МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «Электроснабжения»
Реферат
На тему: Синхронный генератор устройство и принцип действия
Ульяновск 2015/16 уч. гг.
Введение
На современных электростанциях применяют синхронные генераторы трехфазного переменного тока. Первичными двигателями для них являются паровые турбины или гидротурбины. Большинство турбогенераторов быстроходные, т.е. имеют максимальное число оборотов 3000. Генераторы небольших мощностей, соединенные с дизелями и другими поршневыми машинами, изготавливают на 750-1500 об/мин. Большие скорости вращения ротора отражаются на его конструкции - это цилиндрическая цельнокованая поковка из специальной легированной стали. Вдоль поверхности ротора фрезеруют радиальные пазы, в которые укладывается обмотка возбуждения. Пазы закрываются клиньями, а в лобовой части обмотка укрепляется бандажными кольцами.
Для АЭС ввиду низких параметров пара целесообразно применять четырех полюсные генераторы с частотой вращения 1500 об/мин. Гидрогенераторы большой и средней мощности выполняются с вертикальным валом, в верхней части которого располагается генератор, а в нижней - гидротурбина. Мощность гидротурбины и ее скорость определяются величиной напора и расхода воды. Гидрогенераторы при больших мощностях изготавливаются на 60-125 об/мин, т.е. они являются тихоходными машинами. Находят применение капсульные гидрогенераторы с горизонтальным валом, заключенные в водонепроницаемую оболочку, которая обтекается потоком воды, приводящим в движение колесо гидротурбины.
В нашей стране синхронные генераторы с постоянными магнитами нашли применение в ветроэнергетике, в авиации, но при этом практически не используются в различных системах автономного электроснабжения. Не ведутся работы по проектированию и изготовлению синхронных генераторов с постоянными магнитами на мощности более 2 кВт. В мощных синхронных генераторах зарубежные фирмы используют генераторы с постоянными магнитами в основном как подвозбудитель для питания регулятора напряжения.
Такая схема обеспечивает лучшие характеристики при пуске мощных асинхронных двигателей и быстрое восстановление напряжения, позволяет добиться 300-процентной стойкости к коротким замыканиям. Отметим, что в рекламных проспектах зарубежные фирмы часто необоснованно называют подобные системы синхронными генераторами с постоянными магнитами. На самом деле у таких генераторов система возбуждения электромагнитная, а синхронный генератор с постоянными магнитами используется лишь как подвозбудитель. Считается перспективным направлением разработка электрогенераторных агрегатов с синхронным генератором с постоянными магнитами и с выходным электронным блоком, как имеющих лучшие массогабаритные характеристики, более высокий КПД, динамические характеристики, позволяющие приводному агрегату работать при различных частотах вращения.
Опыт разработок синхронных генераторов с постоянными магнитами (СГПМ) показал, что наибольший эффект достигается у генераторов с большими частотами вращения. Поэтому не случайно они находят применение в авиации с приводом от авиационных двигателей.
В ряде случаев конструкторы отказываются от изготовления генератора в виде самостоятельного агрегата и поэлементно размещают его внутри первичной силовой установки, например в турбине, с применением внутриканального охлаждения. Такая схема была разработана, например, в ОАО «Новая Эра». При этомвес собственно генератора при частоте вращения 72000 об/мин и мощности 100 кВт составил всего 15 кг. Такие высокие показатели были достигнуты при использовании мощного водяного охлаждения. Для стабилизации напряжения и частоты на выходе генератора подключается специальный электронный блок.
1. Синхронный генератор
Синхронный генератор - это машина переменного тока, преобразовывающая какой-либо вид энергии в электрическую энергию.
Генератором называется электрическая машина, преобразовывающая механическую энергию в электрическую.
Синхронными называются электрические машины, частота вращения которых связана постоянным соотношением с частотой сети переменного тока, в которую эта машина включена. Синхронные машины служат генераторами переменного тока на электрических станциях, а синхронные двигатели применяются в тех случаях, когда нужен двигатель, работающий с постоянной частотой вращения. Синхронные машины обратимы, т.е., могут работать и как генераторы и как двигатели. Синхронная машина переходит от режима генератора к режиму двигателя в зависимости от того, действует на неё вращающая или тормозящая механическая сила. В первом случае она получает на валу механическую, а отдаёт в сеть электрическую энергию, а во втором случае она получает из сети электрическую, а отдаёт на валу механическую.
Принцип работы.
При помощи первичного двигателя ротор-индуктор вращается. Магнитное поле находится на роторе и вращается вместе с ним, поэтому скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля - отсюда название синхронная машина. При вращении ротора магнитный поток полюсов пересекает статорную обмотку и наводит в ней ЭДС по закону электромагнитной индукции:
синхронный генератор напряжение энергосистема
E = 4,44*f*w*kw*Ф,
где: f - частота переменного тока, Гц; w - количество витков; kw - обмоточный коэффициент; Ф - магнитный поток.
Частота индуктированной ЭДС (напряжения, тока) синхронного генератора:
f = p*n/60,
где: р - число пар полюсов; п - скорость вращения ротора, об/мин.
Как и всякая электрическая машина, синхронная машина обратима, т. е. может работать как генератором, так и двигателем.
Электрическая энергия вырабатывается синхронными гeнераторами, первичными двигателями которых являются либо гидравлические, либо паровые турбины, либо двигатели внутреннего сгорания.
Обычно обмотки возбуждения получают энергию от возбудителя, который представляет собой генератор постоянного тока. Возбудитель находится на одном валу с рабочей машиной, и мощность его составляет малую величину, порядка 1 - 5% мощности синхронной машины, возбуждаемой им.
2. Устройство синхронного генератора
Возникновение ЭДС в проводниках возможно, как при перемещении этих проводников в неподвижном магнитном поле, так и при перемещении магнитного поля относительно неподвижных проводников.
В первом случае полюсы, т.е. индуктирующая часть машины, возбуждающая магнитное поле, помещаются на неподвижной части машины (на статоре), а индуктируемая часть (якорь), т.е. проводники, в которых создается ЭДС, - на вращающейся части машины (на роторе).
Во втором случае полюсы помещаются на роторе, а якорь -- на статоре. Выше мы рассмотрели принцип действия синхронного генератора c неподвижными полюсами и вращающимся якорем. В таком генераторе энергия, вырабатываемая им, передается приемнику энергии посредством скользящих контактов - контактных колец и щеток. Скользящий контакт в цепи большой мощности создает значительные потери энергии, а при высоких напряжениях наличие такого контакта крайне нежелательно. Поэтому генераторы с вращающимся якорем и неподвижными полюсами выполняют только при невысоких напряжениях (до 380/220 В) и небольших мощностях (до 15 кВА).
Наиболее широкое применение получили синхронные генераторы, в которых полюсы помещены на роторе, а якорь -- на статоре.
Ток возбуждения протекает по обмотке возбуждения, которая представляет собой последовательно соединённые катушки, помещенные на полюсы ротора. Концы обмотки возбуждения соединены с контактными кольцами, которые крепятся на валу машины. На кольцах помещаются неподвижные щетки, посредством которых в обмотку возбуждения подводится постоянный ток от постороннего источника энергии - генератора постоянного тока, называемого возбудителем. На изо показан общий вид синхронного генератора с возбудителем. Устройство статора синхронного генератора аналогично устройству статора асинхронной машины. Ротор синхронных генераторов выполняют либо с явно выраженными (выступающими) полюсами, либо с неявно выраженными полюсами, т. е. без выступающих полюсов.
В машинах с относительно малой частотой вращения (при большом числе полюсов) роторы должны быть с явно выраженными плюсами (изо, а), равномерно расположенными по окружности ротора.
Устройство синхронного генератора:
1 - синхронный генератор; 2 -- возбудитель
Полюс состоит из сердечника 1, полюсного наконечника 2 и катушки обмотки возбуждения 3, помещаемой на сердечнике полюса.
Ротор синхронной машины:
а - с явно выраженными полюсами, 1 - сердечник, 2 - полюсный наконечник, 3 - катушка обмотки возбуждения
б - с неявно выраженными полюсами;
Первичные двигатели синхронных генераторов с явно выраженными полюсами обычно представляют собой гидравлические турбины, являющиеся тихоходными машинами.
При большой частоте вращения такое устройство ротора не может обеспечить нужной механической прочности и поэтому у высокоскоростных машин роторы выполняют с неявно выраженными полюсами (изо, 6).
Сердечники роторов с неявно выраженными полюсами обычно изготовляют из цельных поковок, на поверхности которых фрезеруются пазы. После укладки обмоток возбуждения на роторе пазы его забиваются клиньями, а лобовые соединения обмотки возбуждения укрепляются стальными бандажами, помещенными на торцовых частях ротора. При такой конструкции ротора допускаются большие частоты вращения.
Для генераторов с неявно выраженными полюсами первичными двигателями обычно являются паровые турбины, принадлежащие к числу быстроходных машин.
3. Работа синхронного генератора под нагрузкой
Если синхронный генератор не нагружен, т. е. работает вхолостую, то тока в обмотках статора нет. Магнитный поток полюсов, созданный током возбуждения, индуктирует в трехфазной обмотке статора эдс.
При нагрузке генератора по обмотке статора протекает ток. При симметричной нагрузке токи в фазах обмотки статора равны и сдвинуты на 1/3 периода. Токи статора создают вращающееся магнитное поле, частота вращения которого n1 = 60f/p = n, т.е. магнитноe поле, созданное токами в обмотке статора, вращается синхронно с магнитным полем полюсов.
В обмотке статора синхронного генератора создается эдс, величина которой зависит от магнитного потока полюсов. Если магнитный поток полюсов очень мал, то и эдс также мала. При увеличении магнитного потока возрастает и эдс машины. Таким образом, при постоянной частоте вращения ротора эдс пропорциональна магнитному потоку, который возбуждается постоянным током, протекающим по проводникам обмотки возбуждения.
Если повысить ток в обмотке возбуждения, то возрастет и магнитный поток полюсов, что вызовет увеличение эдс машины. Следовательно, изменение тока в обмотке возбуждения вызывает соответствующее изменение эдс машины и позволяет регулировать напряжение на зажимах генератора.
При холостом ходе синхронного генератора напряжение равно эдс, индуктированной в обмотке статора.
При нагрузке генератора напряжение не равно эдс, так как в сопротивлении (активном и реактивном) обмотки статора возникает падение напряжения.
Кроме того, токи, проходящие по обмоткам статора, создают поток реакции якоря, который воздействует на поток полюсов, так что при нагрузке магнитный поток не будет равен магнитному потоку полюсов при холостой работе генератора. Поэтому изменение нагрузки, т. е. тока в статоре генератора, будет вызывать изменение напряжения на зажимах генератора в случае, если ток в обмотке возбуждения остается неизменным.
Область применения.
Применяют синхронные агрегаты как источники электроэнергии переменного тока: используют на мощных тепло-, гидро- и атомных станциях, на передвижных электрических станциях, транспортных системах (машинах, самолетах, тепловозах). Синхронный агрегат способен работать автономно - генератором, который питает подключаемую к ней какую-либо нагрузку, либо параллельно с сетью - в нее подключены иные генераторы. Синхронный агрегат может включать устройства в тех местах, где нет центрального питания электрических сетей. Данные приборы можно применять в фермерских хозяйствах, которые расположены далеко от населенных пунктов.
Область применения синхронных генераторов
Область применения синхронных генераторов. При подключении электроснабжения в помещениях, где расположено промышленное и иное оборудование, немаловажное значение имеет выбор синхронного генератора. Его основное предназначение - обеспечение бесперебойного функционирования техники в случае возникновения аварийных ситуаций.
Это устройство работает параллельно с другими генераторами или существующей электросетью. Он подходит для использования в качестве автономного энергоносителя. Подобные генераторы разделяются на два типа: портативные и стационарные. Устройство преобразовывает механическую энергию в электрическую. Современные синхронные генераторы способны выдержать перегрузку в электросети, которая превышает номинальную в три раза, короткое замыкание. По сравнению с асинхронными установками, синхронные генераторы генерируют более качественную электроэнергию, что сказывается на их стоимости. Поэтому целесообразность его использования в помещениях с дорогостоящим оборудованием является бесспорным.