11. Принцип дії та будова синхронного генератора

У синхронних машин частота обертання ротора дорівнює частоті обертання магнітного поля статора, отже, залежить від частоти струму в мережі та кількості пар полюсів: п =60ƒ/р; ƒ = рп/60.

Як і будь-яка електрична машина, синхронна машина оборотна, тобто може працювати і генератором, і двигуном.

Електрична енергія виробляється синхронним генератором, пер­винним двигуном якого є або гідравлічна, або парова турбіна, або двигун внутрішнього згоряння.

Звичайно обмотки збудження стримують енергію від збудника, яким є генератор постійного струму. Збудник знаходиться на одному валі з робочою машиною; його потужність становить приблизно 1...5 % потужності синхронної машини, яка збуджується ним. У разі неве­ликої потужності часто використовуються схеми живлення обмоток збудження синхронних машин від мережі змінного струму через на­півпровідникові випрямлячі.

Найпростішим генератором може бути виток із провідників 1 і 2, який обертається в магнітному полі (див. рис. 30). Магнітне поле збуджується струмом обмотки збудження, розміщеної на полюсах статора N — S. Під час обертання витка провідники 1 і 2 перетина­ють магнітне поле полюсів N — S, внаслідок чого у витку індукуєть­ся ЕРС. Кінці витка з'єднані з кільцями 3, що обертаються разом з витком. Якщо на кільцях розмістити нерухомі щітки і з'єднати їх з приймачем електричної енергії, то по замкненому колу, що склада­ється з витка, кілець, щіток та приймача енергії, потече електричний струм під дією ЕРС. Одержана у такому генераторі ЕРС безперервно змінюватиметься залежно від положення витка в магнітному полі. Коли провідники 1 і 2 перебувають під осями полюсів, то під час обертання витка вони перетинають за одиницю часу найбільшу кіль­кість ліній магнітного поля. Отже, в даний момент індукована у вит­ку ЕРС матиме найбільше значення. У подальшому з повертанням витка зміниться кількість ліній магнітного поля, що перетинають­ся за одиницю часу провідниками 1 і 2. З повертанням витка на 90° у просторі провідники переміщуватимуться у вертикальному напрям­ку, який збігається з напрямком магнітних ліній поля. Отже, провід­ники 1 і 2 не перетинають магнітних ліній, і ЕРС у витку дорівнює нулеві. З повертанням витка на кут, більший за 90°, зміниться напря­мок переміщення цих провідників у магнітному полі, а також напря­мок ЕРС, що індукується у витку.

Якщо магнітне поле розподілятиметься між полюсами N і S рівно­мірно, то ЕРС змінюватиметься в часі синусоїдно. За один оберт витка у просторі ЕРС, що індукується в ньому, змінюється на один період.

Якщо виток обертається за допомогою будь-якого первинного двигуна зі сталою частотою обертання п за хвилину, то в цьому вит­ку індукується змінна ЕРС з частотою ƒ = п/60.

Виникнення ЕРС у провідниках можливе в разі переміщення цих провідників у нерухомому магнітному полі, а також у разі переміщен­ня магнітного поля відносно нерухомих провідників. У першому випадку полюси, тобто частина машини, що індукує ЕРС і збуджує магнітне поле, розміщуються на нерухомій частині машини (на ста­торі), а індукована частина (якір), тобто провідники, в яких утворю­ється ЕРС,— на обертовій частині машини (на роторі). У другому ви­падку полюси розміщуються на роторі, а якір — на статорі.

Вище ми розглянули принцип дії синхронного генератора з неру­хомими полюсами та обертовим якорем. У такому генераторі енер­гія, що виробляється ним, передається приймачеві енергії через ков­зні контакти — контактні кільця і щітки. Ковзний контакт у колі великої потужності спричиняє значні втрати енергії, а за високих напруг наявність такого контакту вкрай небажана. Тому генерато­ри з обертовим якорем і нерухомими полюсами виготовляють тільки для невисоких напруг (до 380/220 В) та невеликих потужностей (до 15 кВ • А).

Найширшого застосування набули синхронні генератори, в яких полюси розміщені на роторі, а якір — на статорі. Струм збудження протікає по обмотці збудження, яка являє собою послідовно з'єднані котушки, розміщені на полюсах ротора. Кінці обмотки збудження з'єднані з контактними кільцями, які закріплюються на валі машини. На кільцях розміщуються нерухомі щітки, через які в обмотку збу­дження підводиться постійний струм від стороннього джерела енергії — генератора постійного струму, який називається збудником.

На рис. 94 подано загальний вигляд синхронного генератора зі збудником. Будова статора синхронного генератора аналогічна будо­ві статора асинхронної машини. Ротор синхронних генераторів вико­нують або з явно вираженими (виступними) полюсами, або з неявно вираженими полюсами, тобто без виступних полюсів.

У машинах з відносно малою частотою обертання (за великої кіль­кості полюсів) у ротора явно виражені полюси (рис. 95, а), рівномірно розміщені по його обводу. Полюс складається з осердя 1, полюсного накінечника 2 та обмотки збудження 3.

Первинні двигуни синхронних генераторів з явно вираженими полюсами являють собою гідравлічні турбіни, які є тихохідними ма­шинами. За великої частоти обертання така будова ротора не може забезпечити потрібної механічної міцності і тому високошвидкісні машини обладнані роторами з неявно вираженими полюсами (рис. 95, б). Осердя роторів з неявно вираженими полюсами виго­товляють із суцільних поковок, на поверхні яких фрезеруються пази. Після укладання обмоток збудження пази ротора забивають клинами, а лобові з'єднання обмотки збудження закріплюють ста­левими бандажами, розміщеними на торцевих частинах ротора. За такої конструкції ротора допускаються високі частоти обертання. Для генераторів з неявно вираженими полюсами первинними дви­гунами є парові турбіни, які належать до швидкохідних машин.