Преобразование энергии в синхронном генераторе происходит следующим образом.

К валу синхронного генератора от первичного двигателя подводится механическая мощность P 1 . Часть этой мощности расходуется на механические потери Р МЕХ в генераторе, на магнитные потери в стали статора Р СТ , добавочные потери в стали статора и ротора Р ДОБ . Остальная часть мощности преобразуется в электрическую мощность и передается магнитным полем в статор.

Полная электрическая мощность, получаемая в результате преобразования механической мощности, называется электромагнитной мощностью. Магнитные потери в сердечнике статора у генератора покрываются непосредственно за счет механической мощности со стороны вала и в электромагнитную мощность не входят.

Электромагнитная мощность трехфазного синхронного генератора равна:

Преобразование энергии в синхронном генераторе связано с потерями энергии. Все виды потерь в синхронной машине разделяются на основные и добавочные.

Основные потери в синхронном генераторе слагаются из электрических потерь в обмотке статора, потерь на возбуждение, магнитных потерь и механических потерь.

Электрические потери в обмотке статора:

где - активное сопротивление одной фазы обмотки статора при расчетной рабочей температуре:

где - активное сопротивление одной фазы обмотки статора при температуре Т 1 , отличающейся от расчетной рабочей; α=0,004 .

Потери на возбуждение:

а) при возбуждении от отдельного возбудительного устройства:

где - активное сопротивление обмотки возбуждения при расчетной рабочей температуре;

2В - падение напряжения в контакте щеток;

Сопротивление обмотки возбуждения без учета вытеснения тока определяют по формуле и приводят к расчетной температуре:

где - активное сопротивление при температуре Т 1 , отличающейся от расчетной рабочей.

б) при возбуждении от генератора постоянного тока (возбуди теля), сочлененного с валом синхронной машины:

, Вт (4.18)

где - КПД возбудителя (=0,8-0,85 ).

Если обмотка возбуждения питается от собственного возбудителя, расположенного на валу приводного двигателя, то мощность, идущая на возбуждение генератора, а также на потери в возбудителе, следует прибавить к мощности P 1 . При независимом возбуждении к P 1 прибавляется мощность, расходуемая в обмотке возбуждения генератора. Для схем с самовозбуждением мощность возбуждения вычитается из , так как на возбуждение машины расходуется часть электрической мощности.

Если возбуждение бесконтактное, эта составляющая потерь отсутствует

Магнитные потери в синхронном генераторе происходят в сердечнике статора, который подвержен перемагничиванию вращающимся магнитным полем. Эти потери состоят из потерь от гистерезиса и потерь от вихревых токов:

Механические потери (Вт), равные сумме потерь на трение в подшипниках и потерь на вентиляцию (при самовентиляции машины):

, Вт (4.20)

где - окружная скорость на поверхности полюсного наконечника ротора, м/с;

Конструктивная длина сердечника статора, мм.

Добавочные потери при нагрузке в синхронном генераторе определяют в процентах от полезной мощности генератора. Для синхронных машин мощностью до 1000кВт добавочные потери при нагрузке принимают равными 0,5%, а для машин мощностью более 1000кВт - 0,25-0,4%.

Суммарные потери в синхронном генераторе:

Оставшаяся мощность отдается генератором в сеть (активная мощность, отбираемая от генератора при его номинальной нагрузке).

Мощность Р 2 является полезной мощностью генератора:

(4.22)

Здесь U 1 и I 1 - фазные значения напряжения и тока статора.

Коэффициент полезного действия для синхронного генератора:

, Вт (4.23)

КПД синхронного генератора зависит от величины нагрузки и от ее характера (cosφ) . Графики этой зависимости представлен на рисунке 4.8.

КПД синхронных машин мощностью до 100кВт составляет 80-90%, у более мощных машин КПД достигает 92-99%. Более высокие значения КПД относятся к турбо и гидрогенераторам мощностью в десятки и даже сотни тысяч киловатт.

Подводимая механическая мощность определяется по формуле:

(4.24)

Рисунок 4.8 – График зависимости КПД и cosφ от величины нагрузки β .

О свойствах генератора судят по характеристикам, показывающим зависимость между основными величинами, определяющими работу машины. Основные характеристики генератора: холостого хода, внешняя, регулировочная.

Характеристика холостого хода – это зависимость ЭДС якоря от тока возбуждения при токе нагрузки и его частоте вращения
(рис.1.4). При этом ЭДС
пропорциональна магнитному потоку
.

Благодаря остаточному магнитному полю при

и характеристика не проходит через начало координат.

Характеристика состоит из трех частей: начальная прямолинейная часть, где магнитная система не насыщена, и при увеличении тока возбуждения магнитный

поток
и ЭДС увеличиваются (участок
); “колено” характеристики, где магнитная система находится в полунасыщенном состоянии и рост магнитного потока и ЭДС замедляются (участок 1 – 2); магнитная система насыщена (участок 2 – 3).

Положение точки А, соответствующее номинальной ЭДС, дает возможность судить об устойчивости напряжения генератора при работе и о пределах, в которых можно регулировать напряжение.

Если бы точка А находилась на прямолинейной части характеристики, то незначительные изменения , вызывали бы значительные изменения ЭДС и напряжения. В этом случае работа генератора была бы неустойчивой.

Если точка А находится на участке 2 – 3, то колебания напряжения незначительны, и генератор работает устойчиво, но возможность регулирования напряжения невелика, так как магнитная система машины насыщена. Поэтому точка А, соответствующая номинальной ЭДС, расположена на “колене” характеристики холостого хода.

Генераторы независимого и параллельного возбуждения имеют аналогичные характеристики холостого хода.

Внешняя характеристика – это зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки
при
;
.

Уравнение электрического состояния цепи якоря

, (2)

где
– внутреннее сопротивление цепи якоря, состоящее из сопротивления обмотки якоря, обмотки дополнительных полюсов, сопротивления щеток и коллектора;

–для генератора независимого возбуждения;

–для генератора параллельного возбуждения;

–ток нагрузки.

Как видно из уравнения (2), напряжение на зажимах генератора независимого возбуждения при увеличении тока нагрузки уменьшается по двум причинам:

1. Увеличение падения напряжения
в цепи якоря.

2. Возрастающее влияние потока якоря на основной поток полюсов (размагничивающее действие реакции якоря), приводящее к уменьшению ЭДС .

Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения имеет вид кривой 1 (рис.5).

В генераторах параллельного возбуждения к двум указанным причинам добавляется третья – уменьшение тока возбуждения
вследствие понижения напряжения, вызванного первой и второй причинами. Уменьшение тока возбуждения вызывает уменьшение магнитного потока, ЭДС (
) и дополнительное уменьшение напряжения (см. рис. 5. кривая 2) – внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения. Рис. 5

Этим же объясняется и то, что при постепенном уменьшении сопротивления нагрузки, ток нагрузки увеличивается лишь до критического значения
, а затем начинает самопроизвольно уменьшаться до тока короткого замыкания
. При этом напряжение на зажимах генератора и ток возбуждения резко уменьшаются и исчезают. Ток короткого замыкания якоря генератора параллельного возбуждения определяется только потоком остаточной намагниченности и поэтому мал. Рис. 6.

Регулировочная характеристика – это зависимость тока возбуждения от тока нагрузки
при
, и
.

Очень важной характеристикой генератора является его КПД

, (3)

где
– полезная мощность, отдаваемая генератором;

–мощность потерь в цепи возбуждения;

–мощность потерь в цепи якоря.

Формула (3) для расчета КПД генератора является приближенной, так как не учитывает магнитные и механические потери. Обычно магнитные и механические потери в генераторах очень малы.

Программа работы:

1.) Исследовать и построить для генератора постоянного тока независимого возбуждения характеристики холостого тока, внешнюю, регулировочную.

2.) Исследовать и построить для генератора постоянного тока параллельного возбуждения характеристики внешнюю, регулировочную.

Схема включения генератора для проведения исследований

Схема для исследования генератора независимого возбуждения и снятия его характеристик приведена на рис. 2.1, а , схема для исследования генератора параллельного возбуждения – на рис. 2.1,б . На рис. 2.2 приведена схема управления нагрузкой генератора.

Оборудование электрической установки

Лабораторная установка для исследования свойств генераторов постоянного тока состоит из генератора постоянного тока, включаемого по схеме независимого или параллельного возбуждения; нагрузочного реостата Кн, сопротивление которого изменяется при помощи промежуточных реле 1К -5К (рис. 2.1); трехфазного короткозамкнутого асинхронного двигателя для вращения якоря генератора. Для пуска в ход асинхронного двигателя на панели стенда предусмотрена кнопка «пуск»

В цепь возбуждения генератора включен регулировочный реостат К1 для изменения тока возбуждения и амперметр Аг на 2А для его измерения.А1 - амперметр постоянного тока на 30 А для измерения тока нагрузки;V - вольтметр постоянного тока на 150 В для измерения напряжения генератора.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с машинами, аппаратурой, приборами и записать технические характеристики генератора в табл. 1.

2.) Собратьэлектрическую цепь по схеме (рис.2.1 а).

3.) Снять характеристику холостого хода: пустить в ход первичный двигатель нажатием кнопки «пуск»; записать ЭДС, индуктируемую в якоре полем остаточной намагниченности (1В = 0), включить цепь возбуждения и, не нагружая генератор, постоянно увеличивать ток возбуждения реостатами КЛ и К.2 от нуля до возможного максимума.

Для проведения опыта короткого замыкания нажать на несколько секунд кнопку 8В5, после чего кнопкой "XX" отключить нагрузку. Показания приборов записать в табл.2

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4

Графики

Внешняя характеристика

Рис. 2.3. График зависимости U от I

Регулированная характеристика

Рис. 2.4. График зависимости IB от I

Рабочие характеристики

Рис. 2.5. График зависимости Iя от P2

Механическая характеристика

1200 - искусственная

Естественная

Рис. 2.6. График зависимости n от M

Регулировочная характеристика двигателя

Рис. 2.7. Зависимость частоты вращения от тока возбуждения

3 Контрольные вопросы

Сегодня всем нам знакомы бытовые электрогенераторы. В зависимости от потребляемого топлива, назначения и типа используемого двигателя, это могут быть бензиновые, газовые, дизельные и даже ветряные электрические генераторы. Эти устройства прочно вошли в нашу жизнь, и мы привыкли использовать их на даче и в походе, на стройке и в гараже. Множество типов электрогенераторов и электроприборов выполняет за нас работу. Портативные ручные электрогенераторы встраиваются в фонарики, солнечные батареи питают удаленные приборы и датчики, космические спутники и оборудование альпинистов. Но так было не всегда. Начало 19 века разразилось целой чередой открытий, связанных с электричеством и магнетизмом.

После открытия и исследования электромагнитной индукции и проведенного расчета, стала очевидной возможность создать электрогенератор, который сможет преобразовывать механическую энергию в энергию электрическую. Для получения тока в замкнутом витке проволоки нужно изменять пронизывающий его поток индукции. Сделать это можно двояким путем: либо перемещать магнит относительно витка проволоки, либо перемещать виток проволоки относительно магнита.

Первый самодельный магнитный генератор электрического тока, построенный в 1832 г., был весьма простой установкой. Посмотрите на его чертеж: вы видите, что ЭДС в обмотках его катушек возбуждалась вращением подковообразного магнита. Ток, создаваемый такой машиной, был не похож на ток от гальванического элемента - он как бы метался из стороны в сторону, то и дело меняя свое направление. Этот ток назвали переменным, в отличие от постоянного тока, производимого гальваническим элементом.

По-иному выглядела установка другого электрического генератора: рамка проводника вращалась между неподвижными полюсами магнита. Ее концы соединялись с двумя кольцами на оси вращения рамки, а к кольцам при помощи скользящих контактов подключалась электрическая цепь. На контактах колец возникал то «плюс», то «минус», что и означало генерирование переменной ЭДС.

То, что ток получался переменным, сочли недостатком и принялись искать способ его выпрямить. Для этого прибегли к так называемому коммутатору. Во второй машине, например, оба конца рамки подсоединили к кольцу, которое разрезали пополам, и изолировали каждую половину слоем не проводящего ток вещества. Один скользящий контакт касался только того конца вращающейся рамки, на котором был «плюс», а второй контакт замыкался на «минусе». Но хотя ток в цепи и стал постоянным по направлению, его величина менялась с каждым полуоборотом рамки.

Чтобы избежать резких изменений величины тока, увеличили количество рамок. Их концы подсоединили к диаметрально противоположным участкам разрезанного кольца-коллектора электрогенератора. Ток от такого магнитного генератора тем более похож на постоянный, чем больше рамок на вращающемся барабане - роторе (неподвижные магниты в такой машине называют статором).

Электрогенераторы постоянного и переменного тока очень похожи по своему устройству на электродвигатели . Кроме того, если вращать якорь электромотора постоянного тока, на его обмотках появляется разница потенциалов – мотор начинает давать электрический ток, становясь электрогенератором. Однако по техническим соображениям электрические генераторы тока строят несколько иначе, чем электродвигатели.

Возьмем, к примеру, электрогенератор переменного тока крупной тепловой электростанции

Его статор имеет внутри обмотку, в которой и возникает электрический ток. Ротор представляет собой цилиндр с двумя магнитными полюсами: северным и южным. Если намагнитить ротор, пропустив в полюсные обмотки постоянный ток от постороннего источника, и затем начать его вращать, в обмотке статора появится переменный ток.

Для возбуждения и работы ротора обычно применяют отдельный небольшой генератор постоянного тока. Этот электрогенератор надевают прямо на вал ротора. Есть и иной вариант конструкции – вместо генератора-возбудителя действует полупроводниковый выпрямитель тока. Он отбирает ничтожную часть мощности самого электрогенератора, выпрямляет переменный ток, и полученным током питает обмотку ротора.

В нашей стране принят стандарт частоты переменного тока равной 50 периодам в секунду – 50 Гц. Это означает, что в течение секунды ток должен 50 раз течь в одну сторону и 50 раз – в другую. Соответственно, и ротор должен делать ровно 50 оборотов в секунду, или 3000 оборотов в минуту. С такой скоростью и находятся в работе электрогенераторы тепловых станций: их приводят в движение газотурбинные блоки, специально рассчитанные на такой ход.

Это происходит так же часто, как и в электрогенераторе тепловой электростанции, где скорость вращения газотурбинной установки составляет 3000 оборотов в минуту. Таким образом, частота в 50 периодов сохраняется и здесь.

Просто о сложном – Электрогенераторы для производства электроэнергии

• Галерея изображений, картинки, фотографии.
• Электрогенераторы – основы, возможности, перспективы, развитие.
• Интересные факты, полезная информация.
• Зеленые новости – Электрогенераторы.
• Ссылки на материалы и источники – Электрогенераторы для производства электроэнергии.

Общие положения

Коэффициент полезного действия определяется как отношение полезной, или отдаваемой, мощности P 2 к потребляемой мощности P 1:

Современные электрические машины имеют высокий коэффициент полезного действия (к. п. д.). Так, у машин постоянного тока мощностью 10 кВт к. п. д. составляет 83 – 87%, мощностью 100 кВт – 88 – 93% и мощностью 1000 кВт – 92 – 96%. Лишь малые машины имеют относительно низкие к. п. д.; например, у двигателя постоянного тока мощностью 10 Вт к. п. д. 30 – 40%.

Кривая к. п. д. электрической машины η = f (P 2) сначала быстро растет с увеличением нагрузки, затем к. п. д. достигает максимального значения (обычно при нагрузке, близкой к номинальной) и при больших нагрузках уменьшается (рисунок 1). Последнее объясняется тем, что отдельные виды потерь (электрические I а 2 r а и добавочные) растут быстрее, чем полезная мощность.

Прямой и косвенный методы определения коэффициента полезного действия

Прямой метод определения к. п. д. по экспериментальным значениям P 1 и P 2 согласно формуле (1) может дать существенную неточность, поскольку, во-первых, P 1 и P 2 являются близкими по значению и, во-вторых, их экспериментальное определение связано с погрешностями. Наибольшие трудности и погрешности вызывает измерение механической мощности.

Если, например, истинные значения мощности P 1 = 1000 кВт и P 2 = 950 кВт могут быть определены с точностью 2%, то вместо истинного значения к. п. д.

η = 950/1000 = 0,95

можно получить

Поэтому ГОСТ 25941-83, "Машины электрические вращающиеся. Методы определения потерь и коэффициента полезного действия", предписывает для машин с η% ≥ 85% косвенный метод определения к. п. д., при котором по экспериментальным данным определяется сумма потерь p Σ .

Подставив в формулу (1) P 2 = P 1 - p Σ , получим

Применив здесь подстановку P 1 = P 2 + p Σ , получим другой вид формулы:

(4)

Так как более удобно и точно можно измерять электрические мощности (для двигателей P 1 и для генераторов P 2), то для двигателей более подходящей является формула (3) и для генераторов формула (4). Методы экспериментального определения отдельных потерь и суммы потерь p Σ описываются в стандартах на электрические машины и в руководствах по испытанию и исследованию электрических машин. Если даже p Σ определяется со значительно меньшей точностью, чем P 1 или P 2 , при использовании вместо выражения (1) формул (3) и (4) получаются все же значительно более точные результаты.

Условия максимума коэффициента полезного действия

Различные виды потерь различным образом зависят от нагрузки. Обычно можно считать, что одни виды потерь остаются постоянными при изменении нагрузки, а другие являются переменными. Например, если генератор постоянного тока работает с постоянной скоростью вращения и постоянным потоком возбуждения, то механические и магнитные потери являются также постоянными. Наоборот, электрические потери в обмотках якоря, добавочных полюсов и компенсационной изменяются пропорционально I а ², а в щеточных контактах – пропорционально I а. Напряжение генератора при этом также приблизительно постоянно, и поэтому с определенной степенью точности P 2 ∼ I а.

Таким образом, в общем, несколько идеализированном случае можно положить, что

где p 0 – постоянные потери, не зависящие от нагрузки; p 1 – значение потерь, зависящих от первой степени k нг при номинальной нагрузке; p 2 – значение потерь, зависящих от квадрата k нг, при номинальной нагрузке.

Подставим P 2 из (5) и p Σ из (7) в формулу к. п. д.

Установим, при каком значении k нг к. п. д. достигает максимального значения, для чего определим производную d η/dk нг по формуле (8) и приравняем ее к нулю:

Это уравнение удовлетворяется, когда его знаменатель равен бесконечности, т. е. при k нг = ∞. Этот случай не представляет интереса. Поэтому необходимо положить равным нулю числитель. При этом получим

Таким образом, к. п. д. будет максимальным при такой нагрузке, при которой переменные потери k нг ² × p 2 , зависящие от квадрата нагрузки, становятся равными постоянным потерям p 0 .

Значение коэффициента нагрузки при максимуме к. п. д., согласно формуле (9),

Если машина проектируется для заданного значения η макс, то, поскольку потери k нг × p 1 обычно относительно малы, можно считать, что

p 0 + p 2 ≈ p Σ = const.

Изменяя при этом соотношение потерь p 0 и p 2 , можно достичь максимального значения к. п. д. при различных нагрузках. Если машина работает большей частью при нагрузках, близких к номинальной, то выгодно, чтобы значение k нг [смотрите формулу (10)] было близко к единице. Если машина работает в основном при малых нагрузках, то выгодно, чтобы значение k нг [смотрите формулу (10)] было соответственно меньше.

Синхронный генератор

Характеристики генератора

О свойствах синхронного генератора (СГ) судят по его характеристикам:

1. Характеристика холостого хода: E(Iв) при I=0 и при n= nном.

При I в =0 остаточным магнитным потоком наводится небольшая ЭДС E х.

При (т.к.).

Наступает насыщение магнитопровода - излом кривой. Точка (U ном, I в ном) расположена до насыщения - так проектируют СГ.

2. Внешняя характеристика: U(I) при Iв = Iв ном; cos=const; n= nном.

При I =0 U= U 0 .

С ростом тока I при активной нагрузке напряжение U падает.

Изменение напряжения происходит в основном из-за реакции якоря. Если нагрузка активная, то поток изменяется незначительно.

При активно-индуктивной нагрузке реакция якоря - продольно-размагничивающая. Поток изменяется значительно, что приводит к сильному изменению напряжения.

При активно-емкостной нагрузке реакция якоря будет продольно-намагничивающая, поток будет возрастать, что приводит к небольшому увеличению напряжения.

Стабилизация напряжения достигается регулированием тока возбуждения.

3. Регулировочная характеристика: Iв (I) при U =const; cos=const; n= nном. U= Uном.

Эта характеристика показывает, как надо регулировать ток возбуждения при изменении нагрузки СГ, чтобы напряжение на его зажимах оставалось неизменным (искусственная характеристика).

Обычно регулировка напряжения, для того, чтобы U =const оставалось неизменным при изменении нагрузки I, осуществляется автоматически по схеме, где ТТ - трансформатор тока; Т - понижающий трансформатор.

Принцип регулирования:

При увеличении нагрузки I напряжение U падает (по внешней характеристике), но при этом ток I у возрастает, что приводит к увеличению тока возбудителя I в и к увеличению магнитного потока, ЭДС и напряжения U.

Потери и КПД синхронного генератора

В СГ преобразование механической энергии в электрическую сопровождается потерями энергии. К синхронному генератору со стороны вала подведена механическая мощность P 1 .

В роторе и статоре имеются следующие потери:

1) потери на возбуждение; R в - сопротивление цепи возбуждения.

2) - механические потери, вызванные всеми видами трения;

3) - потери магнитные в сердечнике статора (перемагничивание и вихревые токи);

(3 в формуле т.к. 3 фазы). Эта электромагнитная мощность передается на статор.

4) - потери в обмотке статора: .

P 2 - полезная мощность, отдаваемая в сеть.

Потери, - постоянные (не зависят от нагрузки) и составляют потери холостого хода ХХ синхронного генератора.

где - сумма всех потерь в СГ.

Из этой формулы следует, что КПД зависит от cos.

КПД СГ зависит не только от мощности нагрузки, но и от коэффициента мощности cos.

КПД СГ достигает 98-99 %.

Для этих генераторов применяют охлаждение газообразным водородом, водой и др.

Регулирование активной мощности. Угловые характеристики

Электромагнитная мощность равна

Но из подобия треугольников расставляем углы на векторной диаграмме. Катет bd равен:

ac E 0 , bc I, значит угол bca = . Отсюда:

Подставляем это значение в формулу (*) получаем:

При неизменном токе возбуждения I в =const.

СГ включен в сеть и обеспечивает U=U сети =const.

где - угловая скорость вращения СГ;

Угловая частота тока;

p - число пар полюсов СГ.

Зависимость P эм () или M эм () - называется угловыми характеристиками СГ.

Характеризует устойчивость СГ.

Положительное значение соответствует генераторному режиму.

При =const увеличение тока возбуждения I в СГ приводит к возрастанию электромагнитной мощности P эм.

Если угол отрицательный - это соответствует режиму работы синхронной машины в двигательном режиме.

В режиме генератора Mэм противодействует вращению ротора, т.е. является тормозным.

В режиме генератора поле ротора ведущее, а поле статора - ведомое. В режиме двигателя - наоборот.

При увеличении момента силовые линии все больше деформируются (растягиваются), растет угол.

Если > 90, то силовые линии рвутся, магнитная сила между ротором и статором нарушается, ротор вращается как болванка, т.к. он ничего не вращает. Это явление называется выпаданием из синхронизма.

При - синхронный генератор работает устойчиво.

Изменение мощности параллельно работающего с сетью СГ достигается воздействием на первичный приводной двигатель.

Пусть СГ работал при угле 1. После увеличения подачи пара ротор ускорился, и угол возрос, т.к. увеличился момент приводного двигателя.

Когда угол возрос, то увеличился тормозной момент и при определенном угле 2 снова наступит равновесие моментов при новой мощности. Значит мы увеличили мощность.

При чрезмерном увеличении момента приводного двигателя тормозной момент не достигнет такой большой величины, т.е. они не уравновесятся и СГ выпадет из синхронизма.

Синхронизирующая мощность. Она показывает, насколько устойчив СГ при данном угле.