Синхронный генератор и его свойства
Все электрические двигатели и генераторы (постоянного или переменного тока неважно) являются обратимыми машинами. Поэтому сначала вкратце разберём работу трёхфазного генератора.
В генераторе трехфазного переменного тока имеется трехфазная обмотка, размещенная на неподвижной части машины — статоре 1 (рис. 230), и вращающиеся магнитные полюсы — ротор 2 — в виде электромагнитов, питаемых постоянным током.
При вращений ротора обмотки статора пересекаются магнитным потоком и в них индуктируются э. д. с., сдвинутые по фазе на 120°. Такие же э. д. с, можно было бы получить и в том случае, если бы вращалась трехфазная обмотка, а полюсы были неподвижными.
Генератор переменного тока должен обеспечить, в обмотках статора не только определенную величину э. д. с., но и частоту этой э. д. с. В двухполюсном генераторе (см. рис.230), за один оборот ротора мимо каждой обмотки статора полностью проходят оба полюса и индуктированная в обмотках э. д. с. совершает полный
период изменения. Если нужно получить э. д. с. частотой 50 периодов в секунду (50 Гц), то в таком генераторе ротор должен вращаться со скоростью 50 оборотов в секунду.
Следовательно, в двухполюсном генераторе частота переменной э. д. с. равна числу оборотов ротора в секунду
где: n — число оборотов в минуту.
Но если генератор будет иметь не одну пару полюсов, а, например, две пары, то за один оборот ротора в обмотках будут совершаться два периода.изменения э. д, с. При трех парах — три периода и т. д. Поэтому, обозначив число пар полюсов через р, можно написать
f = p·n /60
Отсюда следует, что для получения заданной частоты нужно вращать ротор со строго определенной скоростью. Это соответствие между скоростью ротора и частотой э. д. с. называется синхронизмом, а генераторы трёхфазного переменного тока являются синхронными генераторами.
Скорость, с которой нужно вращать ротор синхронного генератора (синхронная скорость), определяется из приведенной выше формулы
n=60·f/p.
Вращение ротора в генераторах небольшой мощности производится как правило, от дизеля, в соответствии с этим синхронный, генератор называется дизель-генератором. В используемых при этом установках типа ДГА (автоматизированные дизель-генераторные агрегаты, рассчитанные на работу без обслуживающего персонала) применяются: синхроннее генераторы мощностью от 9 до 60 ква.
Величина э. д. с., наведенной в фазе статора, как и для катушки со стальным сердечником, определяется формулой,
Е=4,44fwФ,
где f — частота изменения. э. д. с.;,
w — число витков в фазе статора;
Ф — магнитный поток ротора.
Изменяя ток возбуждения, т.е. магнитный поток ротора, можно изменять э. д. с. синхронного генератора. Такая регулировка осуществляется реостатом в цепи щунтовой обмотки возбудителя. Обмотки статора выводятся на шесть контактных зажимов. Путем переключений эти обмотки включаются звездой или треугольником. Поскольку фазовые напряжения генераторов СГ составляют 133 или 230 В, то при соединении обмоток статора звездой можно получить, линейные напряжения соответственно 230 и 400 В.
СИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
Синхронный генератор подобно генераторам постоянного тока является обратимой машиной и поэтому может быть использован как электродвигатель. При этом обмотка статора должна питаться трехфазным переменным током, а обмотка ротора — постоянным током возбуждения. Однако, для вращения ротора этого недостаточно, так как сила, взаимодействия между магнитным полем ротора
и проводниками статора будет сохранять неизменное направление
только в том случае, если ротор предварительно разогнать до скорости, связанной с частотой изменения, тока в проводниках статора. В этом легко убедиться, если рассмотреть взаимодействие: одного из проводников обмотки статора с магнитным полюсом ротора.
На рис. 233, а северный полюс ротора находится под действием
силы F, которая противоположна силе, действующей на проводник, и направлена по часовой стрелке. Эта сила приводит в движение ротор, по если северный полюс не успеет уйти из зоны проводника, а направление тока в последнем изменится, то движущая ротор сила начнёт действовать в обратную сторону. При таких условиях
вращение ротора будет невозможным.
Другая картина получится, когда в момент изменения направления тока в проводнике к нему подойдет вместо северного полюса южный (рис. 233, б). Как вид, но, в этом, случае действующая на ротор сила F сохраняет прежнее направление. Таким образом, для вращения ротора нужно разогнать его до такой скорости, чтобы за
полпериода изменения тока в проводниках фазы, статора ротор перемещался на величину полюсного деления, т. е. на расстояние между соседними полюсами.
Так как машина имеет р пар полюсов, поэтому число оборотов должно быть в р раз меньше:
n=60·f/p.
Такую скорость мы назвали синхронной.
Чтобы разогнать ротор до синхронной скорости, пользуются обычно так называемым асинхронным пуском, при котором в момент пуска электродвигатель работает как асинхронный. Для этого в полюсах ротора уложена, короткозамкнутая обмотка. При изменении нагрузки синхронный электродвигатель сохраняет постоянным число оборотов. Постоянство скорости — ценное качество синхронных электродвигателей.
В отличие от машин постоянного тока в синхронных электродвигателях, изменение магнитного потока возбуждения не оказывает никакого влияния на скорость ротора. Вместе с тем регулирование возбуждения синхронного электродвигателя при неизменной механической, нагрузке сопровождается изменением величины и фазы
потребляемого им из сети тока. При некотором возбуждении электродвигатель потребляет, из сети наименьший ток, совпадающий по фазе с напряжением (cos φ =1). Другими словами, электродвигатель является в этом случае потребителем только активной мощности, которая идет на создание электромагнитного вращающего
момента.
Если ток возбуждения будет уменьшен, то электродвигатель, развивая прежний вращающий момент, будет потреблять больший ток и к тому же отстающий по фазе от напряжения (cos φ меньше единицы й имеет индуктивный характер).
При этом синхронный электродвигатель наряду с активной потребляет реактивную мощность.
Синхронный электродвигатель, работающий с отстающим током, носит название недовозбуждённого. При увеличении тока возбуждения выше значения, соответствующего cos φ = 1, потребляемый из сети ток возрастает и опережает по фазе напряжение. Реактивная мощность имеет при этом емкостный характер.
Синхронный электродвигатель, потребляющий опережающий ток, называется перевозбужденным. По своему влиянию на сеть, такой электродвигатель подобен емкости; его включение в сеть, способствует улучшению cos φ. Синхронный перевозбужденный электродвигатель, предназначенный только для компенсации индуктивных токов, называется синхронным компенсатором. Синхронные компенсаторы целесообразно применять вместо статических конденсаторов для улучшения cos φ мощных сетей.