Особенности генератора электрической энергии

Какой ток вырабатывает генератор

Характеристика тока, который вырабатывается генератором, зависит от его конструкции. Как уже стало понятно, и переменный генератор, и постоянный генератор содержат в своей конструкции электрический или постоянный магнит, создающий поток магнитного поля. В обоих случаях можно найти обмотку из медного проводника. Она вращается и, занимая различные положения в поле магнита, создает наведенную ЭДС.

Если представить, что обмотка разделена на две одинаковые части, то они поочередно будут занимать то горизонтальное, то вертикальное положение. ЭДС будет сначала максимальной, а затем нулевой. Это и будет генерация переменного тока.

Обратите внимание! Если в процессе полуоборота каким-либо образом переключить потребитель энергии, то он будет получать уже постоянный, но пульсирующий ток. В этом и отличие

Характеристика переменного и постоянного электрических токов

Частота переменного тока, вырабатываемого генератором

Данные генераторы являются синхронными, то есть угловая скорость (число оборотов) вращающегося магнитного поля линейно зависит от угловой скорости (числу оборотов) ротора генератора и асинхронными, в которых имеется скольжение, то есть, отставание магнитного поля статора от угловой скорости ротора. Ввиду некоторой громоздкости регулирования асинхронные генераторы получили небольшое распространение.

Если ротор генератора двухполюсный, то за один его полный оборот индуктированная электродвижущая сила совершит полный цикл своих изменений.

Следовательно, частота электродвижущей силы синхронного генератора будет: f=n60{\displaystyle f={\frac {n}{60}}},

где

f{\displaystyle f} — частота в герцах;

n{\displaystyle n} — число оборотов ротора в минуту.

Если генератор имеет число пар полюсов p{\displaystyle p}, то соответственно этому частота электродвижущей силы такого генератора будет

в p{\displaystyle p} раз больше частоты электродвижущей силы двухполюсного генератора: f=pn60{\displaystyle f=p{\frac {n}{60}}}.

Частота переменного тока в электрических сетях должна строго соблюдаться, в России и других странах она составляет 50 периодов в секунду (герц). В ряде стран, например в США, Канаде, Японии, в электрическую сеть подаётся переменный ток с частотой 60 герц. Переменный ток с частотой 400 герц применяется в бортовой сети самолётов.

В таблице показана зависимость частоты генерированного переменного тока от количества магнитных полюсов и числа оборотов генератора

Данный фактор следует учитывать при конструировании генераторов.

Например, паровая турбина наиболее оптимально работает при 3000 оборотов в минуту, число полюсов генератора равняется двум.

Например, для дизельного двигателя, применяемого на дизельных электростанциях, наиболее оптимальный режим работы 750 оборотов в минуту, тогда генератор должен иметь 8 полюсов.

Например, массивные и тихоходные гидравлические турбины на крупных гидроэлектростанциях вращаются со скоростью 150 оборотов в минуту, тогда генератор должен иметь 40 полюсов.

Данные примеры приведены для частоты переменного тока 50 герц.

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С СЕТЬЮ ПРИ НЕИЗМЕННОМ ТОКЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Полагаем, что генератор № 2 (рис. 11-8) включен параллельно с генератором № 1, обладающим мощностью P_н, несоизмеримо большей по сравнению с мощностью Р_2нгенератора № 2. этом случае любые операции с генератором № 2 не вызовут изменения U₁и f₁ генератора № 7. Рассмотрение ведется для одной фазы. После включения генератора № 2роторы генераторов вращаются с одной скоростью п₁= п₂ — const, а векторы U₁и Е₂находятся в противофазе (рис. 11-9, а) и вращаются в одну сторону с ω₁ = ω_синхр = const. Первичный двигатель генератора № 2развивает такую мощность, при которой покрываются потери холостого хода генератора, так как ток I₂ = 0.

Если увеличить количество энергии, подводимой к первичному двигателю генератора № 2 (воды, пара и др.), то вращающий момент двигателя станет больше момента сопротивления и ротор генератора № 2 начнет вращаться с ускорением. Его ротор медленно смещается относительно ротора генератора № 1 , и между осями роторов появляется угол рассогласования б. На этот же угол бзабегает вперед по отношению к положению холостого хода э. д. с. E₂, что и показано на рис. 11-10.

Рис. 11-10. Векторная диаграмма генератора при параллельной работе.

Теперь U₁и Е₂не уравновешиваются, появляется разность ∆Е и в замкнутом контуре обмоток якорей протекает ток

I₂ = ∆E/(х₁+ х₂) = ∆E/x

здесь х = х₁+ х₂— реактивное сопротивление обмоток якорей; активным сопротивлением пренебрегают, так как оно очень мало.

Ток I₂ отстает от ∆Eна угол 90° (на четверть периода), но почти совпадает по фазе с Е₂.Генератор развивает мощность Р₂=E₂I₂cos Ψ₂. Активная слагающая тока I₂ cos Ψ₂ создает тормозной момент тем больший, чем больше угол 6.

Рис. 11-11. Диаграмма работы синхронной машины при неизменном токе возбуждения.

При некоторой величине 9 тормозной момент уравновешивает избыточный вращающий, ускорение ротора становится равным нулю и он вращается опять при ω₁ =const.

Таким образом, чтобы нагрузить генератор, следует увеличить вращающий момент первичного двигателя, т. е. увеличить количество подводимой к нему энергии.

Если после включения генератора № 2вращающий момент его первичного двигателя уменьшить, то угол Э и мощность Р₂уменьшаются, т. е. Генератор сбрасывает нагрузку. При дальнейшем уменьшении вращающего момента ротор может начать отставать от положения холостого хода. Опять появляется угол рассогласования 0, но уже в обратную сторону; э. д. с. отстает от положения холостого хода (рис. 11-11), появляется разность э. д. с. ∆Eи ток I₁. Этот ток отстает от ∆E на 90°, но почти совпадает по фазе с U₁.В этом случае генератор №1 развивает мощность Р₁ =U₁I₁cos φ₁ за счет которой создается вращающий момент, и синхронная машина № 2 переходит в режим двигателя. Такой режим на электростанциях не допускается и машина автоматически отключается от шин при помощи реле обратной мощности.

Статья на тему Синхронный генератор под нагрузкой

• ← Предыдущая
• Следующая →
• Главная Электротехника

На что обращать внимание при выборе?

Перед покупкой бензинового генератора электрического тока стоит узнать о некоторых его характеристиках. Эти данные можно получить у продавца или ознакомившись с технической документацией на устройство. Зная эти характеристики, вам будет легче выбрать подходящую модель, лучшую в соотношении цены и эксплутационных качеств. Итак, выясните:

• Тип генератора для дома: синхронный или асинхронный. Первый вариант выдает лучший ток, без перепадов. Такое оборудование подойдет для любой техники, даже очень чувствительной (например, компьютер). Асинхронный генератор более дешевый и работает дольше, но качество его тока не всегда хорошее;
• Способ включения в работу. Тут можно рассматривать два варианта – ручной и автоматический. В чем их различие понятно из названия. Стоит помнить, что генератор, оснащенный автоматикой, стоит намного дороже, но зато у вас не будет необходимости в ручном запуске агрегата при отключении основного источника питания;
• Сколько фаз выдает генератор для дома. Тут различают устройства однофазные и трехфазные. Первый вариант выдает электрический ток с напряжением в 220 вольт. Такой агрегат прекрасно подходит для загородного частного дома, так как большинство приборов работает именно на таком напряжении. Трехфазный генератор выдает ток с напряжением в 220 и 380 вольт. Такие устройства необходимы для запитки некоторых моделей отопительных котлов и других электроприборов (например, сварочного аппарата);
• Какая система охлаждения. Как правило, для бытовых бензиновых генераторов небольшой мощности используется воздушное охлаждение. Оно прекрасно справляется со своей задачей. Если аппарат имеет большую мощность, то лучше покупать устройства с жидкостным (водяным) охлаждением, но цена у такого устройства будет намного больше.

Сегодня на рынке можно купить так называемые инверторные бензиновые генераторы электрического тока. Такие устройства помогают сэкономить топлива. Здесь реализована система мягкой регулировки расхода бензина в зависимости от потребляемой электроэнергии.

Частота — вращение — ротор — асинхронный двигатель

Частота вращения ротора асинхронных двигателей определяется выражением п2 ( 1 — s) ( 60 / / р), Откуда следует, что обороты ротора можно регулировать: изменяя скольжение, число пар полюсов или частоту тока питающей сети. Регулировка частоты вращения двигателя изменением скольжения производится введением регулировочного сопротивления в цепь фазного ротора. В этом случае активное сопротивление ротора и скольжение увеличиваются, а обороты уменьшаются. Недостатком этого способа является то, что в реостате происходит значительная потеря мощности.
 

Частота вращения ротора асинхронного двигателя никогда не может сравняться с частотой вращения магнитного поля, создаваемого обмоткой статора, так как в этом случае провода ротора были бы неподвижны относительно вращающегося поля, отсутствовало бы явление пересечения вращающимся магнитным полем статора проводов обмотки ротора, тока в этой обмотке не было бы, не возникал бы вращающий электромагнитный момент, и ротор должен был бы остановиться. Ротор при вращении всегда отстает от вращающегося магнитного поля статора, поэтому такие двигатели называются асинхронными. Отставание ротора от вращающегося магнитного поля статора называют скольжением.
 

Частота вращения ротора асинхронных двигателей — 2950 об / мин, синхронных — 3000 об / мин.
 

Частота вращения ротора асинхронного двигателя относительно вращающегося магнитного поля 60 об / мин.
 

Какими способами регулируют частоту вращения ротора асинхронного двигателя.
 

Обозначим через п2 частоту вращения ротора асинхронного двигателя.
 

Рассмотрим вначале возможные способы регулирования частоты вращения ротора асинхронного двигателя с коротко-замкнутым ротором. Как известно, частота вращения ротора в нормальном режиме работы несколько меньше ( на 2 — 8 %) частоты вращения магнитного поля. Поэтому изменение частоты вращения магнитного поля вызывает изменение в той же степени и частоты вращения ротора двигателя.
 

В табл. 18.2 приведены основные способы регулирования частоты вращения ротора асинхронного двигателя.
 

Происходит увеличение скольжения ротора, а следовательно, уменьшение частоты вращения ротора асинхронного двигателя.
 

В пределах устойчивой работы двигателя изменение напряжения мало меняет скольжение ( рис. 2.11) и, следовательно, частоту вращения ротора асинхронного двигателя.
 

Такое устройство позволяет изменять активное сопротивление электрической цепи ротора асинхронного двигателя в процессе его вращения, что необходимо для уменьшения значительного пускового тока, а также для регулирования частоты вращения ротора асинхронного двигателя при работе и изменения пускового момента двигателя.
 

Такое устройство позволяет изменять активное сопротивление электрической цепи ротора асинхронного двигателя в процессе его вращения, что необходимо для уменьшения значительного пускового тока, возникаемого при пуске, а также для целей регулирования частоты вращения ротора асинхронного двигателя при работе и изменения пускового момента двигателя.
 

Рпом, которую они могут отдавать длительное время, не нагреваясь свыше допустимой температуры, и номинальной частотой вращения ротора пном. Частоту вращения ротора асинхронного двигателя определяет число пар полюсов обмотки статора и его нагрузка.
 

Охлаждение генераторов переменного тока

Генератор с водородным охлаждением, окрашен в красный цвет

Во время работы в генераторе возникают потери энергии, превращающиеся в теплоту и нагревающие его элементы. Хотя КПД современных генераторов очень высок, абсолютные потери достаточно велики, что приводит к значительному повышению температуры активной стали, меди и изоляции. Повышение температуры конструктивных элементов, в свою очередь, ведёт к их постепенному разрушению и уменьшению срока службы генератора. Для предотвращения этого применяют различные системы охлаждения.

Выделяют следующие типы систем охлаждения: поверхностное (косвенное) и непосредственное охлаждение. Косвенное охлаждение в свою очередь может быть воздушным и водородным.

Водородные системы охлаждения чаще устанавливаются на крупные генераторы, так как они обеспечивают лучший отвод тепла (По сравнению с воздухом водород имеет большую теплопроводность и в 10 раз меньшую плотность). Водород пожаро- и взрывоопасен, поэтому применяется изоляция вентиляционной системы и поддержание повышенного давления.

Возбуждение генераторов постоянного тока

Работа  генератора происходит следующим образом. Как только якорь Начнет вращаться, его обмотка пересечет слабый магнитный поток,  который создан остаточным магнетизмом  полюсных сердечников, и корпуса. В результате в обмотке якоря индуктируется э. д. с. под действием которой в обмотку возбуждения поступит ток. Этот ток вызовет большее намагничивание полюса, что в свою очередь усилит ток в обмотке возбуждения.

Процесс самовозбуждения будет продолжаться до тех пор, пока генератор не начнет работать в нормальном режиме.

Для увеличения индуктируемой э. д. с. и сглаживания ее пульсации каждую секцию обмотки делают из 3—6 витков. Индуктированный в обмотке якоря ток снимается с коллектора щетками токосъемника и через реле-регулятор направляется к потребителям тока и на зарядку аккумуляторной батареи.

Генератор Г105-Б МАЗ -500

На рис. 83 показано устройство генератора автомобиля МАЗ—500 и его модификаций. В задней крышке генератора смонтированы четыре щеткодержателя 5 с нажимными пружинами и щетками б. Соединение и вы-

воды проводов от щеток выполнены согласно схеме, показанной на рис. 82. Шарикоподшипники 9 и 17 (см. рис.83), в  которых вращается якорь 2 генератора, смазываются долговечной смазкой, заменяющейся только через  5ОО тыс. ‚км пробега автомобиля. Для предохранения от осевых смещений якорь крепится гайкой 8. Охлаждение генератора осуществляется вентилятором‚ отлитым совместно со шкивом 14. В генераторах большегрузных автомобилей МАЗ и БелАЗ  вентилятор для охлаждения установлен Внутри корпуса (рис. 84).

Характеристики

Режим работы автобусов имеет ряд особенностей: для посадки и высадки пассажиров автобусы делают остановки, движение на городских маршрутах требует частых остановок у перекрестков. Поэтому число оборотов коленчатого вала у двигателя часто изменяется и оно много времени работает  на холостом ходу. В темное время суток расход электроэнергии у автобуса возрастает из-за необходимости` освещения пассажирского салона и для питания других потребителей.

В связи с указанным на автобусах устанавливаются генераторы переменного тока, преимущества которых по сравнению с генераторами постоянного тока заключаются в следующем: по габаритам и весу они в 3,5 раза меньше и легче аналогичных по мощности генераторов просто надежны, так как коллектор и щетки у них отсутствуют.

При малом числе оборотов двигателя возможны зарядка, аккумуляторов и питание потребителей, благодаря чему, отпадает потребность в установке аккумуляторных батарей большой емкости и срок службы их увеличивается.

Генератор МАЗ-БЕЛАЗ

Так как аккумуляторные батареи и потребители питаются постоянным током, генераторы переменного тока должны иметь устройства для выпрямления тока.

Генератор переменного тока с электромагнитным возбуждением представляет собой трехфазную синхронную электрическую машину. Синхронным генератор называется потому, что частота тока в нем пропорциональна  числу оборотов ротора генератора. В комплект генераторной установки входят генератор, выпрямитель и реле регулятор (табл. 10).

Параллельная работа синхронных генераторов

На электростанциях синхронные генераторы соединяются друг с другом параллельно для совместной работы на общую электрическую сеть. Когда нагрузка на электрическую сеть мала, работает только часть генераторов, при повышенном энергопотреблении («час пик») включаются резервные генераторы. Этот способ выгоден, так как каждый генератор работает на полную мощность, следовательно, с наиболее высоким коэффициентом полезного действия.

Синхронизация генератора с электрической сетью

В момент подключения резервного генератора к электрическим шинам его электродвижущая сила должна быть численно равна напряжению на этих шинах, иметь одинаковую с ним частоту, и фазовый сдвиг равный нулю. Процесс выведения резервного генератора на режим, при котором обеспечивается указанное условие, называется синхронизацией генератора.

Если это условие не будет выполнено (подключаемый генератор не выведен на синхронный режим), то из сети в генератор может пойти большой ток, генератор заработает в режиме электродвигателя, что может привести к аварии.

Для выполнения синхронизации подключаемого генератора с электрической сетью применяются специальные устройства, в простейшем виде — синхроноско́п.

Синхроноскоп представляет собой лампу накаливания и «нулевой» вольтметр, включенные параллельно контактам рубильника, отключающего генератор от шин сети (соответственно сколько фаз, столько ламп накаливания и вольтметров).

При разомкнутом состоянии рубильника параллельная сборка «лампа накаливания — „нулевой“ вольтметр» оказывается включенной последовательно цепи «фаза генератора — фаза электросети».

После запуска генератора (при разомкнутом рубильнике) его выводят на номинальные обороты, и регулируя ток возбуждения, добиваются того, чтобы электрическое напряжение на клеммах генератора и на шинах сети было приблизительно одинаковым.

Когда генератор приближается к режиму синхронизации, лампы накаливания начинают мигать, и в момент почти полной синхронизации они гаснут. Однако лампы гаснут при напряжении, не равном нулю, для индикации полного нуля служат вольтметры («нулевые» вольтметры). Как только и «нулевые» вольтметры покажут 0 вольт — генератор и электрическая сеть синхронизированы, можно замыкать рубильник. Если две лампы накаливания (на двух фазах) погасли, а третья — нет, это означает, что одна из фаз генератора подключена неправильно к шине электрической сети.

Устройство генератора переменного тока

Схематическое устройство однофазного 4-полюсного генератора переменного тока. Генератор с вращающимися магнитными полюсами и неподвижным статором.

Автомобильный генератор переменного тока в разрезе. Видны полюсные наконечники.

К трёхфазному генератору (соединение «звездой») подключена активная нагрузка (соединение «звездой»), нейтральный провод отсутствует.

По конструкции можно выделить:

• генераторы с неподвижными магнитными полюсами и вращающимся якорем;
• генераторы с вращающимися магнитными полюсами и неподвижным статором.

Последние получили большее распространение, так как благодаря неподвижности статорной обмотки отпадает необходимость снимать с ротора большой ток высокого напряжения с использованием скользящих контактов (щёток) и контактных колец.

Подвижная часть генератора называется ротор, а неподвижная — статор.

Статор собирается из отдельных железных листов, изолированных друг от друга. На внутренней поверхности статора имеются пазы, куда вкладываются провода статорной обмотки генератора.

Ротор изготавливается, обычно, из сплошного железа, полюсные наконечники магнитных полюсов ротора собираются из листового железа. При вращении между статором и полюсными наконечниками ротора присутствует минимальный зазор, для создания максимально возможной магнитной индукции. Геометрическая форма полюсных наконечников подбирается такой, чтобы вырабатываемый генератором ток был наиболее близок к синусоидальному.

На сердечники полюсов посажены катушки возбуждения, питаемые постоянным током. Постоянный ток подводится с помощью щёток к контактным кольцам, расположенным на валу генератора.

По способу возбуждения генераторы переменного тока делятся на:

• генераторы, обмотки возбуждения которых питаются постоянным током от постороннего источника электрической энергии, например от аккумуляторной батареи (генераторы с независимым возбуждением).
• генераторы, обмотки возбуждения которых питаются от постороннего генератора постоянного тока малой мощности (возбудителя), сидящего на одном валу с обслуживаемым им генератором.
• генераторы, обмотки возбуждения которых питаются выпрямленным током самих же генераторов (генераторы с самовозбуждением). См также бесщёточный синхронный генератор.
• генераторы с возбуждением от постоянных магнитов.

Конструктивно можно выделить:

• генераторы с явно выраженными полюсами;
• генераторы с неявно выраженными полюсами.

По количеству фаз можно выделить:

• Однофазные генераторы. См. также конденсаторный двигатель, однофазный двигатель.
• Двухфазные генераторы. См. также двухфазная электрическая сеть, двухфазный двигатель.
• Трёхфазные генераторы. См. также трёхфазная система электроснабжения, трёхфазный двигатель.

По соединению фазных обмоток трёхфазного генератора:

• шестипроводная система Тесла (практического значения не имеет);
• соединение «звездой»;
• соединение «треугольником»;
• соединение шести обмоток в виде одной «звезды» и одного «треугольника» на одном статоре.

Наиболее распространено соединение «звездой» с нейтральным проводом (четырёхпроводная схема), позволяющее легко компенсировать фазовые перекосы и исключающее появление постоянной составляющей и паразитных кольцевых токов в обмотках генератора, приводящих к потерям энергии и перегреву.

Так как на практике в электросетях с множеством мелких потребителей нагрузка на разные фазы не является симметричной (подключается разная электрическая мощность, или например, активная нагрузка на одной фазе, а на другой индуктивная или ёмкостная, то при соединении «треугольником» или «звездой» без нейтрального провода можно получить такое неприятное явление как «перекос фаз», например, лампы накаливания, подключенные к одной из фаз, слабо светятся, а на другие фазы подаётся чрезмерно большое электрическое напряжение и включенные приборы благополучно «сгорают».

К трёхфазному генератору (соединение «звездой») подключена активная нагрузка (соединение «звездой») с нейтральным проводом.

К трёхфазному генератору (соединение «треугольником») подключена активная нагрузка (соединение «треугольником»).

Генераторы с компаундным возбуждением и компенсирующей ёмкостью

Наиболее простым по технической реализации является бесщёточный генератор с компаундным возбуждением и компенсирующей ёмкостью, подключенной к дополнительной обмотке. Такой генератор представляет собой явнополюсную синхронную машину с обмоткой возбуждения в роторе.

Обмотка возбуждения разбита на две секции, концы каждой из которых замкнуты через диод. Таким образом, индуцированный ток в обмотке возбуждения может протекать только в одном направлении, создавая постоянное магнитное поле.

Статор имеет две обмотки: основную и дополнительную. К основной обмотке подключается нагрузка. К дополнительной обмотке подключается компенсирующий конденсатор. Основная обмотка занимает 2/3 пазов статора, а дополнительная 1/3 пазов.

Работает генератор следующим образом. При начале вращения ротора тока в обмотках нет. Однако магнитопроводы статора и ротора имеют остаточную намагниченность. За счёт последней в обмотках начинает индуцироваться ток. Так как за счёт диодов ток в обмотке ротора может протекать только в одном направлении, магнитопровод ротора начинает намагничиваться. При этом вращающееся магнитное поле, создаваемое ротором, индуцирует в обмотках статора электродвижущую силу. Поскольку дополнительная обмотка статора нагружена на конденсатор, через неё начинает протекать переменный ток. Этот переменный ток создаёт переменное, но не вращающееся магнитное поле статора, которое индуцирует электродвижущую силу в обмотке ротора. Под действием этой электродвижущей силы в обмотке ротора возникает ток, который выпрямляется диодами и ещё сильнее намагничивает ротор. Это в свою очередь вызывает увеличение электродвижущей силы и тока в обмотках статора, что в свою очередь ещё сильнее намагничивает ротор. Процесс возбуждения развивается лавинообразно до входа магнитопроводов статора и ротора в режим насыщения. В основной обмотке статора возникает электродвижущая сила номинальной величины. Генератор готов к подключению нагрузки.

При подключении нагрузки к основной обмотке в ней появляется ток, который создает своё магнитное поле. Если бы возбуждение генератора осталось на прежнем уровне, то напряжение на его выходных зажимах снизилось бы по двум причинам: падение напряжения на внутреннем сопротивлении и смещение магнитного поля относительно оси обмотки статора. Однако обмотки статора расположены таким образом, что их магнитные оси повернуты на 90 градусов. За счёт этого происходит поворот магнитного поля ротора в направлении основной обмотки, что увеличивает ЭДС индукции в ней. Чем больше ток основной обмотки — тем больше поворот магнитного поля ротора. Таким образом происходит стабилизация выходного напряжения генератора. Такой способ регулирования называется компаундным.

Генератор с компаундным возбуждением прост по конструкции, обладает малым весом и стоимостью, что обусловило его широкое применение в переносных бензиноэлектрических агрегатах («бензиновые электростанции»). В то же время этому типу генераторов присущ ряд недостатков, а именно:

• генератор может быть только однофазным;
• в случае подключения к генератору нагрузки с нелинейным характером сопротивления (например, нагреватель, включенный через диод) процесс компаундирования нарушается — напряжение на выходе генератора может оказаться сильно завышенным.
• коэффициент полезного действия генератора относительно невысок, так как существенная часть энергии переменного магнитного поля теряется на перемагничивание магнитопроводов, работающих в режиме близком к насыщению.