Принцип действия синхронного генератора

Для изучения принципа действия синхронного генератора воспользуемся упрощенной моделью синхронной машины (рис.1.6.). Неподвижная часть машины, называемая статором, представляет собой полый шихтованный цилиндр / (сердечник статора) с двумя продольными пазами на внутренней поверхности. В этих пазах расположены стороны витка 2, являющегося обмоткой статора. Во внутренней полости сердечника статора расположена вращающаяся часть машины — ротор, представляющий собой постоянный магнит 4 с полюсами N и S , закрепленный на валу 3. Вал ротора посредством ременной передачи механически связан с приводным двигателем (на рисунке не показан). В реальном синхронном генераторе в качестве приводного двигателя может быть использован двигатель внутреннего сгорания либо турбина. Под действием вращающего момента приводного двигателя ротор генератора вращается с частотой n 1 против часовой стрелки. При этом в обмотке статора в соответствии с явлением электромагнитной индукции наводится ЭДС, направление которой показано на рисунке стрелками. Так как обмотка статора замкнута на нагрузку Z, то в цепи этой обмотки появится ток i.

В процессе вращения ротора магнитное поле постоянного магнита также вращается с частотой n 1 , а поэтому каждый из проводников обмотки статора попеременно оказывается то в зоне северного ( N ) магнитного полюса, то в зоне южного (Ѕ) магнитного полюса. При этом каждая смена полюсов сопровождается изменением направления ЭДС в обмотке статора. Таким образом, в обмотке статора синхронного генератора наводится переменная ЭДС, а поэтому ток i в этой обмотке и в нагрузке Z также переменный.

Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе (В)

e = B δ 2lv= Bδ2lπD 1 n 1/60

гдеB_δ — магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл; l — активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, м; v = πD 1 n 1/60 — скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с;D 1 — внутренний диаметр сердечника статора, м.

Рис. 1.7. Упрощенная модель синхронного генератора

Эта формула показывает, что при неизменной частоте вращения ротора форма кривой переменной ЭДС обмотки якоря определяется исключительно законом распределения магнитной индукции в зазоре. Если бы график магнитной индукции в зазоре представлял собой синусоиду ( Bδ = В_тах sin α), то ЭДС генератора была бы синусоидальной. Однако получить синусоидальное распределение индукции в зазоре практически невозможно. Так, если воздушный зазор δ постоянен (рис.1.7.), то магнитная индукция Bδ в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (кривая 1), а следовательно, и график ЭДС генератора представляет собой трапецеидальную кривую. Если края полюсов скосить так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен δ _тах (как это показано на рис.1.7.), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (кривая 2), а следовательно, и график ЭДС, наведенной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде.

Рис. 1.8. Графики распределения магнитной индукции в воздушном зазоре синхронного генератора

Частота ЭДС синхронного генератора f 1 (Гц) прямо пропорциональна частоте вращения ротора п 1 (об/мин), которую принято называть синхронной частотой вращения:

f 1 =рп 1 /60

Здесь р — число пар полюсов; в рассматриваемом генераторе два полюса, т. е. р=1.

Для получения промышленной частоты ЭДС (50 Гц) ротор такого генератора необходимо вращать с частотой п 1= 3000 об/мин, тогда f 1 = 1·3000/60 = 50 Гц.

Постоянные магниты на роторе применяются лишь в синхронных генераторах весьма малой мощности, в большинстве же синхронных генераторов для получения возбуждающего магнитного поля применяют обмотку возбуждения, располагаемую на роторе. Эта обмотка подключается к источнику постоянного тока через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, располагаемых на валу и изолированных от вала и друг от друга, и двух неподвижных щеток (рис. 1.8.).

Как уже отмечалось, приводной двигатель (ПД) приводит во вращение ротор синхронного генератора с синхронной частотой п 1 . При этом магнитное поле ротора также вращается с частотой п 1 и индуцирует в трехфазной обмотке статора переменные ЭДС Е_А, Е В , Ес, которые, будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на ⅓периода (120 эл. град), образуют трехфазную симметричную систему ЭДС.

С подключением нагрузки в фазах обмотки статора появляются токи 1 А , 1 В , 1с. При этом трехфазная обмотка статора создает вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора (об/мин): п 1 = f 160/р.

:

Рис. 1.9. Электромагнитная схема синхронного генератора

Таким образом, в синхронном генераторе поле статора и ротор вращаются синхронно, отсюда и название — синхронные машины.