Электропитание устройств связи

Глава 4

Синхронные машины

4.1. Принйип действия и устройство синхронного генератора

Рис. 4.1 Принцип действия синхронного генератора

В настоящее время электрическая энергия переменного тока в основном вырабатывается с помощью трехфазных синхронных генераторов.

Принцип действия синхронного генератора основан на использовании явления электромагнитной индукции. На рис. 4.1 показана простейшая трехфазная обмотка, состоящая из трех катушек, сдвинутых на 120°, и помещенная на роторе. Эти три катушки соединяются звездой или треугольником и подключаются к трем контактным кольцам, изолированным от вала машины и друг от друга. При вращении ротора в магнитном поле неподвижных полюсов в катушках индуцируются переменные во времени ЭДС, равные по амплитуде и сдвинутые по фазе на 2я/3. Частота / ЭДС, индуктируемой в обмотках якоря (якорем называется часть машины, в которой происходит процесс преобразования энергии, т. е. индуцируется ЭДС), зависит от скорости вращения якоря п и числа пар полюсов р: f=pn/60.

В синхронных генераторах магнитное поле создается обмоткой возбуждения, по которой течет постоянный ток. Обмотка якоря выполняется распределенной и с укороченным шагом (для уменьшения высших гармонических в кривой ЭДС).

Нагрузка подключается с помощью неподвижных щеток, которые накладываются на контактные кольца.

Синхронные генераторы выполняются с обмоткой якоря на роторе только при сравнительно небольшой мощности (до 15 кВА) и невысокого напряжения (до 380/220 В).

Недостатком генераторов такой конструкции является наличие скользящего контакта в цепи большой мощности. Современные синхронные генераторы изготовляются на высокое линейное напряжение до 16 кВ (иногда и выше), при котором изоляция контактных колец и щеток весьма сложна. Для устранения этого недостатка обмотка якоря помещается на неподвижной части (на статоре), а полюсная система с обмоткой возбуждения — на вращающейся части машины.

Обмотка возбуждения получает питание через контактные кольца. В этом случае скользящий контакт находится в цепи небольшой мощности и напряжение в цепи обмотки возбуждения невелико (не более 500 В).

Обычно обмотки возбуждения получают энергию от возбудителя, т. е. генератора постоянного тока параллельного возбуждения, находящегося на одном валу с рабочей машиной. Мощность возбудителя составляет малую величину (1—5% мощности синхронной машины). При небольшой мощности широко используется питание обмоток возбуждения синхронных машин от обмоток якоря через выпрямители. За время запуска генератора с таким возбуждением при вращении ротора магнитные линии потока остаточного намагничивания пересекают проводники обмотки якоря и индуцируют в них ЭДС. Вызванный этой ЭДС ток выпрямителем преобразуется в постоянный и протекает через обмотку возбуждения. Вследствие этого магнитное иоле генератора и его возбуждение усиливаются до номинальных величии.

Статор синхронной машины имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины.

В зависимости от устройства ротора различают две конструкции синхронных машин: с явно выраженными и с неявно выраженными полюсами.

В машинах с относительно малой скоростью вращения роторы выполняются с явно выраженными полюсами. На роторе (рис. 4.2а) равномерно помещаются явно выраженные полюса, состоящие из полюсного сердечника 1, на котором помещается катушка обмотки возбуждения 3, удерживаемая полюсным наконечником 2. Такое устройство ротора облегчает выполнение обмотки возбуждения,

Рис. 4.2. Устройство ротора синхронного генератора с полюсами а) явно выраженными; б) с неявно выраженными

но при большой скорости вращения не может быть использовано, так как не обеспечивает нужной механической прочности.

Поэтому при большой скорости вращения (выше 1000 об/м) роторы выполняют с неявно выраженными полюсами (рис. 4.26). Такой ротор выполнен в виде цилиндра, на части поверхности, которого имеются пазы. В пазах укладываются проводники обмотки возбуждения, после чего эти пазы заклиниваются и лобовые соединения обмотки возбуждения стягиваются стальными бандажами.

В зависимости от рода первичного двигателя, которым приводится во вращение синхронный генератор, последний называется гидрогенератором (первичный двигатель — гидравлическая турбина) или турбогенератором (первичный двигатель — паровая турбина).

Гидрогенераторы — обычно тихоходные явнополюсные машины с большим числом полюсов, выполняемые с вертикальным расположением вала.

Турбогенераторы — обычно тихоходные неявнополюсные машины, выполняемые в настоящее время с двумя полюсами. Ротор современного турбогенератора выполняется из цельной стальной поковки. На части поверхности ротора вырезаются пазы для размещения обмотки возбуждения.