Возбудитель генератора принцип работы

Возбудитель генератора принцип работы

Принцип действия простейшего синхронного генератора и трехфазого генератора переменного тока был рассмотрен ранее (см. § 6.1 и §7.1). Поскольку на роторе могут быть расположены неявно выраженные или явно выраженные полюса, то в соответствии с этим машину называют неявнополюсной или явнополюсной. Явнополюсными выполняют роторы тихоходных (не больше 1000 об/мин) генераторов, используемых для работы, например, с гидротурбинами (гидрогенераторы). Неявнополюсными выполняют роторы быстроходных (1500. 3000 об/мин) генераторов паровых турбин (турбогенераторы).

Для электростанции с двигателем внутреннего сгорания предназначены генераторы с независимым возбуждением от машинных возбудителей, генераторы с самовозбуждением от твердых или механических выпрямителей.

Схема генератора с машиннным возбудителем изображена на рисунке 10.1.

Ток в обмотку ротора поступает от генератора постоянного тока с параллельным возбуждением — возбудителя, расположенного на валу синхронного генератора. Мощность возбудителя составляет всего 0,3. 3% мощности синхронного генератора. Меньшее значение относится к более мощным генераторам. Напряжение возбудителя генераторов сельских станций не превышает 115 В. Номинальное напряжение этих генераторов составляет 133/230 В, 230/400 В, 400/690 В.

Генераторы с самовозбуждением подразделяются на генераторы с твердыми полупроводниковыми выпрямителями и генераторы с механическим выпрямителем. На рисунке 102 изображена схема генератора с самовозбуждением от полупроводниковых выпрямителей. Принцип действия такого генератора заключается в следующем. При вращении генератора вхолостую в обмотке статора под влиянием остаточного магнетизма полюсов ротора индуктируется небольшая э.д.с. Эта э.д.с. через выпрямители ВС приложена к обмотке возбуждения ОВГ. В замкнутой цепи обмотки возбуждения протекает ток, который усиливает поток остаточного магнетизма, вследствие чего возрастает э.д.с. в обмотке статора. Ток возбуждения увеличивается еще более ит. д.

На рисунке 10.3 приведена упрощенная схема генератора с механическим выпрямителем. В пазах статора, кроме основной силовой обмотки ОО, уложена вспомогательная обмотка ДО с небольшим числом витков, соединенная в звезду или треугольник изолированно от основной. На роторе расположены обмотка возбуждения ОВ и механический выпрямитель MB, напоминающий по устройству и принципу действия коллектор машин постоянного тока. К щеткам через механический выпрямитель подключены концы вспомогательной обмотки якоря, а на кольца выведены концы обмотки индуктора ОВ. На рисунке 10.3, б показан характер тока в цепи обмотки возбуждения.

Виды электрических генераторов и принципы их работы

Электрическим генератором называется машина или установка, предназначенная для преобразования энергии неэлектрической — в электрическую: механической — в электрическую, химической — в электрическую, тепловой — в электрическую и т. д. Сегодня в основном, произнося слово «генератор», мы имеем ввиду преобразователь механической энергии — в электрическую.

Это может быть дизельный или бензиновый переносной генератор, генератор атомной электростанции, автомобильный генератор, самодельный генератор из асинхронного электродвигателя, или тихоходный генератор для маломощного ветряка. В конце статьи мы рассмотрим в качестве примера два наиболее распространенных генератора, но сначала поговорим о принципах их работы.

Так или иначе, с физической точки зрения принцип работы каждого из механических генераторов — один и тот же: явление электромагнитной индукции, когда при пересечении линиями магнитного поля проводника — в этом проводнике возникает ЭДС индукции. Источниками силы, приводящей к взаимному перемещению проводника и магнитного поля, могут быть различные процессы, однако в результате от генератора всегда нужно получить ЭДС и ток для питания нагрузки.

Принцип работы электрического генератора — Закон Фарадея

Принцип работы электрического генератора был открыт в далеком 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем. Позже этот принцип назвали законом Фарадея. Он заключается в том, что при пересечении проводником перпендикулярно магнитного поля, на концах этого проводника возникает разность потенциалов.

Первый генератор был построен самим Фарадеем согласно открытому им принципу, это был «диск Фарадея» — униполярный генератор, в котором медный диск вращался между полюсами подковообразного магнита. Устройство давало значительный ток при незначительном напряжении.

Позже было установлено, что отдельные изолированные проводники в генераторах проявляют себя гораздо эффективнее с практической точки зрения, чем сплошной проводящий диск. И в современных генераторах применяются теперь именно проволочные обмотки статора (в простейшем демонстрационном случае — виток из проволоки).

Генератор переменного тока

В подавляющем своем большинстве современные генераторы — это синхронные генераторы переменного тока. У них на статоре располагается якорная обмотка, от которой и отводится генерируемая электрическая энергия. На роторе располагается обмотка возбуждения, на которую через пару контактных колец подается постоянный ток, чтобы получить вращающееся магнитное поле от вращающегося ротора.

За счет явления электромагнитной индукции, при вращении ротора от внешнего привода (например от ДВС), его магнитный поток пересекает поочередно каждую из фаз обмотки статора, и таким образом наводит в них ЭДС.

Чаще всего фаз три, они смещены физически на якоре друг относительно друга на 120 градусов, так получается трехфазный синусоидальный ток. Фазы можно соединить по схеме «звезда» либо «треугольник», чтобы получить стандартное сетевое напряжение.

Частота синусоидальной ЭДС f пропорциональна частоте вращения ротора: f = np/60, где — p — число пар магнитных плюсов ротора, n – количество оборотов ротора в минуту. Обычно максимальная скорость вращения ротора — 3000 оборотов в минуту. Если подключить к обмоткам статора такого синхронного генератора трехфазный выпрямитель, то получится генератор постоянного тока (так работают, кстати, все автомобильные генераторы).

Упрощенная схема трехфазного генератора переменного тока:

Трехмашинный синхронный генератор

Конечно, у классического синхронного генератора есть один серьезный минус — на роторе располагаются контактные кольца и щетки, прилегающие к ним. Щетки искрят и изнашиваются из-за трения и электрической эрозии. Во взрывоопасной среде это не допустимо. Поэтому в авиации и в дизель-генераторах более распространены бесконтактные синхронные генераторы, в частности — трехмашинные.

У трехмашинных устройств в одном корпусе установлены три машины: предвозбудитель, возбудитель и генератор — на общем валу. Предвозбудитель — это синхронный генератор, он возбуждается от постоянных магнитов на валу, генерируемое им напряжение подается на обмотку статора возбудителя.

Статор возбудителя действует на обмотку на роторе, соединенную с закрепленным на ней трехфазным выпрямителем, от которого и питается основная обмотка возбуждения генератора. Генератор генерирует в своем статоре ток.

Газовые, дизельные и бензиновые переносные генераторы

Сегодня очень распространены в домашних хозяйствах дизельные, газовые и бензиновые генераторы, которые в качестве приводных двигателей используют ДВС — двигатель внутреннего сгорания, передающий механическое вращение на ротор генератора.

У генераторов на жидком топливе имеются топливные баки, газовым генераторам — необходимо подавать топливо через трубопровод, чтобы затем газ был подан в карбюратор, где превратится в составную часть топливной смеси.

Во всех случаях топливная смесь сжигается в поршневой системе, приводя во вращение коленвал. Это похоже на работу автомобильного двигателя. Коленвал вращает ротор бесконтактного синхронного генератора (альтернатора).

Лучшие инверторные генераторы домашних электростанций имеют встроенный аккумулятор для компенсации перепадов и систему двойного преобразования, у таких устройств переменное напряжение получается более стабилизированным.

Автомобильные генераторы

Еще один пример генератора переменного тока — самый распространенный в мире вид генератора — автомобильный генератор. Данный генератор традиционно содержит обмотку возбуждения с контактными кольцами на роторе и трехфазную обмотку статора с выпрямителем.

Встроенный электронный регулятор удерживает напряжение в допустимых для автомобильного аккумулятора пределах. Автомобильный генератор — высокооборотный генератор, его обороты могут достигать 9000 в минуту.

Хотя изначально ток получается переменным (полюсные наконечники ротора поочередно и в разной полярности пересекают своими магнитными потоками три фазы обмотки статора), затем он выпрямляется диодами и превращается в постоянный, пригодный для зарядки аккумулятора.

Необычные конструкции электрических генераторов:

Изготовление и монтаж тиристорных возбудителей для синхронных генераторов

На сахарных заводах России в настоящее время эксплуатируются более 100 турбогенераторов, мощностью от 2,5 до 12,0 МВт. Большая часть турбогенераторов находится в работе с 50-80 годов прошлого столетия.

Более 70% турбогенераторов изготовлены отечественными производителями, а именно Калужским турбинным заводом, Лысвенским электромеханическим объединением, Ленинградским объединением «Энергосила».

Основная масса турбогенераторов оборудована электромашинными возбудителями постоянного тока, приводимыми в движение от вала генератора, имеют щеточно-коллекторные узлы. Электромашинные возбудители характеризуются значительной инерционностью, а, следовательно, обладают малой скоростью нарастания напряжения возбуждения. Вследствие этого обстоятельства обслуживающий персонал ТЭЦ для обеспечения устойчивой работы и исключения аварийной остановки генератора снижает активную мощность до 85-90% от номинальной мощности генератора.

Следует отметить, что электромашинные возбудители постоянного тока при длительной эксплуатации и условий коммутации имеют значительный износ щеточно-коллекторного узла, что приводит зачастую к аварийным остановкам генератора.

Для повышения надежности работы генератора и обеспечения оптимальной электрической мощности необходимо применять быстродействующие тиристорные системы возбуждения, которые требуют в 2,5-3 раза меньше материальных затрат по сравнению с электромашинными возбудителями постоянного тока.

В настоящее время на ряде предприятий сахарной, химической промышленностей, в энергетике, как в России, так и за рубежом введены в эксплуатацию новые быстродействующие тиристорные возбудители серии УВГ для синхронных генераторов мощностью до 12 МВт.

Принцип работы тиристорной системы

На рис.1 приведена структурная схема тиристорного возбудителя.

(нажмите на рисунок, чтобы увеличить)

Основным элементом возбудителя является тиристорный преобразователь.

Питание преобразователя осуществляется от сети переменного тока через автоматический выключатель QF1 и согласующий силовой трансформатор TV1. В одну фазу вторичной обмотки трансформатора TV1 включен трансформатор тока ТА2. Напряжение на вторичной обмотке ТА2 прямо пропорционально выпрямленному току нагрузки преобразователя и используется в цепи ограничений и для стабилизации тока ротора.

В цепи двух фаз вторичной обмотки TV1 включены токовые реле защиты от короткого замыкания преобразователя (КА1, КА2). Параллельно обмотке возбуждения синхронного генератора через тиристорный ключ AS подключено сопротивление RS. Параллельно RS включен трансформатор-датчик частоты скольжения TVS, сигнал от которого поступает в блок защиты от асинхронного хода. Цепь ротора подключена к блоку сигнализации «земли» в роторе.

Система возбуждения УВГ выполняется по схеме питания тиристорного преобразователя от шин генератора через выпрямительный трансформатор TV1. Питание цепей управления и регулирования осуществляется от вторичной обмотки выпрямительного трансформатора.

Система возбуждения по требованию заказчика может быть выполнена со 100% резервированием по аппаратуре управления, регулирования и защит.

Система управления и регулирования тиристорным возбудителем выполнена на основе аналого-цифровой схемотехники и состоит из следующих основных устройств:

• автоматического PID-регулятора возбуждения;
• устройства цифровой дистанционной уставки;
• блока защиты системы возбуждения и генератора;
• устройства индикации состояния готовности системы возбуждения;
• высокоточной системы фазоимпульсного управления;
• блока стабилизированного питания.

Автоматический регулятор возбуждения выполнен по PID-закону управления.

В регуляторе предусмотрена возможность изменения его конфигурации за счет дискретного изменения коэффициента усиления, ввода или вывода дифференциальной и интегральной составляющей сигнала управления.

Реализация функций управления осуществляется путем приема преобразования и логической обработки информации от входных аналоговых датчиков и команд оператора. При этом система возбуждения обеспечивает следующие режимы и параметры тиристорного возбудителя:

• начальное возбуждение от сети собственных нужд или от источника постоянного тока 24В (аккумуляторная батарея);
• работу в объединенной или автономной энергосистеме с нагрузками от холостого хода до номинальной;
• остановку генератора при аварийных режимах;
• форсировку возбуждения с заданной кратностью и развозбуждения при нарушениях в энергосистеме, вызывающих соответственно снижение или увеличение напряжения на шинах станции или генератора по отношению к заданной статической характеристикой;
• развозбуждение и гашение поля ротора при нормальном штатном отключении генератора с переводом тиристорного возбудителя в инверторный режим;
• поддержание напряжения на шинах генератора по отклонению и интегрально—дифференцирующему закону и их комбинациях с точностью ± 0,5% относительно заданной статической характеристики;
• устойчивое и равномерное распределение реактивной мощности между однотипными генераторами, работающими параллельно между собой или с сетью неограниченной мощности;
• местное или дистанционное изменение цифровой уставки регулятора со скоростью 0,3% /с в диапазоне от 80% до 110 % номинального напряжения генератора;
• ограничение максимальной величины тока ротора генератора по время- зависимой характеристики в соответствии с его параметрами;
• ограничение минимального тока возбуждения в зависимости от величины активного тока генератора;
• отключение от сети оператором или автоматически под воздействием защит.

Система управления обеспечивает полное открытие тиристоров. Во всем диапазоне управления противофазная асимметрия импульсов управления не превышает ± 1 эл.град., междуфазная асимметрия импульсов управления ± 2 эл.град.

Тиристорный преобразователь собран на сильноточных тиристорах по трехфазной мостовой или нулевой схеме, в зависимости от параметров генератора. Охлаждение тиристоров? естественное (воздушное).

Возбудители серии УВГ имеют защиты:

• От коротких внутренних замыканий;
• От коротких внешних замыканий со стороны постоянного тока;
• От длительного синхронного режима;
• От перенапряжения в цепи ротора.

Разработка и изготовление тиристорного возбудителя производиться в строгом соответствии с параметрами обмотки возбуждения конкретного генератора, что гарантирует устойчивую работу системы.

Возбудитель обеспечивает:

• Работу в автономном режиме, без внешней энергосистемы;
• Параллельную работу с другими генераторами, а также с сетью неограниченной мощности;
• Начальное возбуждение турбогенератора;
• Автоматическое и ручное регулирование возбуждения.

Тиристорная система УВГ поставляется полностью отрегулированной и настроенной. Проверкам, регулированию и настройке подлежат только параметры характеристики, которые могут изменяться в связи с особенностью режимов работы системы возбуждения в целом.

Устройство возбуждением генератора состоит из шкафа управления двухстороннего обслуживания и отдельно стоящего силового трансформатора, входящего в комплект поставки оборудования. Шкаф управления служит для подключения тиристорного преобразователя к силовому трансформатору и обмотке возбуждения генератора, а также содержит всю аппаратуру управления, индикации.

Опыт работы возбудителей УВГ показал их эксплуатационную надежность, высокие энергетические показатели по сравнению с электромашинными возбудителями, которые требуют постоянного технического обслуживания счеточно-коллекторного узла, являющегося наиболее слабым и ненадежным элементом. Быстродействующая электронная система регулирования возбуждения обеспечивает высокую точность поддержания напряжения генератора при статических и динамических изменениях нагрузки во всем диапазоне, что позволяет повысить активную мощность генератора на 10-15%.

Целесообразно внедрять тиристорные возбудители серии УВГ на предприятиях, где имеет место значительный износ электромашинных возбудителей, отсутствует система форсировки возбуждения и наблюдается дефицит электрической мощности.

ООО ИК «Вектор» является официальным представителем Санкт- Петербургского предприятия-изготовителя тиристорных возбудителей и внедряет данные системы для генераторов.

Гарантия системы тиристорного возбуждения -18 месяцев с момента пуска, срок службы не менее 20 лет.

Стоимость изготовления, комплектации и выполнения работ составляет 1,7 млн. руб. Возможно, предусмотреть 100% резервирование.

В случае необходимости в замене электромашинных возбудителей постоянного тока синхронных генераторов мы готовы провести работы по модернизации системы возбуждения.

Устройство и принцип работы синхронного генератора

Синхронным генератором (СГ) называют устройство, выполняющее функцию трансформации механической энергии в электрическую. Принцип работы и устройство синхронного генератора достаточно просты и надежны. Такое энергетическое оборудование востребовано для использования в мобильных авторемонтных мастерских, для ремонта и обслуживания станков-качалок, спецмашин нефтегазовой отрасли, на ГЭС, ТЭС, АЭС, в транспортных системах.

Основные конструктивные элементы

В конструкцию статора входит корпус, внутри которого расположен сердечник, или пакет, собираемый из листов электротехнической стали особой формы. На качество электрического тока влияют такие факторы как: цельность листов в пакете (бывают цельными или составными), качество и материал обмотки. Для обмотки применяется медный эмаль-провод, а в дешевых устройствах возможна замена меди на алюминий.

Роторы изготавливаются явнополюсными или неявнополюсными.

• Явнополюсные роторы предназначены для синхронных генераторов, работающих с двигателями внутреннего сгорания с низкой частотой вращения — 1500 и 3000 об/мин.
• Неявнополюсные роторы востребованы в высокоскоростных (более 3000 об/мин) механизмах переменного электрического тока высокой мощности. Обычно их размещают на одном валу с паровыми турбинами. Такие СГ называют «турбогенераторы».

Определение скорости вращения

Понятие «синхронный» означает, что число оборотов находится в прямой математической зависимости от частоты тока. Эта зависимость определяется по формуле n = 60*f/p, где:

• n — скорость вращения, об/мин;
• f — частота, в бытовой электрической сети она равна 50 Гц;
• p — количество пар полюсов.

Принцип работы СГ

Принцип действия машины в режиме синхронного генератора:

1. При пропускании через обмотку возбуждения постоянного тока образуется стабильное во времени магнитное поле с чередующейся полярностью.
2. При вращении магнитного поля относительно проводников обмотки якоря возбуждаются переменные ЭДС.
3. Переменные ЭДС суммируются, образуя ЭДС фаз. Трехфазная система образуется тремя одинаковыми обмотками, размещаемыми на якоре под электрическим углом друг к другу, равным 120°.

В случаях, если централизованное электроснабжение имеет недостаточную мощность или отсутствует, как, например, на удаленных стройплощадках, нефтегазодобывающих объектах, морских и воздушных судах, СГ в составе с двигателем внутреннего сгорания функционируют в автономном режиме. При необходимости создания мощных источников питания синхронные двигатели включают на параллельную работу. Такой способ включения позволяет более полно использовать мощность каждой машины и при необходимости выводить отдельные СГ в ремонт без прекращения эффективного электроснабжения потребителей.

Второй режим работы синхронной машины — выполнение функций электродвигателя. Обычно СГ востребован в качестве двигателя в высокомощных установках более 50 кВт. Для работы в режиме электродвигателя обмотку статора подключают к электросети, а обмотку ротора — к источнику постоянного тока. Вращающий момент возникает при взаимодействии вращающегося магнитного поля СГ с постоянным током обмотки возбуждения.

Возбудитель генератора принцип работы

Работа синхронного генератора основана на явлении электромагнитной индукции и заключается в преобразовании механической энергии в электрическую энергию переменного тока.

На рис. 2.1 изображена простейшая модель однофазного генератора переменного тока. Вращающуюся часть генератора называют ротором, неподвижную — статором или якорем. Щетки А и В наложены на контактные кольца, соединенные с концами обмотки ротора.

Если предположить, что магнитная индукция В распределяется в воздушном зазоре синусоидально — В = Вмакс sin а (как будет показано далее,ре-альная картина распределения индукции отличается от синусоидальной и имеет вид кривой / на рис.3.2), то ЭДС,индуктируемая в якорной обмотке генератора,будет иметь вид:

e = Blv = BMaKClvsma

Под действием этой ЭДС в цепи генератора, замкнутой на нагрузку Z, появится переменный ток /’. Частота переменной ЭДС рассматриваемого генератора определяется частотой вращения ротора: при одной паре полюсов поля возбуждения (р = 1) одному обороту ротора соответствует один период переменного тока. В общем случае частота ЭДС синхронного генератора / (Гц) прямо пропорциональна частоте вращения ротора я2 [об/мин], т.е.

fi=pnS60. (2.1) Обмотка, в которой индуктируется ЭДС, расположена на неподвижной части генератора — на статоре 1 (рис. 2.2). При этом обмотку возбуждения располагают на роторе 2. Такая конструктивная схема наиболее рациональна

в синхронных машина большой мощности, так как при расположении рабочей обмотки на роторе пришлось бы передавать в рабочую обмотку через контактные кольца значительные мощности при напряжении до 20 кВ. В этих условиях работа контактных колец и щеток стала бы весьма ненадежной, а потери энергии в щеточном контакте — значительны. При расположении рабочей обмотки на статоре выводы этой обмотки присоединяют непосредственно к электрической сети. Конечно, и в этом случае машина не избавляется от контактных колец и щеток, необходимых для соединения обмотки возбуждения с возбудителем. Но так как величина тока возбуждения в десятки раз меньше рабочего (переменного) тока, а напряжение не превышает 450 В, то щеточный контакт работает более надежно, а потери энергии в нем невелики.

Исходя из перечисленных соображений синхронные машины, как правило, выполняют с рабочей обмоткой, располагаемой на статоре.

Обмотка статора синхронных машин обычно представляет собой трехфазную обмотку, соединяемую в звезду или треугольник.

На роторе расположена обмотка возбуждения, при подключении которой к источнику постоянного тока (возбудителю) возникает магнитное поле возбуждения. Посредством первичного двигателя ротор генератора приводят во вращение со скоростью «2- При этом магнитное поле ротора вращаясь индуктирует в трехфазной обмотке статора ЭДС ЁА, Ёв, Ёс, которые, будучи одинаковыми по величине и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120 эл. град), образуют трехфазную симметричную систему ЭДС.

Большинство синхронных генераторов проектируют на промышленную частоту 50 Гц. Для получения ЭДС такой частоты необходимо, чтобы частота вращения ротора была равна п2 = 50 • 60/р = 3000/р.

Возбуждение синхронных машин

В синхронных машинах применяют два способа возбуждения: электромагнитное и возбуждение постоянными магнитами.

При электромагнитном возбуждении основной магнитный поток создается посредством обмотки возбуждения. В синхронных генераторах с электромагнитным возбуждением распространение получила электромашинная система возбуждения синхронных машин, при которой источником постоянного тока для питания обмотки возбуждения синхронной машины является генератор постоянного тока, называемый возбудителем.

В зависимости от источника механической энергии для привода возбудителя электромашинную систему возбуждения разделяют на прямую, когда ротор возбудителя механически сопряжен с валом синхронной машины, и косвенную, когда для вращения ротора возбудителя используют специальный двигатель, например, асинхронный.

Преобладающее применение получила прямая электромашинная система возбуждения. При этом в мощных синхронных генераторах в качестве возбудителя В используют генератор независимого возбуждения, обмотка возбуждения которого получает питание от другого генератора постоянного тока, называемого подвозбудителем ПВ (рис. 2.3). Такая система возбуждения обеспечивает синхронному генератору более устойчивую работу и лучшие регулировочные свойства.

За последние годы все более широкое распространение получают системы самовозбуждения, в которых энергия, необходимая для возбуждения, отбирается от рабочей (статорной) обмотки синхронной машины, преобразуется посредством полупроводниковых или механических выпрямителей и подается в цепь возбуждения синхронной машины (рис. 2.4).

Перспективной является система прямого электромашинного возбуждения, при которой в качестве возбудителя используют генератор переменного тока с рабочей обмоткой на роторе (обмотка возбуждения на статоре). Так как роторы возбудителя и основного синхронного генератора расположены на

общем валу, то выводы рабочей обмотки возбудителя присоединяют к выводам обмотки возбуждения без посредства контактных колец и щеток, а для преобразования переменного тока возбудителя в постоянный применяют полупроводниковый выпрямитель, закрепленный на валу машины и вращающийся вместе с ним. Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронной машины позволяет уменьшить потери в цепи возбуждения и повысить надежность синхронной машины. Мощность, затрачиваемая на возбуждение синхронных машин, обычно составляет от 0,2 до 5 % мощности синхронной машины при напряжении до 450 В.

При возбуждении синхронных машин постоянными магнитами последние обычно располагают на роторе. Этот способ возбуждения дает возможность получить машину без контактных колец. Отсутствие в такой машине обмотки возбуждения уменьшает электрические потери, а следователь-но7повышает КПД.

Синхронные машины с постоянными магнитами обычно выполняют на малые мощности.

Успехи в области развития полугаэоводниковой техники позволили в 1946—1964 гг. создать серии синхронных генераторов с системами самовозбуждения, содержащими полущэоводниковые (селеновые) выпрямители. Эти системы, называемые системами прямого компаундирования, поддерживают с заданной степенью точности напряжение на зажимах генератора, что достигается автоматическим регулированием тока возбуждения в функции тока якоря машины. Различают системы фазового и токового компаундирования. В первых для стабилшации напряжения используется не только значение, но и фаза тока якоря, во вторых—только значение. В первом случае обеспечивается точность поддержания напряжения ±5%, во втором—эта точность составляет ±10%.

Рис. 2.4. Принципиальная схема синхронного генератора с фазовым (а) и токовым (б) компаундированием: / — машина; 2 — обмотка возбуждения: 3 — трансформатор тока; 4 — трансформатор напряжения;

5 — дроссель; 6, 6 б»—выпрямители

Классическая схема фазового компаундирования показана на рис. 2.4, а, а токового — на рис. 2.4, б. На рис. 2.4, а производится суммирование напряжений, пропорциональных напряжению генератора, получаемых от трансформаторов напряжения (ТН),и пропорциональных току якоря, получаемых от трансформатора тока (ТТ); L—уравнительный реактор. Так как напряжение вторичной обмотки ТН смещено на 90° по отношению к напряжению вторичной обмотки ТТ, то в данной схеме удается воспроизвести закон изменения тока возбуждения, близкий к регулировочной характеристике.

Более высокие показатели в отношении устойчивости и управляемости синхронной машины можно получить, если расположить на роторе две взаимно перпендикулярные обмотки возбуждения. При подключении двух одинаковых обмоток возбуждения к двухфазному источнику переменного напряжения с частотой скольжения по обмоткам ротора будут протекать синусоидальные токи. Эти токи создадут вращающееся магнитное поле возбуждения, частота вращения которого относительно ротора будет такой же, как в асинхронной машине.

Синхронные машины, содержащие на роторе двухфазную обмотку возбуждения, питающуюся переменными токами частот fr’sfi, называются асин-хронизированными.

Генератор авто. Устройство и как работает

Как работает

При пуске двигателя автомобиля основным потребителем электроэнергии является стартер, сила тока достигает сотен ампер, что вызывает значительное падение напряжения аккумулятора. В этом режиме потребители питаются только от аккумулятора, который интенсивно разряжается. Сразу после пуска двигателя генератор становится основным источником электроснабжения.

Генератор авто является источником постоянной подзарядки аккумуляторной батареи во время работы двигателя. Если он не будет работать, аккумулятор быстро разрядиться. Он обеспечивает требуемый ток для заряда АКБ и работы электроприборов. После подзарядки аккумулятора, генератор снижает зарядный ток и работает в штатном режиме.

Привод и крепление

Привод осуществляется от шкива коленчатого вала ременной передачей. Чем больше диаметр шкива на коленчатом валу и меньше диаметр шкива, тем выше обороты генератора, соответственно, он способен отдать потребителям больший ток.

Устройство и из чего состоит

Любой генератор автомобиля содержит статор с обмоткой, зажатый между двумя крышками — передней, со стороны привода, и задней, со стороны контактных колец. Генераторы крепятся в передней части двигателя болтами на специальных кронштейнах. Крепежные лапы и натяжная проушина находятся на крышках.

Крышки, отлитые из алюминиевых сплавов, имеют вентиляционные окна, через которые воздух продувается вентилятором. Генераторы традиционной конструкции снабжены вентиляционными окнами только в торцевой части, а «компактной» конструкции — еще на цилиндрической части над лобовыми сторонами обмотки статора.

На крышке со стороны контактных колец крепятся щеточный узел, который объединен с регулятором напряжения, и выпрямительный узел. Крышки обычно стянуты между собой тремя или четырьмя винтами, причем статор оказывается зажат между крышками, посадочные поверхности которых охватывают статор по наружной поверхности.

Статор генератора: 1 — сердечник, 2 — обмотка, 3 — пазовый клин, 4 — паз, 5 — вывод для соединения с выпрямителем

Статор набирается из стальных листов толщиной 0.8. 1 мм, но чаще выполняется навивкой «на ребро». При выполнении пакета статора навивкой ярмо статора над пазами обычно имеет выступы, по которым при навивке фиксируется положение слоев друг относительно друга. Эти выступы улучшают охлаждение статора за счет более развитой наружной поверхности.

Необходимость экономии металла привела к созданию конструкции пакета статора, набранного из отдельных подковообразных сегментов. Скрепление между собой отдельных листов пакета статора в монолитную конструкцию осуществляется сваркой или заклепками. Практически все генераторы автомобилей массовых выпусков имеют 36 пазов, в которых располагается обмотка статора. Пазы изолированы пленочной изоляцией или напылением эпоксидного компаунда.

Ротор автомобильного генератора: а — в сборе; б — полюсная система в разобранном виде; 1,3- полюсные половины; 2 — обмотка возбуждения; 4 — контактные кольца; 5 — вал

Особенностью автомобильных генераторов является вид полюсной системы ротора. Она содержит две полюсные половины с выступами — полюсами клювообразной формы по шесть на каждой половине. Полюсные половины выполняются штамповкой и могут иметь выступы. В случае отсутствия выступов при напрессовке на вал между полюсными половинами устанавливается втулка с обмоткой возбуждения, намотанной на каркас, при этом намотка осуществляется после установки втулки внутрь каркаса.

Валы роторов выполняются из мягкой автоматной стали. Но при применении роликового подшипника, ролики которого работают непосредственно по концу вала со стороны контактных колец, вал выполняется из легированной стали, а цапфа вала закаливается. На конце вала, снабженном резьбой, прорезается паз под шпонку для крепления шкива.

Во многих современных конструкциях шпонка отсутствует. В этом случае торцевая часть вала имеет углубление или выступ под ключ в виде шестигранника. Это позволяет удерживать вал от поворота при затяжке гайки крепления шкива, или при разборке генератора, когда необходимо снять шкив и вентилятор.

Щеточный узел — это конструкция, в которой размещаются щетки т.е. скользящие контакты. В автомобильных генераторах применяются щетки двух типов — меднографитные и электрографитные. Последние имеют повышенное падение напряжения в контакте с кольцом по сравнению с меднографитными. Они обеспечивают значительно меньший износ контактных колец. Щетки прижимаются к кольцам усилием пружин.

Выпрямительные узлы применяются двух типов. Это либо пластины-теплоотводы, в которые запрессовываются диоды силового выпрямителя, либо конструкции с сильно развитым оребрением и диоды припаиваются к теплоотводам. Диоды дополнительного выпрямителя имеют обычно пластмассовый корпус цилиндрической формы или в виде горошины или выполняются в виде отдельного герметизированного блока, включение в схему которого осуществляется шинками.

Подшипниковые узлы генераторов это, как правило, радиальные шариковые подшипники с одноразовой закладкой пластичной смазки на весь срок службы и одно или двухсторонними уплотнениями, встроенными в подшипник. Роликовые подшипники применяются только со стороны контактных колец и достаточно редко, в основном, американскими фирмами. Посадка шариковых подшипников на вал со стороны контактных колец — обычно плотная, со стороны привода — скользящая, в посадочное место крышки наоборот — со стороны контактных колец — скользящая, со стороны привода — плотная.

Охлаждение генератора авто осуществляется одним или двумя вентиляторами, закрепленными на его валу. При этом у традиционной конструкции генераторов воздух засасывается центробежным вентилятором в крышку со стороны контактных колец. У генераторов, имеющих щеточный узел, регулятор напряжения и выпрямитель вне внутренней полости и защищенных кожухом, воздух засасывается через прорези этого кожуха, направляющие воздух в наиболее нагретые места — к выпрямителю и регулятору напряжения.

Система охлаждения: а — устройства обычной конструкции; б — для повышенной температуры в подкапотном пространстве; в — устройства компактной конструкции. Стрелками показано направление воздушных потоков
На автомобилях с плотной компоновкой подкапотного пространства применяют генераторы со специальным кожухом, через который в него поступает холодный забортный воздух. У генераторов «компактной» конструкции охлаждающий воздух забирается со стороны как задней, так и передней крышек.

Для чего нужен регулятор напряжения

Регуляторы поддерживают напряжение генератора в определенных пределах для оптимальной работы электроприборов, включенных в бортовую сеть автомобиля. Генераторы оснащаются полупроводниковыми электронными регуляторами напряжения, встроенными внутрь корпуса. Схемы их исполнения и конструктивное оформление могут различаться, но принцип работы одинаков.

Бесщёточный синхронный генератор

Одним из основных недостатков при обслуживании судовых синхронных генераторов является наличие щёточно-кольцевого аппарата. Этот узел наиболее изнашивается в процессе работы. Большое количество пыли от угольных щёток загрязняет обмотки, создавая проводниковые мосты между токоведущими частями синхронного генератора и корпусом: ухудшается изоляция генератора, уменьшая срок их службы, требуется внеочередной ремонт с полной разборкой.

Рис. 1.1. Бесщёточный синхронный генератор

Всё это отсутствует у бесщёточных синхронных генераторов. Возбуждение СГ осуществляется небольшим по размерам возбудителем переменного тока, состоящим из трёхфазной обмотки, расположенной на роторе генератора и электромагнитных полюсов, находящихся на статоре рядом со статорной обмоткой основной машины. Обмотка возбуждения возбудителя питается постоянным током от автоматического регулятора напряжения. Трёхфазный переменный ток, генерируемый в роторной обмотке, выпрямляется трёхфазным выпрямителем, расположенным на роторной обмотке возбудителя и поступает на роторную обмотку возбуждения генератора. Выпрямительное устройство бесщёточного генератора состоит из кремниевых диодов, соединённых по трёхфазной мостовой схеме, регулируемого балластного резистора и сглаживающего конденсатора.

Бесщёточный синхронный генератор (рис. 1.1) состоит из следующих компонентов, где:

G — статорная обмотка, выходная;

F_G — роторная обмотка возбуждения генератора;

Si — блок вращающихся кремниевых выпрямителей;

E — роторная обмотка возбудителя, выходная;

F_E — статорная обмотка возбуждения;

EVA — внешний реостат задающего напряжения;

AVR — автоматический регулятор напряжения (АРН).

Статорная обмотка синхронного генератора уложена в пазы железа статора и представляет собой три обмотки, соединенные звездой.

Конструктивно БСГ объединён с возбудителем переменного тока и вращающимся выпрямительным устройством в один агрегат. Отличительной особенностью БСГ является отсутствие контактных колец и щёток.

Возбудитель представляет собой обращённый трёхфазный синхронный генератор, у которого обмотка возбуждения является неподвижной и питается непосредственно от автоматического регулятора напряжения. В некоторых рассматриваемых далее системах возбуждения и регулирования напряжения генераторов (например,“TAIYO”, “MITSUBISHI”) обмотка возбуждения возбудителя состоит из двух частей: основной и управляемой от AРН, что обеспечивает более надёжное начальное возбуждение. Трёхфазная роторная обмотка возбудителя, соединённая звездой подключена к роторной обмотке генератора через трёхфазный блок вращающихся кремниевых выпрямителей, который находится между этими двумя обмотками, ближе к возбудителю, на специально

смонтированном изоляционном кольце. Кольцо и вентили вращаются вместе с роторами генератора и возбудителя и размещёны на общем валу.

Трёхфазный переменный ток, генерируемый при вращении в роторной обмотке возбудителя, выпрямляется трёхфазным кремниевым выпрямителем, расположенным на роторной обмотке возбудителя, и постоянное напряжение поступает на роторную обмотку генератора. Расположение вращающихся выпрямителей на роторной обмотке возбудителя удобно как для воздушного охлаждения, так и проведения обслуживания и ремонтных работ при проверке и замене вентилей.

В дополнение к кремниевому выпрямителю параллельно выходному напряжению подключается сглаживающий конденсатор и разрядный резистор для предотвращения обмотки возбуждения и конденсатора от пробоя.

Благодаря такой конструкции, исчезает необходимость в контактных кольцах и щётках для подвода тока к обмотке возбуждения генератора. Таким образом, возбудитель совместно с AРН позволяет поддерживать напряжение генератора с заданным отклонением при малых и больших нагрузках и обеспечивает защиту от короткого замыкания. Отсутствие щёточной аппаратуры значительно повышает надёжность БСГ, сокращает трудозатраты на обслуживание ввиду отсутствия угольной пыли на обмотках. Они также могут применяться и на высоких частотах вращения первичных двигателей, чем обеспечивается более надёжное возбуждение.

У БСГ, также как и у обычных синхронных генераторов, имеется демпферная обмотка. Она находится на явных полюсах ротора и имеет вид широких медных шин, соединенных в беличью клетку. Назначением демпферной обмотки является предотвращение колебаний напряжения ввиду резкого изменения нагрузки при параллельной работе генераторов, а также ограничение повышения третьей гармоники напряжения с увеличением нагрузки.

В результате совместных усилий обмоток статора генератора и возбудителя создаётся результирующая магнитодвижущая сила а, следовательно, и поток возбуждения, обеспечивая реакцию ротора и падение напряжения в обмотке статора генератора во всех режимах работы – от холостого хода до номинальной нагрузки.

Возбудитель переменного тока представляет собой обращённый синхронный генератор роторного типа. Ротор установлен на том же валу, что и ротор генератора и представляет собой трехфазную обмотку переменного тока. Нагрузкой возбудителя является обмотка возбуждения статора, поэтому необходим возбудитель переменного тока высокой частоты: чем выше частота, тем больше возбуждение. Однако высокая частота стремится увеличить потери в железе. Так как увеличение числа полюсов пропорционально увеличению частоты, то частота особенно ограничивается при использовании на низкой частоте вращения с точки зрения экономичности конструкции. В основном, для возбудителя переменного тока принята частота 60 Гц.

Кремниевый выпрямитель возбудителя переменного тока. Учитывая электрические и механические свойства, кремниевый выпрямитель для бесщёточного синхронного генератора должен быть высоконадежным, небольших габаритов и массы.

Он состоит из кремниевой части, которая закреплена вертикально на тонкой пластине основания, для надежного контакта пластины, основания и элемента, и питающего провода. Этот силовой тип контакта кремниевого элемента выпрямителя использует свою огромную силу, когда она приложена вертикально вместе с давлением по направлению к пластине основания и проявляет великолепные характеристики, учитывая такие механические недостатки как внешнее давление, центробежная сила, вибрация системы в действии. Все главные части кремниевого элемента типа P-N перехода помещены в кожух, в котором находится инертный газ, на работу которого не влияют окружающие атмосферные условия.

В дополнение к кремниевому выпрямителю параллельно подключены конденсатор и резистор для предотвращения от чрезмерного напряжения обмоток, предохраняя их от пробоя. При сборке вышеупомянутых компонентов FUJI El. произвел тщательную проверку их механической силы и местоположения, минимизируя пространство для установки, добиваясь однородной и эффективной вентиляции.

По габаритам БСГ сохранил те же размеры что и обычные СГ.

В настоящее время бесщеточные синхронные генераторы успешно используются на судах в качестве основных и аварийных источников электроэнергии.

Для предотвращения возникновения токов на валу генератора, появляющихся благодаря разбалансу магнитного сопротивления магнитных цепей, используются изоляторы на боковых крышках, как показано на рис. 1.2. Напряжение на валу для генераторов повышенных напряжений и частот обычно составляет 1 В и менее, и реже несколько вольт. Значение сопротивления изолятора должно быть 1-3 кΩ. Если масляная пленка с принудительной смазкой местами исчезает, это может привести к поломке подшипника или аварии генератора в целом.

В основном БСГ не требует особых трудозатрат на обслуживание. Достаточно почаще менять фильтры на воздухозаборах.

Таким образом, БСГ обеспечивает максимум надежности при минимуме трудозатрат на обслуживание.