Синхронный генератор: Принцип работы трехфазного генератора

Устройство синхронного генератора переменного тока, принцип работы

Электричество – вид энергии, который можно передавать на дальние расстояния, преобразовывать в механическую, тепловую энергию и трансформировать в световое излучение. Электроэнергию получают различными способами – химическим, тепловым, механическим, фотоэлектрическим.

Наиболее распространенный способ получения электроэнергии – механический, с использованием генераторов. Именно таким образом получают практически всю электрическую энергию, используемую в бытовых и производственных целях.

Генераторы, иначе называемые «электростанциями», бывают синхронными и асинхронными, одно- и трехфазными. Рассмотрим подробнее устройство и работу трехфазного электрогенератора, который может работать параллельно с другими электрогенераторами или централизованной электрической сетью.

 

В конструкцию синхронных электрических генераторов входят три основные детали:

• Ротор. Вращающийся элемент. Это биполярный электромагнит постоянного тока. Обмотка ротора соединяется с блоком управления через два щеточных узла.
• Статор. Неподвижный элемент. Витки статорной обмотки равномерно расположены по окружности. В однофазных машинах присутствует одна обмотка, в трехфазных – три, которые соединяются по схемам «звезда», «треугольник» или со сдвигом друг относительно друга на 120°.
• Блок управления.

 

Статор и ротор изготавливают из пластин электротехнических марок стали, которые хорошо проводят магнитный поток и плохо проводят электрические вихревые токи. Синхронные генераторы, имеющие явно полюсный ротор, используются для тихоходных машин, у которых скорость вращения не превышает 1000 оборотов в минуту, например установок с гидравлическими турбинами. Синхронные электрогенераторы с не явно полюсными роторами используются для механизмов, вращающихся с высокой скоростью – 1500-3000 об/минуту. Бывают двух- и четырехполюсными.

Принцип работы синхронного электрогенератора

Основные этапы:

• При вращении ротора двигателем внутреннего сгорания начинается вращение поля электромагнита.
• В результате вращения магнитного поля в статорной обмотке появляется переменное синусоидальное напряжение – одно- или трехфазное. Значение напряжения генерируемого тока зависит от скорости вращения ротора.
• Изменение электрической нагрузки синхронного генератора меняет механическую нагрузку на валу двигателя внутреннего сгорания. В свою очередь, это изменяет скорость вращения ротора, а значит, изменения величины напряжения и частоты. Избежать таких изменений параметров генерируемого электротока позволяет блок управления, который автоматически регулирует электрические характеристики через обратную связь.

 

Трехфазный синхронный генератор может работать в режиме генератора или в режиме двигателя. В первом случае в СГ входящей является механическая энергия, а выходящей – электрическая. Во втором случае – входящей является электрическая энергия, а выходящей – механическая.

 

Разновидности синхронных генераторов

 

Конкретная область применения определяет, какой вид синхронного генератора купить.

 

Производители предлагают электрогенераторы:

• Шаговые (импульсные). Применяются для приводов, работающих в режиме старт-стоп, или для устройств постоянного режима работы с импульсным сигналом управления.
• Безредукторы. Используются в автономных системах.
• Бесконтактные. Востребованы в качестве электростанций на речных и морских судах.
• Гистерезисные. Предназначены для установки в счетчиках времени, инерционных электрических приводах, системах автоматизированного руководства.
• Индукторные. Используются для оснащения электрических установок.

 

Области применения синхронных трехфазных генераторов переменного тока

 

Важная особенность синхронного генератора – возможность синхронизации с другими подобными электрическими машинами. Это свойство позволяет использовать эти машины в промышленной энергетике и при повышении нагрузок в час пик подключать резервные агрегаты.

 

Трехфазные генераторы применяют на:

• тепловозах с выпрямлением переменного тока полупроводниковыми элементами и других транспортных системах;
• мощных гидро-, тепловых электростанциях, атомных станциях, передвижных электростанциях;
• гибридных автомобилях с целью совмещения тяги ДВС и мощности тяговых электродвигателей.

 

Синхронные трехфазные генераторы могут использоваться в качестве электромоторов с мощностью более 50 кВт. В этом режиме ротор соединяют с источником постоянного тока, а статор подключают к трехфазному кабелю.

 

В каких случаях необходимо купить и использовать синхронный генератор?

 

Синхронный генератор переменного тока выбирают в следующих случаях:

• Если предъявляются высокие требования к постоянству параметров напряжения и частоты тока.
• При высокой вероятности перегрузок в переходном режиме потребителей с реактивной мощностью.
• При вероятности перегрузок в рабочем режиме, когда к генератору подключаются потребители как с активной, так и с реактивной мощностью.

 

Преимущества использования синхронных генераторов

 

Плюсы трехфазных синхронных генераторов:

• Способность выдерживать перегрузы в электросети, превышающие в три раза номинальное значение, и короткие замыкания.
• Более высокое качество генерируемой электроэнергии, по сравнению с асинхронными генераторами. Поэтому эти электрические машины используются для работы в комплексе с дорогостоящим оборудованием.
• Наличие автоматических регуляторов напряжения, регулирующих выпрямителей, которые защищают оборудование от перегруза и коротких замыканий и способны отключать электроустановки в случае возникновения аварийных ситуаций.

 

Современные электрические генераторы изготавливаются в соответствии с требованиями мировых стандартов качества и безопасности.

Принцип работы и устройство синхронного генератора переменного тока

Генератор (альтернатор) переменного тока предназначен для того, чтобы преобразовывать механическую энергию в электрическую. Его ротор вращается от первичного двигателя, в качестве которого может служить турбина, ДВС, электродвигатель.

Как выглядит синхронный генератор

К синхронным машинам относятся те, у которых ротор имеет одинаковую частоту вращения с магнитным полем:

n = 60∙f/p, где

f – частота сети;

p – количество пар полюсов статора.

Принцип работы

Статор и ротор – главные составные части синхронного генератора (СГ).

Принцип действия синхронного генератора

Как изображено на рисунке, синхронный генератор чаще всего вырабатывает энергию, когда ротор вращается вместе с магнитным полем, линии которого пересекают статорную обмотку, расположенную неподвижно. Поле создаётся от дополнительного возбудителя (дополнительного генератора, аккумулятора и др. источников).

Процесс может происходить наоборот – вращающийся проводник находится в неподвижном магнитном поле. Здесь появляется проблема токосъёма через коллекторный узел. Для генераторов переменного тока небольшой мощности эта схема вполне подходит. Обычно она применяется в передвижных установках.

В СГ вырабатывается ЭДС:

e = 2πBlwDn, где

B – магнитная индукция;

l – длина паза статора;

w – количество витков в статорной обмотке;

D – внутренний диаметр статора.

Основная электроэнергетика построена на напряжении 15-40 кВ. Передача энергии через коллектор СГ затруднительна. К тому же подвижная обмотка подвержена ударным нагрузкам и вращению с переменной скоростью, что создаёт проблемы с изоляцией. Из-за этого, обмотки якоря делают неподвижными, поскольку через них проходит основная энергия. Мощность возбудителя не превышает 5% от общей мощности СГ. Это позволяет проводить ток через подвижный узел.

В машинах переменного тока небольшой мощности (несколько киловатт) ротор изготавливают с постоянными магнитами (неодимовыми и др. ). Здесь не требуется установка подвижных контактов, но тогда возникают сложности с регулированием напряжения на выходе.

Устройство генератора

Статор имеет общий принцип действия с асинхронником и мало отличается от него. Его железо собирается из пластин электротехнической стали, разделённых изолирующими слоями. В пазах размещается обмотка переменного тока. Наиболее распространён трёхфазный синхронный генератор. Провода обмоток надёжно крепятся и изолируются, поскольку через них подключается нагрузка.

Ротор выполняется с явно выраженными полюсами или без выступающих полюсов.

Виды полюсов синхронного генератора: а) – выступающие; б – неявно выраженные

Первые делаются для тихоходных машин, например, с гидравлическими турбинами. Для вращающихся с большой скоростью генераторов переменного тока принцип действия заключается в применении более прочных неявно выраженных полюсов.

СГ может работать в режимах двигателя или генератора переменного тока. Важно, какой здесь применяется способ охлаждения. Обычно на валу устанавливаются крыльчатки, охлаждающие ротор с обеих сторон. Воздух перед вентиляцией проходит через фильтр. В замкнутой системе циркулирует один и тот же воздух, проходя через теплообменники.

Более эффективным охлаждающим агентом является водород, в 14,5 раз более лёгкий, чем воздух. Принцип охлаждения у него аналогичный.

Обмотки генератора переменного тока выводятся концами на его распределительную коробку. Для трёхфазных – соединение производится в звезду или в треугольник.

Синхронный генератор преимущественно обеспечивает поддерживание синусоидального переменного напряжения. Это достигается изменением формы полюсных наконечников, а неявнополюсный ротор имеет определённое расположение витков в его пазах.

Реакция якоря

При соединении выхода с внешней нагрузкой в обмотках статора протекает электрический ток. Образующееся магнитное поле накладывается на поле, которое создаёт ротор.

Реакция якоря при разных видах нагрузки

При активной нагрузке ток и ЭДС совпадают по фазам (изображено на рисунке выше – а). Он становится максимальным, если полюса ротора располагаются напротив якорных обмоток. Основной магнитный поток и образующийся от реакции якоря перпендикулярны и при наложении образуют несколько больший результирующий поток, увеличивающий ЭДС.

Индуктивная нагрузка приводит к снижению ЭДС, поскольку потоки направлены встречно (изображено на рисунке выше – б).

Ёмкостная нагрузка вызывает совпадение направлений потоков, в результате чего ЭДС увеличивается.

Увеличение нагрузки приводит к большей реакции якоря, приводящей к изменению выходного напряжения, что нежелательно. На практике этот процесс управляется изменением возбуждения, что снижает степень воздействия реакции якоря на основное поле.

Режимы работы СГ

Нормальные режимы работы характеризуются сколько угодно длительными периодами времени. В их число входят отклонения коэффициентов мощности, выходного напряжения до 5% и частоты до 2,5% от номиналов и т. п. Допуски на отклонения определяются нагревом агрегатов и задаются стандартами или гарантируются производителями.

А нормальные режимы функционирования неприемлемы для продолжительной работы и связаны с появлением перегрузок, с недовозбуждением, переходами в асинхронные режимы. Этот режим работы связан с отклонениями в сети: короткими замыканиями, нагрузками переменного действия, неравномерностью загрузки фаз.

На нормально работающее устройство оказывает влияние подключённая сеть, где нарушения функционирования отдельных потребителей вызывают несимметрию и искажения формы сигнала. Из-за этого могут перегреваться обмотки или конструкция генератора.

Продолжительная работа генератора возможна при различии фазных токов на турбогенераторах до 10% и до 20% на синхронных компенсаторах и гидрогенераторах.

Искажение синусоиды на СГ происходит из-за мощных выпрямителей, преобразователей, электротранспорта и т. д.

Важно для синхронных машин, чтобы нормально работала система охлаждения. Если затраты охлаждающей воды достигают 70% от номинала, срабатывает сигнализация предупреждения. Если расход охладителя снижается наполовину, устройство должно разгружаться за 2 мин, а затем отключаться не более чем за 4 мин.

Характеристики генератора:

1. при холостом ходе, когда обмотка якоря не замкнута, устанавливается зависимость ЭДС от токов возбуждения, а также определяется показатель намагничивания сердечников машины;
2. внешняя характеристика – зависимость выходного напряжения от нагрузочных токов;
3. регулировочные характеристики, проявляющиеся в зависимости токов возбуждения от нагрузочных при автоматическом поддерживании заданных выходных параметров.

Виды генераторов

Генераторы отличаются способами возбуждения. В автономных установках на транспорте, в авиации, на судах применяется самовозбуждение за счёт остаточного намагничивания. Способ отличается надёжностью и удобством применения. Распространённым вариантом здесь является отбор энергии от статорной обмотки, которая проходит через понижающий трансформатор и полупроводниковый преобразователь ПП, в результате чего на обмотку возбуждения через коллектор поступает постоянный ток (изображено на рисунке ниже – а).

Принцип самовозбуждения синхронного генератора

Другая схема реализует самовозбуждение также путём подачи переменного тока со статорной обмотки через выпрямительный трансформатор ВТ и тиристор ТП в обмотку возбуждения ОВ (изображено на рисунке выше – б). Тиристором автоматически управляет регулятор возбуждения АРВ по сигналам от входа генератора СГ через трансформаторы напряжения ТН и тока ТТ. Блок защиты БЗ не допускает образования на обмотке возбуждения повышенного напряжения и перегрузочного тока.

Другая конструкция содержит дополнительную синхронную или асинхронную машину с возбуждением от статорных обмоток. На рисунке ниже изображена такая система СГ с обмоткой возбуждения ОВ и трёхфазной обмоткой статора. При этом ротор основного генератора имеет общий вал с якорными обмотками возбуждения ОВ₁ и ОВ₂ дополнительного подвозбудителя ПВ. Ток возбуждения регулируется реостатами r₁ и r₂. Устройство не уступает по быстродействию установкам с самовозбуждением, но конструкция у него более сложная, а габариты больше.

Система возбуждения с дополнительным генератором

Применяется также бесконтактная система возбуждения, где у СГ нет подвижных контактов для передачи энергии. Щётки с коллектором имеют только подвозбудитель ПВ, который питает пост

Бесконтактная система возбуждения синхронного генератора

оянным током обмотку I возбудителя В.

 

Видео. Синхронные машины

Можно отметить следующие современные направления в развитии технологии производства синхронных машин:

• улучшение конструкций;
• использование новых материалов, позволяющих уменьшить толщину изоляции и повысить мощность до 10%;
• применения микропроцессоров для контроля состояния машин;
• совершенствование режимов воздушного охлаждения.

Оцените статью:

Устройство генератора тока | У электрика. ру

Приветствую всех на нашем сайте. Сегодня мы поговорим об устройстве генератора тока. Попробуем максимально охватить данную тему  и рассмотреть устройство  генераторов постоянного и переменного токов.

На самом деле, не совсем верно называть это устройство генератором именно переменного или постоянного тока, поскольку, ток возникает только в замкнутом контуре. В общем, в обмотках генератора возникает ЭДС, а не ток. Ток начинает протекать только тогда, когда к обмоткам подключается какой-либо потребитель. Однако, в этой статье мы будем пользоваться устоявшимися понятиями.

Какие бы ни были электрические генераторы основной их принцип – выработка электрической энергии за счёт вращения обмотки в магнитном поле. Это значит, что можно выделить два схематических вида генераторов: либо мы вращаем магнитное поле в неподвижном проводнике, либо вращаем проводник в неподвижном магнитном поле.

Содержание:

Устройство генератора переменного тока

Итак, относительно устройства генератора переменного тока и принципа его действия.

Наибольшее распространение получили генераторы переменного тока с неподвижным проводником. Обусловлено это тем, что ток возбуждения по отношению к току, который получают с генератора, небольшой. Если посмотрите на картинку, то увидите два кольца, по которым протекает ток обмотки возбуждения и это слабое звено любого генератора с обмоткой возбуждения. То есть, либо по кольцам через щётки мы подаем небольшой ток возбуждения, либо через кольца снимаем большой рабочий ток. В электричестве неподвижная часть генераторов или двигателей, на которой находится обмотка, называется статором. Подвижная часть может называться ротором или якорем.

Основные виды генераторов переменного тока

Видов генераторов довольно много. Попробуем классифицировать их по основным направлениям.

• По виду используемой энергии:
  • Энергия ветра
  • Энергия газа
  • Энергия жидкого топлива
  • Энергия тепла
  • Энергия воды
• По типу генератора:
  • Однофазный
  • Трёхфазный
  • Синхронный
  • Асинхронный
  • По количеству полюсов статорной обмотки

Есть и другие типы, но они менее распространены.

• По типу возбуждения:
  • Независимое возбуждение. В этом случае на одном валу с генератором переменного тока находится еще и генератор постоянного тока, который питает только обмотку возбуждения. Возбуждение в таком случае может выполняться и любым другим источником тока, например, аккумулятором.
  • Самовозбуждение. В этом случае, напряжение для обмотки возбуждения получают непосредственно с используемого генератора.
  • Возбуждение с помощью магнитов, которые располагаются на статоре или на якоре, что значительно упрощает устройство генератора, но с помощью такого способа получить мощные генераторы не получится.

Синхронный генератор : схема, устройство, принцип работы

Что значит синхронный по отношению к двигателю или генератору? Если совсем просто, то частота переменного тока жёстко зависит от скорости вращения ротора электрической машины и наоборот. Таким образом, можно относительно легко контролировать частоту переменного тока. Сам по себе синхронный генератор имеет ряд преимуществ, благодаря которым стал наиболее распространенным. Скажу вам по большому секрету, именно синхронные генераторы используются на всех станциях, где производят электричество.

Приводным двигателем (на схеме обозначен как ПД) может выступать любое вращающее устройство: двигатель, турбина, крыльчатка ветряной мельницы или водяного колеса. На одном валу с ПД находится ротор генератора с обмоткой возбуждения. На обмотку подается постоянное напряжение и вокруг обмотки образуется магнитное поле. Когда ротор вращается, в обмотках статора возникает ЭДС, то есть появляется напряжение, только уже переменное, частота которого зависит от скорости вращения ротора n

1 и количества пар полюсов p. Частоту ЭДС можно высчитать по формуле.

Асинхронный генератор: схема, устройство, принцип работы

Устройство асинхронного генератора

Асинхронный генератор, это, по сути, асинхронный двигатель. То есть, любой асинхронный двигатель можно перевести в режим генерации энергии и наоборот. Конструктивно, устройство, которое называют генератором, выполнено таким образом, чтобы иметь хорошее охлаждение. Глубоко останавливаться на принципе действия асинхронных машин не будем, но вкратце расскажу, почему их называют асинхронными на примере двигателя.

Когда на обмотки статора подается напряжение, образуется магнитное поле, у трёхфазных двигателей оно круговое, у однофазных эллипсообразное, стремящееся к круговому. Магнитное поле начинает пересекать витки обмотки статора. В короткозамкнутой обмотке ротора возникает ЭДС, то есть напряжение, а поскольку обмотка короткозамкнутая, по ней начинает протекать ток, который тоже создает магнитное поле. Взаимодействие этих магнитных полей приводит ротор в движение. Что будет, если скорость ротора станет равна скорости магнитного поля, создаваемого статором? Правильно, магнитное поле статора перестанет пересекать обмотку ротора. Это можно сравнить с тем, что две машины двигаются на одинаковой скорости. Вроде бы машины двигаются, но при этом по отношению друг к другу они словно стоят на месте, просто земля с большой скоростью проносится под машинами. Так вот, как только скорость ротора и скорость магнитного поля статора станут одинаковыми, в обмотке ротора перестанет вырабатываться ЭДС, прекратится взаимодействие магнитных полей статора и ротора и ротор начнёт останавливаться. Поэтому скорость вращения ротора асинхронного двигателя всегда несколько меньше скорости вращения магнитного поля статора и эта величина называется скольжение.

Так вот, чтобы асинхронный двигатель стал генератором, надо определить скольжение и увеличить скорость вращения ротора на эту величину. Допустим, мы имеем однополюсный трехфазный асинхронный двигатель со скоростью вращения вала 2800 оборотов. Если бы такой двигатель был синхронным, скорость вращения составила бы 3000 оборотов. То есть скольжение составляет 200 оборотов в минуту. Это значит, что если мы начнём вращать ротор со скоростью 3200 оборотов в минуту, то двигатель перейдёт в генераторный режим и будет уже не потреблять, а вырабатывать ЭДС.

Сложность применения таких генераторов в том, что они подвержены провалам. Например, если включить активную нагрузку (лампочку накаливания или нагреватель), пусковой ток будет небольшим. Значительной перегрузки не произойдет, и генератор будет работать стабильно. Если же включить реактивную нагрузку, например, двигатель, то будет большой пусковой ток, превышающий номинальный в 5-20 раз, который «провалит» генератор, то есть вызовет резкое падение напряжения на обмотках генератора. После такого провала асинхронный генератор снова нужно возбуждать. Так что, простота асинхронного генератора перевешивается серьезным недостатком.

Ну и еще нужна конденсаторная установка для возбуждения короткозамкнутой обмотки ротора. Если подобрать неверно ёмкость конденсаторов, то в случае «недобора» от генератора мы получим меньше тока, а в случае «перебора», наш генератор будет сильно перегреваться.

Схемы подключения

Собственно, даже не схемы включения, а варианты. Их, как правило, три:

• Автоматическое включение. В этом случае устанавливается специальный блок аварийного включения. Как только отключают напряжение в сети, блок подаёт команду на запуск генератора и переключает сеть с внешнего источника питания, на генераторную установку.
• Ручное включение. В этом случае, пользователь сам проводит операцию переключения с внешнего источника питания на генераторную установку и вручную запускает генератор.
• Синхронная работа. Такой режим, в основном используется на крупных станциях, генераторы которых объединены в одну сеть. Все генераторы этой сети работают синхронно, с одной частотой, с одной очерёдностью фаз и с одинаковым напряжением на обмотках статора.

Однофазный генератор

Здесь я подробно останавливаться не буду. Такие устройства сейчас можно встретить в любом магазине инструментов. Если однофазный генератор используется как запасной источник электроэнергии, то подключается к домовой сети, как правило, посредством рубильника. То есть, одновременно внешний источник питания и генератор на одну сеть не могут – либо то, либо другое. Во-первых, незачем, во-вторых, это сильно усложнило бы и увеличило стоимость бытовых генераторов. Единственное, на чём могу здесь остановиться, это включение однофазного генератора в трёхфазную сеть.

Включение однофазного генератора в трёхфазную сеть

Однако у такого метода есть свой недостаток. Трёхфазные двигатели в такой сети работать не будут, если же их включить, то очень быстро нагреются и выйдут из строя.

Трехфазный генератор

Трёхфазные генераторы могут быть бытовыми и промышленными. Устройство генератора трёхфазного тока в бытовом варианте практически ничем не отличается от однофазного, как и схема включения. Единственное условие при включении бытового генератора в сеть, если в такой сети имеются трёхфазные двигатели – соблюдать очередность фаз. В случае же, если нагрузка в доме однофазная, то такой предосторожностью можно пренебречь.

Устройство генератора трёхфазного тока в промышленном варианте – это устройство, оснащенное автоматическим пуском и иногда может быть оснащено устройством синхронизации. Подключение таких генераторов лучше доверить специалистам.

Ну а бытовой генератор точно так же, как и однофазный включается в сеть через рубильник. Следовательно, в зависимости от положения рубильника работает либо внешний источник питания, либо генератор.

Устройство генератора постоянного тока

Чтобы узнать, что такое генератор постоянного тока, устройство и принцип действия вернёмся немного назад. Мы уже выяснили, как работает генератор переменного тока. Давайте подробнее рассмотрим процесс возникновения ЭДС. Поскольку ротор вращается, у нас есть цикл равный одному обороту ротора или 360°. Давайте узнаем, что происходит в этом цикле:

• 0° — ЭДС =0
• 90° — ЭДС достигает максимального значения со знаком «+»
• 180° — ЭДС снова равна 0
• 270° — ЭДС достигает пикового значения со знаком «-»

Как же сделать так, чтобы не менялась полярность напряжения? Великие умы придумали следующее – применить коллектор, то есть, снимать напряжение только нужной полярности. Помните, мы говорили, что в генераторе переменного тока, рабочей является обмотка статора, а на роторе находится обмотка возбуждения. Так вот, в генераторе постоянного тока напряжение снимается только с ротора, который называется якорем.

Схема генератора постоянного тока

Если такой генератор будет иметь только одну пару полюсов, как на картинке, то мы получим пульсирующее постоянное напряжение, где частота будет в два раза больше скорости вращения. То есть, если скорость вращения будет 50 оборотов в секунду, то частота пульсации будет 100 Гц. Чтобы снизить пульсацию напряжения увеличивают количество пар полюсов.

С момента изобретения генератора постоянного тока схематично и по принципу действия он практически не изменился, изменилась лишь технология изготовления и сейчас он выглядит так:

Основные виды генераторов постоянного тока

В настоящее время набирают популярность двигатели постоянного тока без коллектора. Возможен ли вариант бесколлекторного генератора? К сожалению, пока решить эту задачу не удалось. Так что, если вы где-то увидите название «Бесколлекторный генератор постоянного тока», знайте, что это генератор переменного тока с выпрямительным блоком.

По этой причине, генераторы постоянного тока характеризуют только по типу возбуждения:

1. Генераторы, возбуждаемые магнитами. Большую мощность такие генераторы развить не могут, поэтому нашли применение только там, где требуются небольшие мощности. Ну и, конечно же, применение магнитов ощутимо удешевляет стоимость таких генераторов.
2. Независимое возбуждение. Точно так же, как и у генераторов переменного тока, для возбуждения применяется внешний источник питания, не связанный с генератором.
3. Зависимое возбуждение, которое делится на три типа:
   • Параллельное возбуждение. Как можно понять из названия, обмотка возбуждения в таком генераторе подключена параллельно обмотке якоря. Иногда такой вид возбуждения называют шунтовый.
   • Последовательное возбуждение. Здесь обмотка возбуждения подключается как гирлянда, последовательно обмотке якоря. Такой вид иногда называют сериесным.
   • Смешанное возбуждение или компаундное. Обмотка возбуждения таких генераторов состоит из двух частей, первая подключается шунтовым методом, вторая сериесным.

Генераторы с независимым возбуждением: схема, устройство, принцип работы

Схема генератора независимого возбуждения

Принцип работы этого генератора довольно прост. Однако простота генератора является его же недостатком – он требует внешнего независимого источника питания. Якорь генератора разгоняют до необходимой скорости, затем с помощью реостата начинают возбуждать генератор. На обмотках якоря возникает ЭДС и при подключении нагрузки начинает протекать ток.

Нагрузочная способность такого генератора очень хорошая. Как правило, разница между напряжением холостого хода, когда нагрузка не подключена и напряжением при номинальной нагрузке генератора, когда потребитель загружает полностью – составляет всего 5-10%.

Преимущество генератора с независимым возбуждением ещё и в том, что его можно запускать под нагрузкой, то есть, с присоединенными электроприборами.

Генераторы с параллельным возбуждением: схема, устройство, принцип работы

Схема генератора параллельного возбуждения

У генератора с параллельным включением обмотки возбуждения, в принципе, тоже неплохие нагрузочные характеристики, хотя и несколько хуже, чем у схем с независимым возбуждением – 10-30%. У схем с зависимым возбуждением есть одна особенность, для того, чтобы произошло возбуждение, металл генератора должен иметь остаточную намагниченность. Достаточно 2-3% остаточной намагниченности чтобы запустился процесс самовозбуждения. Конечно же, при этом направление обмотки возбуждения должно совпадать с направлением поля остаточной намагниченности.

Якорь генератора раскручивают до номинальных оборотов, за счет остаточного намагничивания происходит самовозбуждение, то есть, в контуре генератор-обмотка возбуждения появляется ЭДС, появляется небольшой ток. Он увеличивает ЭДС, следовательно, ток снова увеличивается и так происходит до тех пор, пока не будет достигнут баланс между падением напряжения в обмотке генератора и падением напряжения в обмотке возбуждения.

В работе генератора есть одна особенность. Если плавно увеличивать нагрузку вплоть до короткого замыкания, то в какой-то момент мощность генератора достигнет пиковых значений, затем пойдет на спад. По сути, если в момент номинальной загрузки генератора устроить короткое замыкание, то ничего страшного не произойдет. Но если это сделать при небольшой нагрузке, то ток короткого замыкания достигает критических значений 8-10 I_н, а значит, такие генераторы крайне настоятельно рекомендуется защищать от короткого замыкания любым доступным способом.

Такие генераторы получили наибольшее распространение, поскольку не требуют внешних источников питания, имеют неплохую нагрузочную способность и позволяют контролировать ток возбуждения.

Генераторы с последовательным возбуждением: схема, устройство, принцип работы

Схема генератора последовательного возбуждения

Поскольку ток обмотки возбуждения в данном случае равен току в цепи, а значит, достигает больших значений, обмотка возбуждения выполняется толстым проводом и имеет меньшее количество витков, чем в предыдущих двух схемах. Принцип работы такой же, как и у предыдущей схемы. Обмотка и поле остаточной намагниченности должны совпадать по направлению. При раскручивании якоря до номинальной частоты возникает ЭДС, поднимается ток и дальше по нарастающей, пока не будет достигнут баланс.

Но здесь есть один небольшой нюанс. Ток обмотки возбуждения изменяется от тока нагрузки, и регулировать ток возбуждения возможности нет. А это приводит к тому, что очень сильно изменяется и напряжение. Здесь мы получаем самый настоящий генератор тока, а не напряжения. Именно поэтому область применения генератора с последовательным возбуждением сильно ограничена.

Генераторы со смешанным возбуждением: схема, устройство, принцип работы

Схема генератора со смешанным возбуждением

На этом типе соединения нужно остановиться подробнее. У нас есть две обмотки, а значит, их можно включать как согласованно, так и встречно. Здесь я приведу график внешних характеристик  такого генератора, и мы по ним пройдемся.

График внешних характеристик генератора постоянного тока со смешанным возбуждением

Итак, раскручиваем якорь до номинальных оборотов. Остаточная намагниченность возбуждает параллельную обмотку, генератор выходит на рабочий режим. Теперь, если мы подключим нагрузку, при этом последовательная обмотка включена согласованно, то возникает дополнительный ток возбуждения. Последовательная обмотка становится, как бы, поддерживающей или опорной. Этот вид включения, если последовательная обмотка была рассчитана, как компенсирующая, позволяет довольно жестко поддерживать напряжение в заданных пределах. На графике это очень хорошо видно по кривой №1.

Если требуется получить некий запас напряжения, например, генератор находится на значительном удалении от потребителя и требуется учесть потери на кабельных линиях, то в последовательной катушке возбуждения увеличивают количество витков. Тем самым, мы получаем более крутую внешнюю характеристику, но поддержание напряжения на номинальных нагрузках остается по-прежнему жестким. Это видно по кривой №2.

Для сравнения, кривая №3 показывает внешнюю характеристику генератора только с параллельным возбуждением.

Так зачем же требуется встречное включение катушек возбуждения? Если вы посмотрите на кривую №4, то можете догадаться, что в случае короткого замыкания, ток возрастает до определенного момента, затем начинает падать. Из графика видно, что ток не достигает даже номинального значения, то есть, примерно 0,7 I_н. В таком варианте включения обмоток генератор без риска повреждения можно использовать для частых коротких замыканий, например сварочные работы.

К сожалению, у всех схем, где используется зависимое возбуждение, есть один существенный недостаток. Поскольку это трудно назвать возбуждением, скорее это самовозбуждение, то запускать такие генераторы вместе с нагрузкой не представляется возможным. Как я уже говорил выше, возбуждение происходит за счёт остаточного намагничивания, которое составляет буквально 2-3%. А значит, если к выводам генератора будет подключена нагрузка, ток будет стремиться по пути наименьшего сопротивления, то есть самой нагрузки. Другими словами, вместе с нагрузкой тока будет недостаточно для формирования магнитного поля.

Думаю, на этом можно закончить ознакомительную статью по генераторам переменного и постоянного тока.

Поделиться ссылкой:

Похожее

Для чего нужны синхронные генераторы

  Синхронные генераторы — основной источник электричества вырабатываемого на электростанциях самой разной номинальной мощности. Именно синхронные двигатели в свою очередь стали использоваться в качестве синхронных генераторов повсеместно. Ведь на практике именно синхронный генератор имеет определённые возможности к регулированию вырабатываемой мощности. Зачастую данное значение регулирования не такое уж и большое, но оно позволяет сглаживать броски, возникающие в энергосистеме, ведь на практике добавить количество пара на электростанциях достаточно проблематично. Именно поэтому в определённые моменты увеличивают возбуждение индуктора. Что в свою очередь влияет на количество произведённой электрической энергии.

  Синхронные генераторы, используемые в промышленном изготовлении электричества, зачастую выпускаются двух типов, это с явнополюсным и неявнополюсным индуктором. Основное отличие заключается только по конструкции электростанции и используемого рабочего тела на турбине. От привычных синхронных электродвигателей мощные генераторы отличаются только тем, что индуктор зачастую является обмоткой статора. И это только в тех случаях, когда в турбине непосредственно установлен синхронный генератор. Данная конструкция в большей степени применима только на ГЭС с небольшим перепадом водного плеса.

  Гидроэлектростанции (ГЭС) с небольшим перепадом уровней воды используют тихоходные синхронные генераторы с явнополюсным индуктором (якорем). В то время на ГЭС где перепад высот на плотине достаточно большой используются быстроходные синхронные генераторы с неявнополюсным индуктором. На ТЭЦ, ТЭС и АЭС где рабочим телом является перегретый пар, используются синхронные генераторы с неявнополюсным индуктором. Так как при такой схеме построения электростанции использование тихоходных электрогенераторов нерационально и технически невозможно. Тихоходными генераторами на основе синхронных двигателей с явнополюсным индуктором пользуются в современных ветроэлектростанциях, когда обороты лопастей ветряной установки исчисляются даже не сотнями, а десятками или единицами оборотов в минуту. Так в таких ветроэлектростанциях есть возможность реализовать весь потенциал кинетической энергии ветра без дополнительного редуктора. А регулирование происходит как за счёт изменение ометания лопастей ветрогенератора, а также за счёт изменения возбуждения в индукторе, что также влияет на выработку электрической энергии.

  Альтернативы синхронным генераторам в настоящее время просто нет, особенно на мощных электростанциях. Ведь это проверенный десятилетием способ получения электрической энергии, от которого нельзя отказаться даже в современном мире преобладания силовой электроники. Использовать асинхронные генераторы нерационально, так как для их функционирования необходимо иметь в статоре мощные конденсаторные батареи. Что увеличивает стоимость введения в эксплуатацию электростанций функционирующих на асинхронных генераторах.

 

Синхронный генератор

Конструкция и принцип работы

Электрическая машина может быть определена как устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую или механическую энергию в электрическую. Электрический генератор можно определить как электрическую машину, преобразующую механическую энергию в электрическую. Электрический генератор обычно состоит из двух частей; статор и ротор. Существуют различные типы электрических генераторов, такие как генераторы постоянного тока, генераторы переменного тока, автомобильные генераторы, электрические генераторы с питанием от человека и т. Д.В этой статье давайте обсудим принцип работы синхронного генератора.

Синхронный генератор

Вращающиеся и неподвижные части электрической машины могут называться ротором и статором соответственно. Ротор или статор электрических машин действует как элемент, производящий энергию, и называется якорем. Электромагниты или постоянные магниты, установленные на статоре или роторе, используются для создания магнитного поля электрической машины. Генератор, в котором постоянный магнит используется вместо катушки для создания поля возбуждения, называется синхронным генератором с постоянными магнитами или также просто синхронным генератором.

Конструкция синхронного генератора

В общем, синхронный генератор состоит из двух частей: ротора и статора. Роторная часть состоит из полюсов возбуждения, а статорная часть состоит из проводов якоря. Вращение полюсов поля в присутствии проводников якоря индуцирует переменное напряжение, которое приводит к выработке электроэнергии.

Конструкция синхронного генератора

Скорость полюсов возбуждения является синхронной скоростью и определяется по формуле

, где «f» указывает частоту переменного тока, а «P» указывает количество полюсов.

Принцип работы синхронного генератора

Принцип работы синхронного генератора — электромагнитная индукция. Если существует относительное движение между потоком и проводниками, то в проводниках индуцируется ЭДС. Чтобы понять принцип работы синхронного генератора, давайте рассмотрим два противоположных магнитных полюса, между которыми расположена прямоугольная катушка или виток, как показано на рисунке ниже.

Прямоугольный проводник, помещенный между двумя противоположными магнитными полюсами

Если прямоугольный виток вращается по часовой стрелке против оси ab, как показано на рисунке ниже, то после завершения поворота на 90 градусов стороны проводника AB и CD оказываются перед S-полюсом и N-полюс соответственно.Таким образом, теперь можно сказать, что касательное движение проводника перпендикулярно линиям магнитного потока от северного полюса к южному.

Направление вращения проводника перпендикулярно магнитному потоку

Итак, здесь скорость отсечения магнитного потока проводником является максимальной и индуцирует ток в проводнике, направление индуцированного тока можно определить с помощью правила правой руки Флеминга. Таким образом, мы можем сказать, что ток будет проходить от A к B и от C к D. Если проводник повернуть по часовой стрелке еще на 90 градусов, то он перейдет в вертикальное положение, как показано на рисунке ниже.

Направление вращения проводника параллельно магнитному потоку

Теперь положения проводника и линий магнитного потока параллельны друг другу, и, таким образом, поток не режется, и ток не индуцируется в проводнике. Затем, пока проводник поворачивается от часовой стрелки еще на 90 градусов, прямоугольный поворот переходит в горизонтальное положение, как показано на рисунке ниже. Таким образом, проводники AB и CD находятся под N-полюсом и S-полюсом соответственно. Применяя правило правой руки Флеминга, ток индуцируется в проводнике AB от точки B до A, а ток индуцируется в проводнике CD от точки D до C.

Итак, направление тока может быть указано как A — D — C — B, а направление тока для предыдущего горизонтального положения прямоугольного поворота — A — B — C — D. Если виток снова повернуть в вертикальное положение, затем индуцированный ток снова уменьшается до нуля. Таким образом, за один полный оборот прямоугольного витка ток в проводнике достигает максимума и уменьшается до нуля, а затем в обратном направлении он достигает максимума и снова достигает нуля. Следовательно, один полный оборот прямоугольного витка вызывает одну полную синусоидальную волну тока, индуцированную в проводнике, что можно назвать генерацией переменного тока путем вращения витка внутри магнитного поля.

Теперь, если мы рассматриваем практический синхронный генератор, то полевые магниты вращаются между неподвижными проводниками якоря. Ротор синхронного генератора и вал или лопатки турбины механически связаны друг с другом и вращаются с синхронной скоростью. Таким образом, резка магнитного потока создает наведенную ЭДС, которая вызывает протекание тока в проводниках якоря. Таким образом, для каждой обмотки ток течет в одном направлении в течение первого полупериода, а ток течет в другом направлении во втором полупериоде с запаздыванием по времени в 120 градусов (поскольку они смещены на 120 градусов).Следовательно, выходная мощность синхронного генератора может быть показана на рисунке ниже.

Вы хотите узнать больше о синхронных генераторах и заинтересованы в разработке проектов электроники? Не стесняйтесь делиться своими взглядами, идеями, предложениями, запросами и комментариями в разделе комментариев ниже.

Электрические машины — Генераторы — Описание и применение

Первичный источник всей электроэнергии в мире вырабатывается трехфазными синхронными генераторами, использующими машины с номинальной мощностью до 1500 МВт или более.Хотя разнообразие электрических генераторов не так велико, как большое разнообразие доступных электродвигателей, они подчиняются сходным правилам проектирования, и большинство принципов работы, используемых в электродвигателях различных классов, также применимы к электрическим генераторам. Подавляющее большинство генераторов — это машины переменного тока (генераторы переменного тока) с меньшим количеством генераторов постоянного тока (динамо).

Для большинства генераторов требуется какой-то способ управления выходным напряжением, а в случае машин переменного тока — метод управления частотой.Регулирование напряжения и частоты обычно осуществляется в очень больших машинах, несущих очень высокие токи, путем управления возбуждением генератора и скоростью первичного двигателя, который приводит в действие генератор.

Как и в случае с электродвигателями, максимальная мощность генератора определяется его максимально допустимой температурой.

Регулировка напряжения и частоты верна для незначительных отклонений в выходной мощности генератора, как указано выше, но большие изменения в нагрузке (токе) могут быть компенсированы только путем регулировки крутящего момента первичного двигателя, приводящего в действие генератор, поскольку обычно в электрических машинах пропорционально току или наоборот.

Стационарный полевой синхронный генератор переменного тока

В генераторе стационарного поля статор в виде фиксированных постоянных магнитов (или электромагнитов, питаемых постоянным током) создает магнитное поле, и ток генерируется в обмотках ротора.

Когда катушка ротора вращается с постоянной скоростью в поле между полюсами статора, ЭДС, генерируемая в катушке, будет приблизительно синусоидальной, фактическая форма волны зависит от размера и формы магнитных полюсов.Пиковое напряжение возникает, когда движущийся проводник проходит центральную линию магнитного полюса. Он уменьшается до нуля, когда проводник находится в пространстве между полюсами, и увеличивается до пика в противоположном направлении, когда проводник приближается к центральной линии противоположного полюса магнита. Частота сигнала прямо пропорциональна скорости вращения. Величина волны также пропорциональна скорости до тех пор, пока магнитная цепь не насыщается, когда скорость увеличения напряжения, когда скорость увеличивается, резко замедляется.

• Скорость и частота генератора

Выходная частота пропорциональна количеству полюсов на фазу и скорости ротора так же, как синхронный двигатель. См. Таблицу скорости двигателя.

Выход переменного тока, генерируемый в роторе, может быть подключен к внешним цепям через контактные кольца и не требует коммутатора.

Типичное применение — портативные генераторы переменного тока с выходной мощностью до 5 киловатт.

Небольшие недорогие устройства, такие как домашние ветряные генераторы, обычно предназначены для работы на высокой скорости. Для заданных требований к мощности чем выше скорость, тем ниже требуемый крутящий момент. Это означает, что генератор может быть меньше и легче. Кроме того, высокоскоростному генератору требуется меньше полюсов, что упрощает конструкцию и снижает затраты.

Синхронный генератор переменного тока с вращающимся полем

Допустимая мощность щеточной машины обычно ограничена пропускной способностью токопроводящих колец в машине переменного тока (или даже в большей степени коммутатором в машине постоянного тока). Поскольку ток нагрузки генератора обычно намного выше, чем ток возбуждения, обычно желательно использовать ротор для создания поля и отключения питания генератора от статора, чтобы минимизировать нагрузку на контактные кольца.

Путем замены неподвижных и подвижных элементов в приведенном выше примере создается генератор вращающегося поля, в котором вместо этого создается ЭДС в обмотках статора. В этом случае, в простейшей форме, поле создается постоянным магнитом (или электромагнитом), который вращается внутри фиксированной проволочной петли или катушки в статоре. Движущееся магнитное поле из-за вращающегося магнита ротора затем вызовет синусоидальный ток, протекающий в неподвижной катушке статора, когда поле движется мимо проводников статора.Если поле ротора обеспечивается электромагнитом, ему потребуется возбуждение постоянного тока, подаваемого через контактные кольца. Коммутатор не нужен.

Если вместо одной катушки используются три независимые катушки или обмотки статора, разнесенные на 120 градусов по периферии машины, то на выходе этих обмоток будет трехфазный переменный ток.

• Генератор обмоток серии

Классифицируются как генераторы с постоянной частотой вращения, они плохо регулируют напряжение и мало используются.

• Шунтирующий генератор

Классифицируется как генератор постоянного напряжения, выходным напряжением можно управлять путем изменения тока возбуждения. У них достаточно хорошее регулирование напряжения во всем диапазоне скоростей машины.

• Бесщеточное возбуждение

Машины с вращающимся полем используются на электростанциях большой мощности в большинстве национальных электросетевых систем мира.Мощность возбуждения поля, необходимая для этих огромных машин, может достигать 2,5% выходной мощности (25 кВт в генераторе 1,0 МВт), хотя она уменьшается по мере увеличения эффективности с увеличением размера, так что генератору 500 МВт требуется 2,5 МВт (0,5% ) мощности возбуждения. Если напряжение возбуждения составляет 1000 Вольт, требуемый ток возбуждения будет 2500 Ампер. Обеспечение такого возбуждения с помощью контактных колец является технической проблемой, которую удалось преодолеть путем выработки необходимой мощности внутри самой машины с помощью пилотного трехфазного стационарного генератора поля на том же валу.Переменный ток, генерируемый в обмотках пилотного генератора, выпрямляется и подается непосредственно на обмотки ротора для возбуждения основной машины.

• Охлаждение
  КПД очень большого генератора может достигать 98% или 99%, но для генератора мощностью 1000 МВт потеря эффективности всего на 1% означает, что необходимо рассеять 10 мегаватт потерь, в основном в виде тепла.Чтобы избежать перегрева, необходимо принимать специальные меры предосторожности при охлаждении, и обычно одновременно используются два вида охлаждения. Охлаждающая вода циркулирует по медным стержням в обмотках статора, а водород проходит через корпус генератора. Водород имеет то преимущество, что его плотность составляет всего около 7% от плотности воздуха, что приводит к меньшим потерям на ветер из-за того, что ротор взбивает воздух в машине, а его теплоемкость в 10 раз больше, чем у воздуха, что обеспечивает превосходную способность отвода тепла.

Генераторы переменного тока с постоянными магнитами

Меньшие версии обеих вышеперечисленных машин могут использовать постоянные магниты для создания магнитного поля машины, и, поскольку для создания поля не используется энергия, это означает, что машины проще и эффективнее. Однако недостатком является то, что нет простого способа управления такими машинами. Синхронные генераторы с постоянными магнитами (PMSG) обычно используются в недорогих «генераторных установках» для обеспечения аварийного питания.

Выходное напряжение и частота генератора с постоянными магнитами пропорциональны скорости вращения, и хотя это не может быть проблемой для приложений, работающих от механических приводов с фиксированной скоростью, многие приложения, такие как ветряные турбины, требуют фиксированного напряжения и частоты на выходе, но приводятся в действие первичными двигателями с регулируемой скоростью. В этих случаях могут потребоваться сложные системы управления с обратной связью или внешнее регулирование мощности для обеспечения желаемого стабилизированного выхода.

Обычно выходной сигнал выпрямляется, и изменяющееся выходное напряжение подается через промежуточный контур постоянного тока на повышающий стабилизатор, который обеспечивает фиксированное напряжение, соединенное с инвертором, который обеспечивает выход фиксированной частоты.

Генераторы переменного / переключаемого сопротивления

Генератор, аналогичный по конструкции реактивному электродвигателю, представляет собой машину с двумя выступами без магнитов и щеток.Поскольку инертные железные полюса ротора генератора сопротивления движутся мимо полюсов статора, изменяющееся сопротивление магнитной цепи генератора сопровождается соответствующим изменением индуктивности полюсов статора, что, в свою очередь, вызывает индуцирование тока в обмотки статора. Таким образом, на каждом полюсе статора появляется импульсный сигнал. В многофазных машинах выходные сигналы каждой фазы подаются на преобразователь, который последовательно включает каждую фазу в звено постоянного тока, чтобы обеспечить напряжение постоянного тока.Система требует определения положения на валу ротора для управления синхронизацией срабатывания переключателей преобразователя. Эти датчики положения также позволяют контролировать ток, изменяя углы включения и выключения выходного тока в зависимости от положения ротора. Как и в случае с генератором на постоянных магнитах, понижающие-повышающие регуляторы также используются для управления выходом.

К сожалению, машина не является самовозбуждающей по своей природе, и для запуска были приняты различные методы, в том числе обеспечение постоянного тока возбуждения от резервной батареи через обмотки статора во время запуска или использование небольших постоянных магнитов, встроенных в некоторые полюсов ротора.

• Характеристики

Компактная, прочная конструкция.

Работа с переменной скоростью.

Фазы генератора полностью независимы.

Недорого в производстве.

Поскольку они имеют простые инертные роторы без обмоток или встроенных магнитов, они могут приводиться в движение с очень высокой скоростью и могут работать в условиях высоких температур окружающей среды.

Подходит для конструкций мощностью до мегаватт и скоростью более 50 000 об / мин.

• Приложения

Системы привода гибридных электромобилей (HEV), автомобильные стартер-генераторы, вспомогательная электроэнергетика для самолетов, ветряные генераторы, высокоскоростные газотурбинные генераторы.

См. Также Встроенный стартер-генератор

Индукционные генераторы

Асинхронные генераторы — это, по сути, асинхронные двигатели, скорость вращения которых немного превышает синхронную скорость, связанную с частотой питания.См. Объяснение того, как работают асинхронные двигатели на странице Двигатели переменного тока. Однако индукционные генераторы не имеют средств производства или генерации напряжения, если они не подключены к внешнему источнику возбуждения. Конструкция с короткозамкнутым ротором используется для малой энергетики, потому что она проста, прочна и недорога в производстве.

Как и в случае с асинхронным двигателем, когда катушки статора многофазного индукционного генератора подключены к сети переменного тока, под действием трансформатора напряжение индуцируется в обмотках ротора или проводящих стержнях ротора с короткозамкнутым ротором частота этого индуцированного напряжения в роторе равна частоте приложенного напряжения статора.Когда отдельные обмотки ротора закорочены или соединены друг с другом через внешний импеданс (проводящие стержни ротора с короткозамкнутым ротором уже замкнуты накоротко), через катушки протекает большой ток, создающий магнитное поле, которое по закону Ленца имеет полярность, противоположную полю статора. Это заставляет ротор вращаться, увлекаемый магнитным притяжением за вращающимся полем, создаваемым статором. Величина крутящего момента на роторе зависит от величины относительной скорости между вращающимся ротором и вращающимся полем, создаваемым статором, обычно называемым скольжением.Таким образом, ротор ускоряется до синхронной скорости, установленной частотой питания сети, достигая максимума, когда величина индуцированного тока ротора и крутящего момента уравновешивают приложенную нагрузку, в то же время частота токов, индуцируемых в роторе. обмотки уменьшены, чтобы соответствовать частоте скольжения. Но чем быстрее вращается ротор, тем меньше результирующая относительная разница скоростей между обоймой ротора и вращающимся полем статора или скольжение, и, следовательно, напряжение, индуцированное в обмотке ротора.Когда ротор приближается к синхронной скорости, его крутящий момент уменьшается в соответствии с проскальзыванием, уменьшая ускорение, поскольку ослабляющее магнитное поле ротора недостаточно для преодоления потерь на трение ротора в режиме холостого хода. В результате ротор продолжает вращаться медленнее, чем синхронная скорость. Это означает, что в моторном режиме асинхронная машина никогда не сможет достичь своей синхронной скорости, потому что на этой скорости не будет тока, индуцированного в короткозамкнутом роторе, магнитного поля и, следовательно, крутящего момента.

Однако в режиме генератора статор по-прежнему подключен к сети, обеспечивающей необходимое вращающееся поле, но вал ротора приводится в движение внешними средствами со скоростью, превышающей синхронную скорость, так что электромагнитные реакции меняются на противоположные, поскольку ротор будет вращаться быстрее. чем вращающееся магнитное поле статора, так что полярность скольжения меняется на обратную, а полярность напряжения и тока, индуцируемых в роторе, аналогичным образом изменяется.В то же время под действием трансформатора ток в роторе будет индуцировать ток в катушках статора, которые теперь обеспечивают выходную энергию генератора на нагрузку. Когда скорость ротора превышает синхронную скорость, индуцированное напряжение и ток в стержнях ротора и катушках статора будут увеличиваться по мере того, как относительная скорость между ротором и вращающимся полем статора и, следовательно, увеличивается скольжение. Это, в свою очередь, потребует более высокого крутящего момента для поддержания вращения.

Выходное напряжение генератора регулируется величиной тока возбуждения.

На следующей схеме показаны характеристики многофазной асинхронной машины, когда она сконфигурирована как двигатель или как генератор.

Поскольку ток ротора пропорционален относительному движению между вращающимся полем статора и скоростью ротора, известному как «скольжение», ток ротора и, следовательно, крутящий момент прямо пропорциональны скольжению в стабильной рабочей области вокруг синхронной скорость машины и частота тока ротора такая же, как частота скольжения.

При синхронной скорости скольжение равно нулю, и электричество не будет потребляться двигателем или производиться генератором. Хотя обе машины работают на скоростях в пределах нескольких процентов от синхронной скорости, они являются асинхронными машинами.

Увеличение нагрузки на генератор снижает его скорость и, следовательно, его выходную частоту, в то время как увеличение крутящего момента на приводном валу увеличивает его скорость и выходную частоту. Уменьшение нагрузки и крутящего момента имеет противоположный эффект.

• Индукционный генератор с постоянной скоростью

Асинхронные генераторы с фиксированной скоростью, подобные описанному выше, фактически работают в небольшом диапазоне скоростей, связанном с проскальзыванием генератора. Они получают возбуждение от электросети и могут работать только параллельно с этим источником. При использовании в сети они подходят для возврата энергии в сеть, из которой они получают ток возбуждения, но бесполезны в качестве резервных генераторов, когда электрическая сеть выходит из строя.Их ограниченный диапазон скоростей ограничивает возможные применения.

• Самовозбуждающийся индукционный генератор с регулируемой скоростью (SEIG)

Маломасштабные системы производства электроэнергии довольно часто представляют собой автономные приложения, удаленные от электросети, в которых в качестве источника энергии используются сильно меняющиеся источники энергии, такие как энергия ветра и воды. Индукционный генератор с фиксированной скоростью не подходит для таких применений.Индукционным генераторам с регулируемой частотой вращения требуется некоторая форма самовозбуждения, а также регулировка мощности, чтобы иметь возможность практического использования их нерегулируемого выходного напряжения и частоты.

• Эксплуатация

Самовозбуждение достигается подключением конденсаторов к клеммам статора генератора. При возбуждении от внешнего первичного двигателя в катушках статора будет индуцироваться небольшой ток, поскольку магнитный поток из-за остаточного магнетизма в роторе разрезает обмотки, и этот ток заряжает конденсаторы.Когда ротор вращается, поток, пересекающий обмотки статора, будет меняться в противоположном направлении, так как ориентация остаточного магнитного поля изменяется вместе с ротором. Индуцированный ток в этом случае будет иметь противоположное направление и будет стремиться к разрядке конденсаторов. В то же время заряд, высвобождаемый из конденсаторов, будет стремиться усилить ток, увеличивая поток в машине. Поскольку ротор продолжает вращаться, наведенная ЭДС и ток в обмотках статора будет продолжать расти, пока установившееся состояние достигается в зависимости от насыщения магнитной цепи в машине.В этой рабочей точке напряжение и ток будут продолжать колебаться при заданном пиковое значение и частота определяются характеристиками машины, воздушным зазором, скольжением, нагрузкой и выбором размеров конденсатора. Комбинация этих факторов устанавливает максимальные и минимальные пределы диапазона скоростей, в котором происходит самовозбуждение. В рабочее скольжение обычно невелико и изменение частоты зависит от рабочей скорости спектр.

Если генератор перегружен, напряжение будет быстро разрушаются (см. диаграмму выше), обеспечивая некоторую встроенную самозащиту.

• Контроль

При работе с регулируемой частотой вращения индукционному генератору требуется преобразователь частоты для адаптации выходной частоты переменного тока генератора к фиксированной частоте приложения или электросети.Во время работы в самовозбуждающемся индукционном генераторе есть единственный контролируемый фактор, влияющий на выходную мощность — это механический вход от первичного двигателя, поэтому система не поддается эффективному управлению с обратной связью. Для обеспечения регулируемого выходного напряжения и частоты внешний AC / DC / AC конвертеры требуются. Трехфазный диодный мост используется для выпрямления выходного тока генератора, обеспечивая звено постоянного тока на трехфазный тиристорный инвертор, который преобразует мощность от Линия постоянного тока на необходимое напряжение и частоту.

См. Также примеры и описание асинхронных индукционных генераторов с двойным питанием (DFIG) и линейного управления частотой синхронного генератора с фиксированной скоростью, которые используются для обеспечения выхода регулируемой частоты и напряжения от приводов с регулируемым крутящим моментом и регулируемой скоростью в ветряных генераторах.

Пульсации выходного напряжения можно минимизировать, используя многополюсные конструкции.

Конструкция генератора постоянного тока очень похожа на конструкцию двигателя постоянного тока.

Ротор состоит из электромагнита, обеспечивающего возбуждение поля. Ток к ротору поступает от статора или, в случае очень больших генераторов, от отдельного возбудителя, вращающегося на том же валу ротора. Подключение к ротору осуществляется через коммутатор, так что направление тока в обмотках статора меняет направление, когда полюса ротора проходят между чередующимися северным и южным полюсами статора.Ток ротора очень мал по сравнению с током в обмотках статора, и большая часть тепла рассеивается в более массивной конструкции статора.

В машинах с самовозбуждением при запуске из состояния покоя ток для запуска электромагнитов происходит из небольшого остаточного магнетизма, который существует в электромагнитах и ​​окружающей магнитной цепи.

Автомобильный генератор — это машина переменного тока с регулируемой скоростью, обеспечивающая постоянный выходной сигнал постоянного уровня.

Типичный генератор представляет собой самовозбуждающую машину переменного тока.Используя генератор переменного тока, а не генератор постоянного тока, можно избежать использования коммутатора и его потенциальных проблем с надежностью. Однако постоянный ток требуется для всех нагрузок в транспортном средстве, включая аккумулятор, и, кроме того, выходное напряжение постоянного тока должно быть постоянным независимо от частоты вращения двигателя или текущей нагрузки. Таким образом, система зарядки должна включать выпрямитель для преобразования переменного тока в постоянный и регулятор для поддержания генерируемого напряжения в проектных пределах независимо от частоты вращения двигателя.

Ротор приводится в движение двигателем и обеспечивает возбуждение поля. Его скорость напрямую связана с частотой вращения двигателя и зависит от передаточных чисел зубчатой ​​передачи или приводных шкивов. Выходной ток снимается со статора.

Автомобильные генераторы переменного тока обычно представляют собой трехфазные машины, что обеспечивает компактную конструкцию и в то же время снижает ток в обмотках статора за счет распределения его между тремя наборами обмоток. Это также снижает пульсации напряжения после выпрямления.

% PDF-1.3 % 1490 0 объект > endobj xref 1490 105 0000000016 00000 н. 0000002475 00000 н. 0000002702 00000 н. 0000002844 00000 н. 0000002902 00000 н. 0000002953 00000 н. 0000003012 00000 н. 0000003069 00000 н. 0000004561 00000 н. 0000004756 00000 н. 0000004843 00000 н. 0000004936 00000 н. 0000005102 00000 п. 0000005297 00000 н. 0000005363 00000 п. 0000005520 00000 н. 0000005687 00000 н. 0000005913 00000 н. 0000006026 00000 н. 0000006092 00000 н. 0000006270 00000 н. 0000006336 00000 п. 0000006462 00000 н. 0000006528 00000 н. 0000006662 00000 н. 0000006728 00000 н. 0000006794 00000 н. 0000007022 00000 н. 0000007090 00000 н. 0000007279 00000 н. 0000007434 00000 н. 0000007639 00000 н. 0000007832 00000 н. 0000007947 00000 п. 0000008013 00000 н. 0000008127 00000 н. 0000008195 00000 н. 0000008339 00000 п. 0000008407 00000 н. 0000008588 00000 н. 0000008654 00000 н. 0000008828 00000 н. 0000008896 00000 н. 0000009039 00000 н. 0000009107 00000 н. 0000009175 00000 н. 0000009243 00000 п. 0000009468 00000 н. 0000009562 00000 н. 0000009750 00000 н. 0000009942 00000 н. 0000010176 00000 п. 0000010411 00000 п. 0000010596 00000 п. 0000010709 00000 п. 0000010777 00000 п. 0000010932 00000 п. 0000011000 00000 н. 0000011166 00000 п. 0000011234 00000 п. 0000011397 00000 п. 0000011465 00000 п. 0000011533 00000 п. 0000011652 00000 п. 0000011840 00000 п. 0000012047 00000 п. 0000012169 00000 п. 0000012293 00000 п. 0000012499 00000 п. 0000012637 00000 п. 0000012760 00000 п. 0000012943 00000 п. 0000013064 00000 п. 0000013174 00000 п. 0000013281 00000 п. 0000013392 00000 п. 0000013459 00000 п. 0000013570 00000 п. 0000013634 00000 п. 0000013700 00000 п. 0000013878 00000 п. 0000014017 00000 п. 0000014203 00000 п. 0000014359 00000 п. 0000014515 00000 п. 0000014655 00000 п. 0000014793 00000 п. 0000014983 00000 п. 0000015169 00000 п. 0000015236 00000 п. 0000015336 00000 п. 0000015434 00000 п. 0000015531 00000 п. Quge9sNR܀ чч シ 3 {ݢ $ 1 jv2 $ G |: A7FY

Постоянный магнит синхронная машина опорного тока генератора

Постоянный магнит синхронная машина опорного тока генератора

Описание PMSM Текущий опорный генератор блок реализует ток опорный генератор для управления током синхронной машины с постоянными магнитами (PMSM) в ротор d — q опорная рамка.

Этот блок обычно используется в серии блоков, составляющих структуру управления.

• можно генерировать опорное напряжение в д-д кадра путем размещения этого блок перед PMSM Current Control или PMSM Current Контроль с блоком Pre-Control.

• Вы можете реализовать управление скоростью, поместив этот блок после Блок Velocity Controller.

Вы можете увидеть пример полной структуры управления, от машинных измерений до машинные входы в блоке управления PMSM Field-Oriented Control.

Equations

Блок PMSM Current Reference Generator может получить текущее задание, используя один из этих методов:

• Ноль d -управление осью (ZDAC)

• Пользовательские справочные таблицы

• Автоматически генерируемые справочные таблицы

Для метода ZDAC блок устанавливает d -осный ток установить idref на ноль и определить ток оси q ссылаться на iqref с использованием уравнения крутящего момента:

и

где:

• T _ref — эталонный крутящий момент ввод.

• p — количество пар полюсов.

• ψ _м — постоянный магнит потокосцепление.

Для работы со скоростью ниже базовой скорости синхронной машины ZDAC является подходящим метод. Выше базовой скорости требуется контроллер ослабления поля для регулировки d — опорная ось.

Чтобы предварительно сгенерировать оптимальные текущие задания для нескольких рабочих точек в автономном режиме, определите две таблицы поиска, используя подход определяемой пользователем таблицы поиска:

и

где:

Чтобы блок мог создавать таблицы поиска, выберите автоматически сгенерированный таблица поиска.Блок генерирует таблицу поиска с использованием двух стратегий:

Выбор между двумя стратегиями основан на модуляции индекс, который можно вычислить следующим образом:

, где В _с — статор амплитуда напряжения, кОм — коэффициент модуляции, а В _{ph_max} — максимально допустимое фазное напряжение. В случае, если индекс модуляции больше 1, блок генерирует текущие ссылки, используя процедуру ослабления поля.В противном случае текущий эталонные значения рассчитываются с использованием процедуры максимального крутящего момента на ампер.

Максимальный крутящий момент на ампер

Вы можете сгенерировать эталонные значения тока в области постоянного крутящего момента (происходит ниже номинальная скорость), используя стратегию максимального крутящего момента на ампер (MTPA).

Прямая и квадратурная составляющие тока статора записываются в терминах угол и величина как:

и

где:

Используя угловой вариант токов d-q, уравнение крутящего момента PMSM имеет вид написано как:

где L _d и L _q — прямой и квадратурный индуктивности соответственно.

Для получения быстрой переходной характеристики и максимального крутящего момента с минимально возможным амплитуда тока статора, МПа налагает ( dT _e ) / dβ = 0 до уравнение крутящего момента, которое дает

MTPA d — осевой ток i _{d_mtpa} записывается в терминах q — компонент оси i _{q_mtpa} путем замены d-q обратные токи от их вариантов угла и величины:

Наконец, подставив предыдущее уравнение в вариант d-q уравнения крутящего момента PMSM получается следующий полином:

Компонента оси q получается путем решения этот многочлен.

Ослабление поля

Вы можете сгенерировать текущие задания в указанной выше области номинальной скорости, используя стратегия ослабления поля (FW).

Напряжение статора выше номинальной ограничивается преобразователем мощности и имеющееся напряжение промежуточного контура. Максимальное напряжение статора:

, где В _{ph_max} — это максимально доступное фазное напряжение статора.

Уравнения установившегося напряжения для PMSM:

и

Для скоростей вращения ротора выше номинальной сопротивление статора незначительно, а поле ослабление d -осная составляющая тока i _{d_fw} получается в терминах q — компонент оси i _{q_fw} из v _q уравнение установившегося состояния:

Наконец, подключив уравнение i _{d_fw} в уравнение крутящего момента PMSM получается следующий полином:

Компонент оси q получается путем решения этой полином.