного магнита. Постоянные магниты обычно используются в маломощных недорогих синхронных генераторах.

Для низкоскоростных ветряных генераторов с прямым приводом генератор на постоянных магнитах является более конкурентоспособным, поскольку он может иметь большее число полюсов (60 или более полюсов) по сравнению с обычным синхронным генератором с фазным ротором.Кроме того, реализация возбуждения с помощью постоянных магнитов проще, долговечнее, но не позволяет управлять возбуждением или реактивной мощностью. Одним из основных недостатков синхронных генераторов ветряных турбин с постоянными магнитами является то, что без управления потоком ротора они достигают своего максимального КПД только при одной заданной скорости ветра.

Синхронная скорость генераторов

Частота выходного напряжения зависит от скорости вращения ротора, другими словами, от его «угловой скорости», а также от количества отдельных магнитных полюсов на роторе.В нашем простом примере выше синхронная машина имеет два полюса: один северный полюс и один южный полюс. Другими словами, машина имеет два отдельных полюса или одну пару полюсов , (север-юг), также известную как пары полюсов.

Когда ротор совершает один полный оборот, 360 ^o , генерируется один цикл наведенной ЭДС, поэтому частота будет один цикл за каждый полный оборот или 360 ^o . Если мы удвоим количество магнитных полюсов до четырех (две пары полюсов), то при каждом обороте ротора будут генерироваться два цикла наведенной ЭДС и так далее.

Поскольку один цикл наведенной ЭДС создается одной парой полюсов, количество циклов ЭДС, возникающей за один оборот ротора, будет, следовательно, равно количеству пар полюсов P. Итак, если количество циклов на один оборот ротора число оборотов задается как: P / 2 относительно числа полюсов, а число оборотов ротора N в секунду задается как: N / 60, тогда частота (ƒ) наведенной ЭДС будет определяться как:

In В синхронном двигателе его угловая скорость фиксируется частотой питающего напряжения, поэтому N обычно называют синхронной скоростью.Тогда для синхронного генератора с P-полюсом скорость вращения первичного двигателя (лопастей турбины) для получения требуемой выходной частоты наведенной ЭДС 50 Гц или 60 Гц будет:

При 50 Гц

Количество отдельных полюсов	2	4	8	12	24	36	48
Скорость вращения (об / мин)	3,000	1,500	250	167	125

При 60 Гц

Число отдельных полюсов	2	4	8	12	24
										(об / мин)	3,600	1,800	900	600	300	200	150

Таким образом, для данного s В синхронном генераторе, сконструированном с фиксированным числом полюсов, генератор должен приводиться в действие с фиксированной синхронной скоростью, чтобы поддерживать постоянную частоту наведенной ЭДС на требуемом уровне, 50 Гц или 60 Гц для питания сетевых устройств.Другими словами, частота создаваемой ЭДС синхронизирована с механическим вращением ротора.

Затем сверху мы можем видеть, что для генерации 60 Гц с использованием 2-полюсной машины ротор должен вращаться со скоростью 3600 об / мин, или для генерации 50 Гц с помощью 4-полюсной машины ротор должен вращаться со скоростью 1500 об / мин. мин. Для синхронного генератора, который приводится в действие электродвигателем или парогенератором, эта синхронная скорость может быть легко достигнута, однако при использовании в качестве синхронного генератора ветровой турбины это может быть невозможно, поскольку скорость и мощность ветра постоянно меняется.

Из нашего предыдущего руководства по проектированию ветряных турбин мы знаем, что все ветровые турбины выигрывают от ротора, работающего с оптимальным передаточным числом . Но чтобы получить TSR от 6 до 8, угловая скорость лопастей обычно очень мала, от 100 до 500 об / мин, поэтому, глядя на наши таблицы выше, нам потребуется синхронный генератор с большим количеством магнитных полюсов, например, 12 или выше.

Но кроме этого, потребуется некоторая форма механического ограничителя скорости, такая как бесступенчатая трансмиссия или вариатор, чтобы лопасти ротора вращались с постоянной максимальной скоростью для системы ветряных турбин с прямым приводом.Однако для синхронной машины, чем больше у нее полюсов, тем больше, тяжелее и дороже становится машина, что может быть приемлемым или неприемлемым.

Одним из решений является использование синхронной машины с небольшим числом полюсов, которая может вращаться с более высокой скоростью от 1500 до 3600 об / мин, приводимой в действие через коробку передач. Низкая скорость вращения лопастей ротора ветряных турбин увеличивается за счет редуктора, который позволяет скорости генератора оставаться более постоянной при изменении скорости лопастей турбины, поскольку изменение на 10% при 1500 об / мин представляет меньшую проблему, чем изменение на 10% при 100 об / мин.Этот редуктор может согласовывать частоту вращения генератора с регулируемой частотой вращения лопастей, обеспечивая работу с регулируемой скоростью в более широком диапазоне.

Однако использование коробки передач или шкивов требует регулярного технического обслуживания, увеличивает вес ветряной турбины, создает шум, увеличивает потери мощности и снижает эффективность системы, поскольку для привода зубчатых колес редуктора и внутренних компонентов требуется дополнительная энергия.

Использование системы прямого привода без механической коробки передач дает множество преимуществ, но отсутствие коробки передач означает более крупную синхронную машину с увеличением как размера, так и стоимости генератора, который затем должен работать на низких скоростях.Итак, как мы можем использовать синхронный генератор в низкоскоростной ветряной турбине, скорость лопастей ротора которой определяется только силой ветра. Путем выпрямления генерируемого трехфазного источника питания в источник постоянного или постоянного тока.

Синхронные генераторные выпрямители

Диодные выпрямители — это электронные устройства, используемые для преобразования переменного (переменного тока) в постоянный (постоянный ток). Выпрямляя выходную мощность синхронного генератора в источник постоянного тока, генератор ветровой турбины может работать на других скоростях и частотах, отличных от его фиксированной синхронной скорости.

Это позволяет преобразовывать выходную переменную частоту и переменное напряжение генератора в постоянное напряжение переменного уровня. Выпрямляя выход из переменного тока в постоянный, генератор теперь можно использовать как часть ветряных систем с подзарядкой аккумуляторов или как часть ветроэнергетической системы с регулируемой скоростью. Затем синхронный генератор переменного тока преобразуется в генератор постоянного тока.

Самый простой тип выпрямительной схемы использует схему диодного моста для преобразования переменного тока, генерируемого генератором, в переменный источник постоянного тока, амплитуда которого определяется скоростью вращения генератора.В этой схеме выпрямителя синхронного генератора, показанной ниже, трехфазный выход генератора выпрямляется до постоянного тока с помощью трехфазного выпрямителя.

Схема выпрямителя генератора

Принципиальная схема полномостового трехфазного выпрямителя переменного тока в постоянный показана выше. В этой конфигурации ветряная турбина может работать с генератором на частоте, не зависящей от синхронной частоты, поскольку изменение скорости генератора изменяет частоту генератора. Следовательно, можно изменять скорость генератора в более широком диапазоне и работать с оптимальной скоростью для получения максимальной мощности в зависимости от фактической скорости ветра.

Обратите внимание, что выходное напряжение трехфазного мостового выпрямителя не является чистым постоянным током. Выходное напряжение имеет уровень постоянного тока вместе с большим изменением переменного тока. Эта форма волны обычно известна как «пульсирующий постоянный ток», который можно использовать для зарядки аккумуляторов, но нельзя использовать в качестве удовлетворительного источника постоянного тока. Чтобы удалить эту пульсацию переменного тока, используется фильтр или схема сглаживания. В этих схемах сглаживания или схемах фильтров пульсаций используются комбинации индукторов и конденсаторов для создания плавного постоянного напряжения и тока.

При использовании как части системы, подключенной к сети, синхронные машины могут быть подключены к сети только тогда, когда их частота, фазовый угол и выходное напряжение такие же, как у сетей, другими словами, они вращаются синхронно. скорость, как мы видели выше. Но, выпрямляя их переменное выходное напряжение и частоту в постоянный источник постоянного тока, мы теперь можем преобразовать это постоянное напряжение в источник переменного тока правильной частоты и амплитуды, согласованный с сетью электросети, используя либо однофазный, либо трехфазный. фазоинвертор.

Инвертор — это устройство, которое преобразует электричество постоянного тока (DC) в электричество переменного тока (AC), которое может подаваться непосредственно в электрическую сеть, поскольку подключенные к сети инверторы работают синхронно с электросетью и производят идентичную электроэнергию. к электросети. Подключенные к сети синусоидальные инверторы для ветряных систем выбираются с входным диапазоном, который соответствует выпрямленному выходному напряжению турбины.

Тогда преимущество непрямого подключения к сети состоит в том, что ветряная турбина может работать с переменной скоростью.Еще одно преимущество выпрямления выходного сигнала генератора состоит в том, что ветряные турбины с синхронными генераторами, которые используют электромагниты в конструкции ротора, могут использовать этот постоянный ток для питания обмоток катушки вокруг электромагнитов в роторе. Однако недостатком непрямого подключения к сети является стоимость, поскольку системе требуется инвертор и два выпрямителя, один для управления током статора, а другой для генерации выходного тока, как показано ниже.

Схема синхронного генератора

Краткое содержание руководства

Синхронный генератор с фазным ротором уже используется в качестве ветрогенератора, но одним из основных недостатков синхронного генератора может быть его сложность и стоимость.Безредукторные генераторы с прямым приводом — это очень медленно вращающиеся синхронные генераторы с большим количеством полюсов для достижения их синхронной скорости. Генераторы с меньшим числом полюсов имеют более высокие скорости вращения, поэтому требуется коробка передач или трансмиссия, увеличивающая стоимость.

Синхронные генераторы вырабатывают электричество, основная выходная частота которого синхронизирована со скоростью вращения ротора. Генераторам, подключенным к сети, требуется постоянная фиксированная скорость для синхронизации с частотой электросети, и необходимо возбуждать обмотку ротора с помощью внешнего источника постоянного тока с помощью контактных колец и щеток.

Основным недостатком одной операции с фиксированной скоростью является то, что она почти никогда не улавливает энергию ветра с максимальной эффективностью. Энергия ветра тратится впустую, когда скорость ветра выше или ниже определенного значения, выбранного в качестве синхронной скорости.

В ветряных турбинах с регулируемой частотой вращения используются выпрямители и инверторы для преобразования переменного напряжения, переменной частоты на выходе синхронного генератора в фиксированное напряжение, фиксированную частоту 50 Гц или 60 Гц на выходе, требуемую энергосистемой общего пользования.Это позволяет использовать синхронные генераторы с постоянными магнитами, снижая их стоимость. Для низкоскоростных ветряных генераторов с прямым приводом генератор на постоянных магнитах является более конкурентоспособным, поскольку он может иметь большее число полюсов (60 или более полюсов) по сравнению с обычным синхронным генератором с фазным ротором.

В следующем руководстве по ветровой энергии и ветряным генераторам мы рассмотрим работу и конструкцию другого типа электрической машины, называемой индукционным генератором, также известной как «асинхронный генератор».Асинхронные генераторы также могут использоваться для производства электроэнергии переменного тока, подключенного к трехфазной сети.

Чтобы узнать больше о «Синхронных генераторах» или получить дополнительную информацию об энергии ветра о различных имеющихся ветроэнергетических системах, или изучить преимущества и недостатки использования синхронных генераторов как части системы ветряных турбин, подключенных к сети, щелкните здесь, чтобы получите копию одной из лучших книг по синхронным генераторам и двигателям прямо на Amazon.