6. Цепи трёхфазного тока

В цепях трёхфазного тока различают два вида соединений: Звезда и треугольник.

Звезда – соединение, при котором концы обмоток соединяются в одну точку, а к началам подводятся линейные провода.

Треугольник – соединение, при котором конец предыдущей фазы соединяется с началом последующей , а к местам соединения подключаются линейные провода.

В трёхфазной системе имеют место два напряжения:

- линейное U_л – напряжение между двумя линейными проводами (380 В);

- фазное U_ф – напряжение между началом и концом фазы (220 В).

7. Генераторы

Генератором называется электрическая машина в которой происходит преобразование механической энергии в электрическую.

Генераторы являються основними источниками электроэнергии на судах.

По роду тока генераторы делятся на генераторы постоянного и переменного тока.

Генераторы постоянного тока

Устройство электрической машины постоянного тока

   Электрическая  машина  постоянного  тока состоит из двух основных частей: неподвижной части (индуктора) и в ращающейся части ( якоря ). Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток. Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5. Сердечник якоря набирается из листовой электротехнической стали для уменьшения вихревых токов.

Принцип действия машины постоянного тока

1 - полюсы индуктора, 2 - якорь, 3 – проводники якоря, 4 - щётки 

   Проводники якорной обмотки расположены на поверхности якоря. Контактные щетки размещены на линии геометрической нейтрали, проведенной посредине между полюсами.

Якорь машины приводится во вращение в направлении, указанном стрелкой. Активные стороны якорной обмотки пересекают магнитный потток и в них наводится ЭДС. Направление ЭДС, индуктированных в проводниках якорной обмотки по правилу правой руки. ЭДС якорной обмотки пропорциональна частоте вращения якоря n₂ и магнитному потоку индуктора Ф

                             

      где С_е – электромагнитная постоянная машины.

Классификация генераторов постоянного тока по способу возбуждения:

- генераторы с независимым возбуждением;

- генераторы с самовозбуждением ( параллельного и смешанного возбуждения)

Генератор независимого возбуждения

Магнитное поле генератора с независимым возбуждением создается током возбуждения, подаваемым от постороннего источника энергии или постоянными магнитами. На обмотку возбуждения подаётся постоянное напряжение от постороннего источника. По обмотке возбуждения протекает постоянный ток, который создаёт основной магнитный поток генератора. Якорь генератора вращается приводным двигателем. Обмотка якоря пересекает магнитный поток и в ней наводится ЭДС.

Эксплуатационные качества генератора определяют его характеристики: характеристика холостого хода, внешняя и регулировочная.       Характеристика холостого хода - зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения E = U_хх = f (I_в).    Характеристика показывает в каких пределах изменяеися напряжения генератора.

Внешняя характеристика - зависимость напряжения на зажимах генераторов от величины тока нагрузки U = f (I) при токе возбуждения I_в = const . Характеристика показывает как изменяется напряжение при изменении нагрузки.

      С ростом тока нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается из-за увеличения падения напряжения в якорной обмотке и размагничивающего действия реакции якоря.

Недостатком генератора с независимым возбуждением является необходимость иметь отдельный источник питания.

Генераторы с самовозбуждением.

    Практически используемые генераторы с самовозбуждением имеют одну из двух схем: с параллельным и смешанным возбуждением. На рисунке изображен генератор постоянного тока с параллельным возбуждением.

Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке. В цепь возбуждения включен реостат, который даёт возможность регулировать ток возбуждения R_в. В генераторе со смешанным возбуждением две обмотки: одна последовательная (сериесная), другая параллельна (шунтовая).

Условия самовозбуждения:           - наличие остаточного магнитного потока между полюсами. При вращении якоря остаточный магнитный поток индуцирует в якорной обмотке небольшую остаточную ЭДС;       - магнитный поток обмотки возбуждения должен совпадать по направлению с остаточным; 

- сопротивление цепи возбуждения при данной частоте вращения должно быть меньше критического;

- скорость вращения якоря должна быть больше критической.

Принцип работы генератора.

Якорь генератора вращается посторонним приводным двигателем в поле остаточного магнетизма (Ф_ост), которым обладают железные полюса машины. Обмотка якоря пересекает остаточный магнитный поток и в ней наводится небольшая по величине остаточная ЭДС. Так как к обмотке якоря параллельно подключена обмотка возбуждения то по ней начинает протекать ток возбуждения, который создаёт магнитный поток возбуждения (Ф_в). Два магнитных потока складываются общий магнитный поток растёт растёт величина ЭДС. Напряжение на зажимах генератора при увеличении нагрузки падает по трём причинам: возрастает падение напряжения на обмотке якоря, уменьшается магнитный поток из-за размагничивающего действия реакции якоря и уменьшение тока возбуждения при снижении напряжения. Данный тип генераторов используется в качестве возбудителей для синхронных генераторов.

Основными генераторами электростанций постоянного тока обычно являются генераторы смешанного возбуждения, которые наряду с параллельной обмоткой возбуждения имеют ещё и последовательную обмотку. Эти генераторы имеют наиболее жесткую внешнюю характеристику (Напряжение такого генератора практически не изменяется с изменением нагрузки) так как последовательная обмотка обеспечивает некоторую стабилизацию напряжения . При увеличении нагрузки, увеличивается ток последовательной обмотки, магнитный поток которой, компенсирует размагничивающее действие реакции якоря и уменьшение магнитного потока за счёт уменьшения тока возбуждения.

Генераторы переменного тока

Синхронным называется генератор частота переменного тока которого однозначно связана со скоростью вращения ротора

Где: f – частота переменного тока; n – скорость вращения ротора

Генераторы переменного тока могут быть однофазные и трёхфазные

Если вращать ротор-индуктор, то в обмотке статора будет индуктироваться переменная ЭДС. Если обмотка статора однофазная то в ней индуктируется однофазная переменная ЭДС. Если на статоре уложено три обмотки, сдвинутые в пространстве на 120⁰ ( трёхфазная обмотка) то в них наводится трёхфазная система ЭДС.

Устройство синхронного генератора

Основными генераторами судовой электростанции являются синхронные генераторы, первичными двигателями которых могут служить двигатели внутреннего сгорания (дизели), турбины и другие приводные двигатели. Статор является неподвижной частью синхронной машины и состоит из корпуса и сердечника, в пазах которого располагается статорная обмотка, предназначенная для индуктирования в ней ЭДС. Сердечник статора набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, в которых вырубают пазы для укладки проводников обмотки статора.

Ротор синхронного генератора представляет собой вал, на котором укреплены сердечники полюсов в явновыраженных синхронных машин или набирают из листов электротехнической стали в неявновыраженных синхронных машинах .

В высокоскоростных синхронных генераторах выполняются неявновыраженные полюса для обеспечения нужной механической прочности.

Обмотка возбуждения выполняется из медного провода , концы выводятся на контактные кольца, установленные на роторе. Токосъём с контактных колец осуществляется с помощью щёток, установленных в щёткодержателях и прижимаемых к контактной поверхности пружинами.

В синхронных генераторах применяют два основных способа возбуждения: независимое (а) и самовозбуждение (б).

При независимом возбуждении обмотка возбуждения питается от генератора постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения, расположенного на валу ротора синхронного генератора и вращающегося вместе с ним (большой мощности).

При самовозбуждении питание обмотки возбуждения осуществляется самим синхронным генератором через выпрямитель (малой и средней мощности).

Принцип действия синхронного генератора

При помощи первичного двигателя ротор-индуктор вращается. Магнитное поле находится на роторе и вращается вместе с ним, поэтому скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля – отсюда название синхронная машина. В синхронном генераторе частота переменного тока однозначно связана и изменяется синхронного с частотой вращения ротора ( где f частота пекременного тока; p –число пар полюсов генератора; n – скорость вращения ротора).

При вращении ротора его магнитный поток пересекает статорную обмотку и наводит в ней трёхфазную систему ЭДС. ЭДС по закону электромагнитной индукции: 

Тогда: Е = С_Е*п*Ф,

Где: С_Е – электромагнитная постоянная машины ;

п – скорость вращения ротора;

Ф – магнитный поток машины.

Таким образом, как и у любого генератора, основанного на законе электромагнитной индукции, индуктированная ЭДС пропорциональна магнитному потоку машины и скорости вращения ротора.

Основными характеристиками СГ принято считать внешние и регулировочные.

.

Внешняя характеристика - это зависимость напряжения на выводах обмотки статора генератора от тока нагрузки при номиналь­ной частоте вращения и постоянных значениях тока возбуждения и коэффициента мощности.

При увеличении нагрузки или изменении её характера напряжение падает .

Регулировочная характеристика - это зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при номинальной частоте вращения и постоянных значениях напряжения на выводах генератора и коэффи­циента мощности. Регулировочная характеристика показывает как необходимо изменять ток возбуждения, чтобы при изменении нагрузки напряжение оставалось постоянным.

Системы возбуждения СГ

На судах используются СГ с различными системами возбуждения, в которых изменение тока возбуждения происходит автоматически. Системы возбуждения СГ бывают трех видов: с независимым возбуждением, с самовоз­буждением и бесщёточные .

При независимом возбуждении в качестве источника возбуждения используется возбудитель В - генератор постоянного тока небольшой мощности с параллельной обмоткой возбуждения ОВВ, сидящий чаще всего на одном валу с синхронным генератором СГ. Регулятор возбуждения R предназначен для регулирования напряжения вручную. Применение в качестве возбудителя добавочной электрической машины постоянного тока усложняет конструкцию и снижает надежность СГ.

Создание мощных и надежных полупроводниковых вентилей обес­печило переход на самовозбуждение СГ, при котором мощность для цепи возбуждения отбирается от 3-фазной обмотки статора СГ и подается в обмотку возбуждения ОВГ через трансформатор Т и выпря­митель UZ .

В обоих рассмотренных случаях на валу СГ находятся 2 контакт­ных кольца с установленными на них щетками, что усложняет конст­рукцию и снижает надежность генераторов. Для облегчения работы щеточного аппарата напряжение возбуждения уменьшают до несколь­ких десятков вольт (например, при помощи трансформатора), но одновременно увеличивают ток возбуждения. Это позволяет сохра­нить мощность цепи возбуждения в необходимых пределах (5-10 % номинальной мощности СГ).

Указанных недостатков лишены бесщеточные . В общем корпусе БСГ находят­ся синхронный генератор СГ и его возбудитель - асинхронный генера­тор ДГ. При вращении ротора БСГ возникающая на зажимах СГ 3-фазная ЭДС передается на обмотку статора Ст асинхронного генерато­ра, в которой образуется вращающееся магнитное поле. Это поле наводит в обмотке ротора Р асинхронного генератора 3-фазную ЭДС, которая выпрямляется полупроводниковым выпрямителем UZ (за­креплен на валу БСГ). Выпрямленное напряжение поступает на обмотку возбуждения ОВГ синхронного генератора. Вращающаяся часть системы обведена штрихпунктирной линией.

Таким образом, система возбуждения БСГ сочетает характерные признаки систем с независимым возбуждением (имеется возбудитель в виде АГ) и самовозбуждением (мощность для возбуждения АГ отби­рается от обмотки статора СГ).