ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР – ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Генератор тока в общепринятом понимании – сложный электротехнический агрегат, посредством которого получают электрический ток синусоидальной формы.

В данном случае учитывается известный принцип физики, согласно которому один вид энергии преобразуется в другой. В генераторных машинах различного класса в качестве исходного энергоносителя традиционно используется механическое вращение.

Его источником в различных случаях выступают:

• падающая с высоты вода (на гидроэлектростанциях);
• дизельные приводные агрегаты;
• давление пара, вырабатываемого на тепловых подстанциях;
• сила ветра.

Для понимания конструктивных особенностей и принципа работы генераторов сначала придется ознакомиться с устройством машин этого класса. И только потом – перейти к изучению известных разновидностей (синхронные и асинхронные устройства).

УСТРОЙСТВО И ОБЩИЙ ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Независимо от выбранной схемы включения и особенностей связи основных рабочих узлов, каждая модель генератора состоит из следующих типовых элементов:

• основание (станина).
• статор (неподвижный якорь) с набором фазных катушек.
• вращающийся ротор (индуктор).
• токосъемный узел с контактными кольцами и щетками.

При представленном устройстве принцип работы электрогенератора состоит во взаимодействии двух электромагнитных полей, одно из которых создается в индукторе, а второе – в обмотках статора.

Согласно закону э/м индукции Максвелла при вращении поля ротора внутри замкнутой системы статорных отмоток, в последних наводится ЭДС переменной величины и направления. Последняя и является источником переменного электрического тока синусоидальной формы, протекающего в подключенным к генератору нагрузкам.

СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Особенность устройств этого класса – жесткая связь 2-х рабочих величин, определяющих их функциональность. Это – частота переменной движущей силы F (Гц), которая за счет вращения индуктора наводится в статорных обмотках и тот же показатель для самого ротора (он обозначается как "N").

Последний параметр определяется из формулы:

N= F/P (Гц), где P – количество пар полюсов якоря (статора).

Электротехническая схема

На якоре 1 намотана 3-х фазная обмотка генератора, а на его индукторе 2 установлен электромагнит с обмоткой возбуждения. Последняя запитана через скользящие контакты двух рабочих колец 3 и неподвижных графитовых щеток 4.

В этом случае необходимость в кольцах и щетках отпадает. При этом одновременно снижаются возможности по поддержанию выходных параметров (напряжения и тока) на стабильном уровне.

Принцип работы синхронного генератора.

Под воздействием приводной силы (воды, дизеля, давления пара или ветра) индуктор генератора начинает вращаться, образуя в каждой точке окружающего пространства переменное э/м поле.

В расположенной рядом 3-х фазной системе, состоящей из катушек статора, с синхронной частотой наводится вторичное поле. Под его действием через подключенную к статорным обмоткам нагрузку начинает течь переменный ток синусоидальной формы.

В результате такого взаимодействия реализуется синхронная схема работы генератора. Для получения ЭДС промышленной частоты (50 Гц) индуктор в генераторном устройстве должен вращаться с частотой 50 об/секунду (3000 об/мин).

АСИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Особенности конструкции и виды.

Принципиальное отличие асинхронных генераторов (АГ) от их синхронных аналогов заключается в отсутствии жесткой связи частоты вращения ротора с тем же параметром для ЭДС, наводимой в статоре.

Разность между этими показателями называют "скольжением". Указанный эффект возникает из-за того, что индуктор изготавливается в виде короткозамкнутой решетки.

Ротор "беличья клетка"

Известные модели асинхронных генераторов различаются по следующим рабочим параметрам:

• способ возбуждения;
• методы стабилизации и управления;
• диапазон скольжений.

Кроме того, такие агрегаты могут отличаться количеством генерируемых фаз.

Управление режимами.

Для возбуждения рабочих обмоток асинхронных генераторов потребуются внешние воздействия, реализуемые различными по своей эффективности способами. При этом возможны два режима управления запуском: мягкий и жесткий.

Не вдаваясь в подробности процесса управления и обходясь без теоретических выкладок, отметим следующее:

• мягкий режим характеризуется быстрым и безопасным выходом на стационарный рабочий ход спустя какое-то время после запуска асинхронной машины;
• жесткий режим связан с повышенным расходом энергии и дополнительными рисками для системы;
• для реализации последнего чаще всего применяются способы внешнего воздействия (подкачки).

Мягкий запуск с возбуждением обмоток требует больших дополнительных затрат, связанных с использованием дорогостоящих электронных систем.

В простейшем случае обходятся жестким режимом, реализуемым с помощью комплекта конденсаторов или специального компенсатора. В обоих случаях дополнительные элементы подкачки энергии подключаются к статорной обмотке (якорю).

Преимущества и особенности применения.

К числу бесспорных достоинств асинхронных электрогенераторов относят следующие особенности:

• устойчивость к перегрузкам и кз;
• простота конструкции и легкость обслуживания;
• малые линейные искажения формируемого сигнала;
• низкий уровень тепловыделения.

Показатель нелинейных искажений синусоиды у устройств этого класса не превышает 2% (против 15 процентов у синхронных машин); Благодаря этому использование таких электрогенераторов гарантирует устойчивость функционирования подключенного оборудования.

Кроме того, их применение обусловлено способностью вырабатывать активную мощность лишь при условии наличия в нагрузочной цепи реактивной составляющей.

Соблюдение этого требования возможно только в системах, включающих в свой состав индуктивные или емкостные нагрузки. В случае необходимости эти агрегаты могут использоваться в качестве асинхронных двигателей.

С учетом всего сказанногоасинхронные генераторы применяются:

• в функции генератора пиковых нагрузок – в тепло- и гидроэлектростанциях, а также в ветряных установках небольшой мощности;
• в двигательном режиме они нередко применяются для холодной обкатки двигателей внутреннего сгорания;
• при горячей обкатке асинхронная машина переводится в режим генератора, нагружая двигатель и отдавая энергию в бортовую сеть.

В авиации двигательный режим востребован при запуске турбин, а в качестве генератора он обеспечивает бортовые сети переменным и постоянным током.

В системах следящего привода, в автоматических системах управления, а также в ряде цифровых устройств применяются асинхронные тахогенераторы, работающие с полым или короткозамкнутым ротором.