Синхронный генератор – электрическая машина, представляющая собой генератор переменного тока, угловая скорость ротора которого равна синхронной угловой скорости поля.
Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Так, при изменении величины магнитного потока через поверхность, ограниченную замкнутым контуром, в последнем возникает электродвижущая сила.
При равномерном вращательном движении токопроводящего контура в постоянном магнитном поле
возникает синусоидальная электродвижущая сила. При замыкании контура действие ЭДС приводит к возникновению тока в цепи.
В мощных синхронных генераторах постоянное магнитное поле создаётся обмоткой возбуждения, на которую подается постоянный ток. Обмотка возбуждения располагается на вращающейся части – роторе. При подаче постоянного тока на обмотку возбуждения возникает постоянное магнитное поле, вращающееся синхронно с ротором. Процесс создания магнитного поля в синхронной машине называется возбуждением. Расположение обмотки возбуждения на роторе обусловлено тем, что мощность возбуждения составляет несколько процентов от мощности синхронного генератора, что облегчает подвод тока к вращающимся частям. Регулирование тока в обмотке возбуждения реализуется системой возбуждения генератора. На неподвижной части синхронного генератора (статоре) размещается обмотка, в которой наводится ЭДС. Частота электрического тока статора зависит от количества пар полюсов ротора. При одной паре полюсов частота электрического тока статора равна частоте вращения ротора, т.к. за один оборот происходит пересечение каждого полюса один раз. При наличии нескольких пар полюсов частота тока статора определяется выражением: f=pn/60, где n-обороты ротора синхронной машины, р-количество пар полюсов.
На статоре (неподвижной части) трёхфазного синхронного генератора
размещаются три обмотки, в которых при вращении ротора индуцируется ток. Обмотки смещены в пространстве друг относительно друга на 120 градусов.
Конструкция
Сердечник статора размещается в корпусе синхронной машины и выполняется в виде полого цилиндра. В связи с тем, что в обмотках статора протекает переменный ток, для снижения потерь из-за вихревых токов сердечник собирается из отдельных листов электротехнической стали, изолированных друг от друга. При внешнем диаметре менее 1 м сердечник собирают из цельных кольцевых пластин. При большем диаметре кольцевые пластины собирают из сегментов
Обмотка статора размещается в пазах с внутренней стороны сердечника статора. Пазы, как правило, имеют прямоугольное сечение.
Конструкция ротора крупных синхронных генераторов в первую очередь определяется частотой его вращения. Гидрогенераторы, приводимые в движение гидравлической турбиной, имеют большое число пар полюсов, относительно низкую скорость вращения и изготавливаются с явнополюсным ротором (а на рисунке). Турбогенераторы, приводимые в движение паровой или газовой турбиной с частотами вращения 3000 об/мин и 1500 об/мин, при которых явнополюсная конструкция нецелесообразна по условиям механической прочности, изготавливаются с неявнополюсным ротором (б на рисунке)
Явнополюсные роторы гидрогенераторов имеют выступающие полюсы, которые собраны из пластин электротехнической стали и закреплены к валу или ободу ротора болтами или посредством более надѐжного, но технологически сложного хвостового соединения
На полюсах ротора может быть также размещена демпферная обмотка. Демпферная или успокоительная обмотка представляет собой короткозамкнутую обмотку, расположенную на полюсных наконечниках ротора и предназначенную для гашения свободных колебаний, возникающих при резких изменениях режима работы генератора, а также для ослабления поля обратной последовательности, возникающего при несимметричной нагрузке.
Неявнополюсные роторы турбогенераторов выполняются массивными из цельной стальной поковки. На наружной стороне ротора фрезеруются радиальные пазы прямоугольной или трапецеидальной формы, в которые укладывается обмотка возбуждения и закрепляется с помощью немагнитных клиньев. Часть ротора (примерно треть) не обматывается и образует большой зубец, через который проходит основная часть магнитного потока возбуждения. При этом на большом зубце также может выполняться фрезеровка пазов с последующим заполнением магнитными клиньями, предназначенная для выравнивания жесткости ротора. Лобовые части обмотки возбуждения (находящиеся вне паза ротора) закрепляются роторными бандажами. Демпферная обмотка для турбогенераторов с неявнополюсным ротором не выполняется, т.к. её функцию выполняет массивное цельное тело ротора.
Охлаждение синхронных машин
Охлаждение синхронных машин необходимо для предотвращения преждевременного старения и повреждения изоляции обмоток. Выделяют следующие типы систем охлаждения:
- Косвенное охлаждение. При косвенном охлаждении тепловая энергия сначала передается изоляции от проводников, а затем отдается остальным частям машины и охлаждающей среде. Косвенное охлаждение организуется путѐм циркуляции охлаждающей среды внутри корпуса синхронной машины. В качестве охладителя применяется воздух или водород. Водород, в отличие от воздуха, имеет лучшую теплопроводность и в 14 раз меньшую плотность, благодаря чему улучшаются условия охлаждения машины и потери энергии на вентиляцию.
- Непосредственное внутреннее охлаждение. При непосредственном внутреннем охлаждении проводники имеют внутренние каналы, по которым проходит водород или вода. Тепло непосредственно отбирается от проводника и отводится из активной зоны машины.
Параметры синхронных генераторов
К основным параметрам синхронных генераторов относятся:
- Номинальное напряжение, кВ – это линейное (междуфазное) напряжение обмотки статора в номинальном режиме;
- Номинальная активная мощность, МВт – это наибольшая активная мощность, для длительной работы с которой он предназначен в комплекте с турбиной. Определяется следующим выражением:
Pnom=Snom•cosф
- Номинальная полная мощность, МВ А. Значение определяется следующим выражением:
Snom=√3Unom•Inom
- Номинальный коэффициент мощности (cosф), о.е. Значение определяется следующим выражением:
cosф=Pnom/Snom;
- Номинальная частота вращения ротора, об/мин зависит от количества пар полюсов и частоты сети:
Номинальный ток ротора, А –это тот наибольший ток возбуждения генератора, при котором обеспечивается отдача генератором его номинальной мощности при отклонении напряжения статора в пределах 5% номинального значения и при номинальном коэффициенте мощности;
- Номинальное напряжение ротора, В – напряжение возбуждения обычно находится в диапазоне 115-630 В;
- Номинальное значение КПД, % – Коэффициент полезного действия генераторов при номинальной нагрузке и номинальном коэффициенте мощности колеблется в пределах 0,9-0,95.
