Синхронный генератор является одним из основных источников электроэнергии в энергосистемах. В отличие от асинхронного генератора, синхронный генератор вырабатывает электроэнергию строго с постоянной частотой, не зависящей от скорости вращения ротора.
Эта особенность синхронных генераторов обеспечивает стабильность частоты в энергосистеме. Кроме того, синхронные генераторы имеют более высокий КПД и коэффициент мощности.
Принцип работы синхронного генератора
Синхронный генератор - это электрическая машина, преобразующая механическую энергию вращения вала в электрическую энергию переменного тока. Принцип работы синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции и вращении магнитного поля относительно обмотки якоря с синхронной частотой:
- Ротор синхронного генератора с обмоткой возбуждения вращается с постоянной угловой скоростью, создавая вращающееся магнитное поле.
- Обмотки статора расположены на неподвижной части и пересекают силовые линии этого вращающегося магнитного поля ротора.
- В результате этого в обмотках статора наводится переменная электродвижущая сила и генерируется переменный электрический ток синхронной частоты.
Таким образом, основными элементами конструкции синхронного генератора являются:
- Ротор с обмоткой возбуждения, создающей магнитное поле при подаче на нее постоянного тока;
- Статор с обмоткой (обмотками), в которых индуцируется переменное напряжение при вращении ротора;
- Система возбуждения, подающая постоянный ток в обмотку возбуждения ротора для создания магнитного поля.
Конструкция синхронного генератора
Конструктивно синхронный генератор состоит из неподвижной части - статора и вращающейся части - ротора. Статор представляет собой цилиндрический магнитопровод с расположенными в пазах трехфазной обмоткой. Ротор синхронного генератора может быть выполнен двух типов:
- С явно выраженными полюсами (явнополюсный ротор);
- С неявно выраженными полюсами (неявнополюсный или цилиндрический ротор).
Явнополюсный ротор применяется в медленно вращающихся гидрогенераторах. Он состоит из стальных полюсов, закрепленных на валу ротора. На полюсах размещается обмотка возбуждения, к которой через контактные кольца и щетки подводится постоянный ток от системы возбуждения для создания магнитного поля. Кроме обмотки возбуждения, на полюсах может быть выполнена демпферная обмотка для гашения колебаний ротора.
Неявнополюсный ротор применяется в турбогенераторах, работающих на больших скоростях вращения. Он представляет собой массивный стальной цилиндр с пазами по наружной поверхности, в которые уложена обмотка возбуждения. Для охлаждения и защиты обмотки возбуждения предусмотрены специальные бандажи. По сравнению с явнополюсным ротором, неявнополюсный обладает бóльшей прочностью и надежностью.
Другим важным конструктивным элементом синхронного генератора является система охлаждения, необходимая для отвода тепла от обмоток статора и ротора. В зависимости от мощности генератора охлаждение может осуществляться воздухом или водородом, причем наиболее мощные генераторы используют непосредственное охлаждение обмоток охлаждающей жидкостью или газом.
Также в конструкции синхронного генератора присутствуют подшипники и муфта для передачи крутящего момента от турбины на вал ротора, заземляющие устройства, системы контроля, автоматики и сигнализации для обеспечения надежной и безаварийной работы.
Таким образом, конструкция современных синхронных генераторов большой мощности представляет собой сложный электромеханический комплекс, состоящий из тысяч деталей и узлов, работающих с высокой степенью надежности в жестких условиях.
Системы охлаждения синхронных генераторов
Охлаждение обмоток синхронного генератора необходимо для отвода вырабатываемого ими тепла, не допуская опасного перегрева изоляции и других деталей генератора. В зависимости от мощности генератора и условий его работы используют различные схемы и системы охлаждения.
При небольших мощностях до 100 кВт часто используется самоохлаждение с помощью охлаждающих пластин и ребер. При мощностях до 10 МВт обычно применяется непосредственное воздушное охлаждение с помощью вентилятора на валу ротора.
Для мощных турбогенераторов наиболее эффективно водородное охлаждение. Водород имеет высокую теплоемкость и теплопроводность, а также взрывобезопасен в смеси с воздухом. В герметичном корпусе синхронного генератора создается водородная атмосфера избыточного давления, при которой осуществляется принудительная циркуляция водорода через систему воздушных и водородных охладителей.
Для генераторов мощностью более 300-500 МВт используется непосредственное внутреннее водяное охлаждение обмоток. Такой способ наиболее эффективен, так как тепло передается непосредственно теплоносителю - дистиллированной воде, протекающей в специальных каналах внутри обмоток.
Важным элементом систем охлаждения является контроль температуры обмоток. Для этого используют различные датчики и термоконтакты, позволяющие отключать генератор при температуре обмоток выше допустимой.
Таким образом, выбор эффективной системы охлаждения является важной частью конструкции синхронного генератора, определяющей его мощность и надежность работы при современных требованиях к генерирующему оборудованию.
Основные параметры и характеристики синхронных генераторов
Синхронные генераторы характеризуются широким спектром параметров и характеристик, которые определяют их свойства, возможности и условия применения в энергосистемах.
Важнейшим номинальным параметром синхронного генератора является его полная мощность в мегавольт-амперах. Она характеризует максимально возможную длительную активную и реактивную мощность, которую способен выдать генератор в синхронном режиме.
Другим ключевым параметром синхронного генератора является номинальное напряжение, характеризующее электрическую прочность его изоляции и возможность подключения к сети. Номинальное напряжение гидрогенераторов обычно находится в пределах 6-20 кВ, турбогенераторов - 15-24 кВ.
Важной характеристикой синхронного генератора является его внешняя характеристика или характеристика холостого хода, отражающая зависимость выходного напряжения от величины тока возбуждения. По характеристике холостого хода можно определить минимальный ток возбуждения, обеспечивающий номинальное напряжение генератора на холостом ходу.
С увеличением нагрузки на синхронный генератор его напряжение падает. График этого падения в зависимости от активной и реактивной нагрузки называется U-образной характеристикой. Анализ U-образных характеристик позволяет исследовать статическую устойчивость параллельной работы синхронных генераторов в энергосистеме.
Другой важной характеристикой является короткозамкнутая характеристика, отражающая токи и углы между ЭДС и МДС генератора при коротких замыканиях. Эти характеристики важны для выбора параметров релейной защиты и автоматики генератора.
К основным параметрам синхронного генератора относят также номинальную частоту вращения, тип возбуждения, класс изоляции, габаритные размеры, вес и многие другие. Их совокупность определяет область применения и место в энергосистеме того или иного типа синхронных генераторов.
