Устройство и принцип работы синхронного генератора

Синхронный генератор – агрегат, назначением которого является преобразование любой энергии (тепловой, солнечной, механической) в электрическую. Отличается простым принципом работы и надежным конструктивным исполнением. Особенность – вращение ротора и магнитного поля статора с одинаковой частотой. СГ с мощностью до нескольких тысяч мегаватт используются практически на всех типах электростанций во всем мире. Агрегаты обратимы, они могут как работать электрогенераторами, так и выполнять функции электромоторов.

Особенности конструкции синхронных генераторов

В устройство синхронных генераторов входят следующие компоненты: статор, ротор, обмотки, система охлаждения.

Статор

Статор – неподвижная часть, состоящая из корпуса и сердечника, собираемого из тонких листов. Между собой листы разделяются изоляционными материалами, например, лаковыми составами. В пазы сердечника укладывается трехфазная обмотка. Качество генерируемого электротока зависит от того, какие листы используются в сердечнике, – цельные или сборные.

Статор имеет вид цельного или набранного из сегментов цилиндра. Статоры мощных машин состоят из двух частей, которые можно разделить вдоль оси ротора. Такой конструктивный вариант облегчает транспортировку, установку, монтаж СГ.

В моделях с самовозбуждением присутствует обмотка возбуждения статора. В дорогих системах ее изготавливают из медного эмаль-провода, в более дешевых – из алюминиевого проводника. В бесщеточных СГ обмотки статора расположены таким образом, что их сердечники совпадают с выступами магнитных полюсов ротора. Электроток снимается непосредственно со статорных обмоток.

В мощных электромашинах всегда устанавливаются только обмотки с независимым возбуждением. Для их электропитания востребованы генераторы постоянного электротока невысокой мощности.

Ротор

Ротор – вращающаяся часть СГ, в которой располагается сердечник с обмоткой возбуждения или магниты. Роторы изготавливаются явно и неявнополюсными. Устройства первого типа востребованы в синхронных машинах, совмещенных с ДВС с низкочастотным валом. В генераторах высокой мощности и частоты устанавливаются роторы второго типа, часто монтируемые на одном валу с паровыми турбинами. СГ такой конструкции называют турбогенераторами.

Система охлаждения

Тепло от статора и ротора отводят с помощью систем охлаждения. В электромашинах невысокой мощности эта проблема решается с помощью вентиляторов. В крупных устройствах предусмотрена водородная система охлаждения.

Преимущества и недостатки синхронных генераторов

Популярность синхронным генераторам обеспечивают следующие технические характеристики:

• возможность поддерживать постоянное напряжение на выходе;
• возможность синхронной работы нескольких синхронных машин, что позволяет оперативно повышать мощность в часы пик подключением резервных генераторов;
• низкая чувствительность к коротким замыканиям;
• возможность управлять загрузкой СГ.

К минусам этого технического решения относят:

• ненадежность щеточного узла (есть и бесщеточные конструкции);
• сложность конструктивных элементов;
• в крупных электромашинах – дорогое обслуживание.

Виды синхронных генераторов

В соответствии с конструктивным исполнением СГ разделяют на типы:

• Гидрогенераторы. В их конструкции предусмотрены роторы с выраженными полюсами. Востребованы в ситуациях, не требующих высоких оборотов.
• Турбогенераторы. В таких агрегатах выраженные полюса отсутствуют. Машины, собранные из нескольких турбин, значительно повышают число оборотов ротора.
• Синхронные компенсаторы. Востребованы на производственных объектах для получения качественного электротока и стабилизации напряжения.

Синхронные генераторы могут работать в режиме электромоторов: на входе присутствует электроэнергия, на выходе – механическая энергия. Обмотка статора подсоединяется к централизованной сати электроснабжения, а ротора – к источнику постоянного электротока. Синхронные электромоторы обычно используются в электроустановках с мощностью более 50 кВт.

Принцип работы СГ

В синхронной электромашины, используемой в режиме электрогенератора, первичной является механическая энергия, вращающая вал.

Принцип работы синхронного генератора переменного тока:

• Первичный двигатель вращает ротор-индуктор. Магнитное поле вращается вместе с ротором, что и обеспечило название такой электрической машине.
• При вращении ротора магнитный поток пересекает статорную обмотку, в результате чего в ней по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС. Индуктированная ЭДС прямо пропорциональна магнитному полю электромашины и скорости вращения ротора. Частота переменного тока напрямую зависит от частоты вращения ротора.
• При необходимости параметры магнитной индукции установкой дополнительных реостатов или электронных блоков.

Где применяются синхронные генераторы переменного тока

Трехфазные СГ востребованы в:

• транспортных средствах, переменный ток выпрямляют в полупроводниковых блоках;
• строительстве – на площадках, где отсутствует центральное электроснабжение или его параметры не соответствуют запланированным задачам;
• местах ведения геологоразведочных и добывающих работ;
• мощных ГЭС и ТЭС, мобильных станциях и на объектах атомной энергетики;
• гибридных автомобилях, в этом случае в ТС устанавливают ДВС и синхронный электромотор.

СГ могут использоваться и в других областях, в которых требуются постоянные параметры напряжения и тока на выходе, устойчивость к перегрузам при подключении нагрузок с активной и реактивной мощностью.