Что такое асинхронизированный синхронный генератор

Работа посвящена исследованию трехфазного электрического генератора, у которого магнитный поток возбуждения создается источником трехфазного напряжения и перемещается относительно ротора. Актуальность исследования обусловлена способностью такой машины обеспечить стабильные значение и частоту генерируемого напряжения при нестабильном источнике механической энергии.

ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

Существует проблема обеспечения стабильных параметров электрической энергии, получаемой преобразованием энергии механической от нестабильного ее источника, например, ветряного двигателя. Та же проблема существует и при работе от стабильного источника механической энергии, но при нестабильной нагрузке электрической. Эффективным способом решения этой проблемы является преобразование механической энергии в электрическую асинхронизированными синхронными генераторами (АСГ). От синхронных машин АСГ отличаются тем, что магнитное поле перемещается относительно ротора, который его создает, от асинхронных машин АСГ отличается тем, что это перемещение создается посторонним источником и является управляемым.

Исследование АСГ на физических моделях дорого, трудоемко и энергоемко, современные технологии исследования предлагают системы компьютерной математики, позволяющие определять параметры объекта без его материального воплощения. Наиболее эффективной системой, по мнению авторов, является Matlab.

Одна из самых сложных проблем в моделировании – подготовка модели объекта исследования. Она удобно решается расширением Matlab Simulink благодаря наличию библиотеки компонентов в виде блоков. Это упраздняет составление и решение систем алгебраических и дифференциальных уравнений и обеспечивает визуальный контроль «поведения» модели. Библиотека содержит источники сигналов с любыми временными зависимостями, в том числе источники энергии, преобразователи с любыми передаточными характеристиками, в том числе и преобразователи электромеханические, виртуальные устройства, регистрирующие изменение величины во времени и ее значение в цифровом виде.

На основании сказанного сделан вывод, что исследование АСГ в системе Simulink является достойной решения проблемой.

Цель работы – представить простую модель асинхронизированного синхронного генератора (структуру и характеристики) для исследования возможности получения стабильных напряжения и частоты от нестабильного источника механической энергии.

СОДЕРЖАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Составлялась виртуальная модель исследуемой схемы из элементов библиотеки Simulink;

Подключались виртуальные приборы для измерения контролируемых параметров;

Вводились параметры электрические элементов схемы (напряжения, частоты источников, сопротивления и индуктивности обмоток), близкие к параметрам реального синхронного турбогенератора;

Результаты измерений для каждого набора параметров вводились в таблицу Excel, строились графики зависимостей.

Рисунок 1 – Модель АСГ из библиотечных элементов Simulink.

Стенд для определения характеристик генератора содержит асинхронизированный синхронный генератор ASG, источник напряжения возбуждения, нагрузку. В качестве АСГ принята модель трехфазной асинхронной машины с фазным ротором из библиотеки Simulink. В качестве источника возбуждения – библиотечный источник трехфазного напряжения, нагрузка выполнена в виде резисторов.

Модель работает следующим образом. К ротору прикладывается момент, полученный как разность между заданным моментом и моментом, пропорциональным частоте вращения. Это дает возможность стабилизировать частоту вращения при варьировании электрической нагрузки генератора. К трехфазной обмотке ротора прикладывается напряжение от трехфазного источника, так что в роторе создается вращающийся относительно ротора магнитный поток, который индуктирует в статоре ЭДС. Значение и частота ЭДС пропорциональны алгебраической сумме частот вращения ротора и вращения магнитного потока относительно ротора. Под действием ЭДС через обмотки статора и сопротивления нагрузки проходит ток, которым энергия передается от генератора в нагрузку. Магнитный поток, созданный током нагрузки в обмотке статора, алгебраически складывается с магнитным потоком ротора, так что ЭДС в статоре создается потоком суммарным.

Особенность АСГ в том, что ЭДС индуктируется и в роторе, вычитаясь из напряжения возбуждения, так что ток возбуждения проходит под действием этой разности, а не только источника возбуждения, как в синхронном генераторе. Эта особенность сообщает генератору существенные отличия от генераторов синхронного и асинхронного.

Прототипом для задания параметров принят синхронный турбогенератор мощностью 6 МВт, номинальным напряжением 6,3 кВ. В процессе исследования варьировались напряжение и частота возбуждения, частота вращения, сопротивления резисторов нагрузки. Контролировались ток возбуждения, вращающий момент, напряжение и ток нагрузки.

Характеристики холостого хода.

Определялись при сопротивлении резисторов нагрузки на два порядка большем, чем номинальное сопротивление, так что ток нагрузки имел незначимые значения. Частота вращения варьировалась в диапазоне 20 ? 80 Гц, частота возбуждения варьировалась в диапазоне ±30 Гц. Напряжение возбуждения устанавливалось таким, чтобы при частоте вращения ротора 50 Гц в обмотке статора индуктировалась ЭДС 6,3 кВ частотой 50 Гц – при частоте возбуждения, равной 0. В процессе исследования изменялась частота вращения при нулевой частоте возбуждения, затем частота возбуждения при частоте вращения 50 Гц. Результаты представлены на рис. 2.

Рисунок 2 – Зависимость напряжения генератора от частот вращения и возбуждения при холостом ходе.

Из графика видно, что напряжение генератора одинаково изменяется в зависимости от частот вращения и возбуждения с коэффициентом dU/df = 50В/Гц. Из этого следует, что желаемая частота напряжения генератора может быть получена регулированием частоты вращения ротора, регулированием частоты вращения магнитного поля возбуждения относительно ротора или их совместным регулированием.

Определялись для частоты генерируемого напряжения 50 Гц. Частота вращения изменялась в диапазоне 20?80 Гц, частота возбуждения устанавливалась в диапазоне ±30 Гц так, чтобы частота генерируемого напряжения была 50 Гц. Напряжение возбуждения устанавливалось таким, чтобы при номинальном токе нагрузки и частоте генерируемого напряжения 50 Гц значение генерируемого напряжения было 6 кВ. Нагрузка изменялась изменением сопротивления резисторов нагрузки. Внешние характеристики представлены на рис. 3.

Рисунок 3 – Внешние характеристики АСГ при частоте выходного напряжения 50 Гц.

Из графиков видно, что:

В асинхронизированном режиме характеристики существенно более жесткие, чем в режиме синхронного генератора.

При согласном направлении вращения поля возбуждения и ротора генерируемое напряжение уменьшается с увеличением тока нагрузки. Это объясняется тем, что ЭДС, индуктированная током нагрузки в роторе (реакция якоря), меньше напряжения источника возбуждения, и разница между ними увеличивается с увеличением нагрузки. Следовательно, снижается результирующий поток возбуждения и индуктируемая им ЭДС якоря (статора).

При встречном направлении вращений поля и ротора напряжение увеличивается с ростом тока. Это объясняется тем, что реакция якоря больше напряжения источника возбуждения, и разница между ними увеличивается с увеличением нагрузки. Следовательно, увеличивается результирующий поток возбуждения и индуктируемая им ЭДС якоря.

Чем выше частота, тем жестче характеристики, меньше зависимость напряжения от нагрузки. Это объясняется тем, что с увеличением частоты меньше относительное значение падения напряжения в активном сопротивлении цепи возбуждения, ток возбуждения во все большей мере зависит от разности напряжения источника возбуждения и ЭДС реакции якоря, происходит все боле полная компенсация реакции якоря.

Определенны как мощность, переданная в нагрузку, и КПД при различных частотах возбуждения. На рис. 4 представлены зависимости переданной мощности от тока нагрузки при различных частотах в диапазоне ±30 Гц при постоянном напряжении возбуждения генератора.

Рисунок 4 – Зависимость генерируемой мощности от тока нагрузки при различных частотах возбуждения.

Из графика видно, что:

При токе нагрузки до полутора номинального у генератора с постоянным возбуждением происходит срыв (резкое снижение напряжения) генерации, а при переменном напряжении возбуждения этого не происходит. Это объясняется тем, что при переменном напряжении возбуждения размагничивающее действие тока нагрузки приводит к уменьшению противоЭДС в цепи возбуждения и, следовательно, к увеличению тока возбуждения, происходит автоматическая компенсация реакции якоря. При постоянном напряжении возбуждения размагничивающая реакция якоря не компенсируется, так что результирующий магнитный поток снижается с увеличением тока нагрузки.

При вращении поля возбуждения против вращения ротора имеет место перекомпенсация (кривые -10 и -30 Гц на рис. 4), а при вращении поля возбуждения согласно с ротором реакция якоря несколько недокомпенсирована (кривые 10 и 30 Гц на рис. 4). С увеличением частоты возбуждения качественное различие между характеристиками уменьшается (кривые -30 и 30 различаются меньше, чем -10 и 10 Гц).

Изменение КПД в зависимости от частоты возбуждения представлено на рис. 5.

Рисунок 5 – КПД генератора в зависимости от частоты возбуждения при частоте генерированного напряжения 50 Гц.

Видно, что при частоте возбуждения 0 и выше КПД близко к 1. В режимах, когда вращение поля возбуждения направлено против ротора, КПД снижается с увеличением частоты поля. Это объясняется тем, что часть механической энергии турбины передается источнику возбуждения, а не нагрузке.

Генераторы переменного тока

Генератор — устройство, преобразующее один вид энергии в другой.
В данном случае рассматриваем преобразование механической энергии вращения в электрическую.

Различают два типа таких генераторов. Синхронные и асинхронные.

Синхронный генератор. Принцип действия

Отличительным признаком синхронного генератора является жёсткая связь между частотой f переменной ЭДС, наведённой в обмотке статора, и частотой вращения ротора n , называемой синхронной частотой вращения:

n = f / p

где p – число пар полюсов обмотки статора и ротора.
Обычно частота вращения выражается в об/мин, а частота ЭДС в Герцах (1/сек), тогда для количества оборотов в минуту формула примет вид:

n = 60·f / p

На рис. 1.1 представлена функциональная схема синхронного генератора. На статоре 1 расположена трёхфазная обмотка, принципиально не отличающаяся от аналогичной обмотки асинхронной машины. На роторе расположен электромагнит с обмоткой возбуждения 2, получающей питание постоянным током, как правило, через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, расположенных на роторе, и двух неподвижных щёток.
В некоторых случаях в конструкции ротора синхронного генератора вместо электромагнитов могут использоваться постоянные магниты, тогда необходимость в наличии контактов на валу отпадает, но существенно ограничиваются возможности стабилизации выходных напряжений.

Приводным двигателем (ПД), в качестве которого используется турбина, двигатель внутреннего сгорания либо другой источник механической энергии, ротор генератора приводится во вращение с синхронной скоростью. При этом магнитное поле электромагнита ротора также вращается с синхронной скоростью и индуцирует в трёхфазной обмотке статора переменные ЭДС EA , EB и EC , которые будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120°), образуют симметричную трёхфазную систему ЭДС.

C подключением нагрузки к зажимам обмотки статора С1, С2 и С3 в фазах обмотки статора появляются токи IA, IB, IC , которые создают вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора. Таким образом, в синхронном генераторе магнитное поле статора и ротор вращаются синхронно. Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе

e = 2Blwv = 2πBlwDn

Здесь: B – магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл;
l – активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, т.е. длина сердечника статора, м;
w – количество витков;
v = πDn – линейная скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с;
D – внутренний диаметр сердечника статора, м.

Формула ЭДС показывает, что при неизменной частоте вращения ротора n форма графика переменной ЭДС обмотки якоря (ста- тора) определяется исключительно законом распределения магнитной индукции B в зазоре между статором и полюсами ротора. Если график магнитной индукции в зазоре представляет собой синусоиду B = Bmax sinα , то ЭДС генератора также будет синусоидальной. В синхронных машинах всегда стремятся получить распределение индукции в зазоре как можно ближе к синусоидальному.

Так, если воздушный зазор δ постоянен (рис. 1.2), то магнитная индукция B в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (график 1). Если же края полюсов ротора «скосить» так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен δmax (как это показано на рис. 1.2), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (график 2), а, следовательно, и график ЭДС, индуцированной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде. Частота ЭДС синхронного генератора f (Гц) пропорциональна синхронной частоте вращения ротора n (об/с)

где p – число пар полюсов.
В рассматриваемом генераторе (см. рис.1.1) два полюса, т.е. p = 1.
Для получения ЭДС промышленной частоты (50 Гц) в таком генераторе ротор необходимо вращать с частотой n = 50 об/с (n = 3000 об/мин).

Способы возбуждения синхронных генераторов

Самым распространенным способом создания основного магнитного потока синхронных генераторов является электромагнитное возбуждение, состоящее в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения, при прохождении по которой постоянного тока, возникает МДС, создающая в генераторе магнитное поле. До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись преимущественно специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.3, а). Обмотка возбуждения (ОВ) получает питание от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронного генератора, возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронного генератора поступает через контактные кольца и щётки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя r1 и подвозбудителя r2 . В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах получила применение также бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе. В качестве возбудителя в этом случае применяют обращенный синхронный генератор переменного тока В (рис. 1.3, б). Трехфазная обмотка 2 возбудителя, в которой наводится переменная ЭДС, расположена на роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора и их электрическое соединение осуществляется через вращающийся выпрямитель 3 непосредственно, без контактных колец и щёток. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя В осуществляется от подвозбудителя ПВ – генератора постоянного тока. Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронного генератора позволяет повысить её эксплуатационную надёжность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в этом числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.4, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь ПП преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счёт остаточного магнетизма машины.

На рис. 1.4, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подаётся в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на входе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты (БЗ), обеспечивающий защиту обмотки возбуждения (ОВ) от перенапряжения и токовой перегрузки.

Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5 % полезной мощности (меньшее значение относится к генераторам большой мощности).
В генераторах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, расположенными на роторе машины. Такой способ возбуждения даёт возможность избавить генератор от обмотки возбуждения. В результате конструкция генератора существенно упрощается, становится более экономичной и надёжной. Однако, из-за высокой стоимости материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничено машинами мощностью не более нескольких киловатт.

Синхронные генераторы составляют основу электроэнергетики, так как практически вся электроэнергия во всём мире вырабатывается посредством синхронных турбо- или гидрогенераторов.
Так же синхронные генераторы находят широкое применение в составе стационарных и передвижных электроустановок или станций в комплекте с дизельными и бензиновыми двигателями.

Асинхронный генератор. Отличия от синхронного

Асинхронные генераторы принципиально отличаются от синхронных отсутствием жесткой зависимости между частотой вращения ротора и вырабатываемой ЭДС. Разницу между этими частотами характеризует коэффициент s — скольжение.

здесь:
n — частота вращения магнитного поля (частота ЭДС).
n r — частота вращения ротора.

Более подробно с расчётом скольжения и частоты можно ознакомиться в статье: асинхронные генераторы. Частота.

В обычном режиме электромагнитное поле асинхронного генератора под нагрузкой оказывает тормозной момент на вращения ротора, следовательно, частота изменения магнитного поля меньше, поэтому скольжение будет отрицательным. К генераторам, работающим в области положительных скольжений, можно отнести асинхронные тахогенераторы и преобразователи частоты.

Асинхронные генераторы в зависимости от конкретных условий применения выполняются с короткозамкнутым, фазным или полым ротором. Источниками формирования необходимой энергии возбуждения ротора могут являться статические конденсаторы или вентильные преобразователи с искусственной коммутацией вентилей.

Асинхронные генераторы можно классифицировать по способу возбуждения, характеру выходной частоты (изменяющаяся, постоянная), способу стабилизации напряжения, рабочим областям скольжения, конструктивному выполнению и числу фаз.
Последние два признака характеризуют конструктивные особенности генераторов.
Характер выходной частоты и методы стабилизации напряжения в значительной степени обусловлены способом образования магнитного потока.
Классификация по способу возбуждения является основной.

Можно рассмотреть генераторы с самовозбуждением и с независимым возбуждением.

Самовозбуждение в асинхронных генераторах может быть организовано:
а) с помощью конденсаторов, включенных в цепь статора или ротора или одновременно в первичную и вторичную цепи;
б) посредством вентильных преобразователей с естественной и искусственной коммутацией вентилей.

Независимое возбуждение может осуществляться от внешнего источника переменного напряжения.

По характеру частоты самовозбуждающиеся генераторы разделяются на две группы. К первой из них относятся источники практически постоянной (или постоянной) частоты, ко второй переменной (регулируемой) частоты. Последние применяются для питания асинхронных двигателей с плавным изменением частоты вращения.

Более подробно рассмотреть принцип работы и конструктивные особенности асинхронных генераторов планируется рассмотреть в отдельных публикациях.

Асинхронные генераторы не требуют в конструкции сложных узлов для организации возбуждения постоянным током или применения дорогостоящих материалов с большим запасом магнитной энергии, поэтому находят широкое применение у пользователей передвижных электроустановок по причине своей простоты и неприхотливости в обслуживании. Используются для питания устройств, не требующих жёсткой привязки к частоте тока.
Техническим достоинством асинхронных генераторов можно признать их устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям.
С некоторой информацией по мобильным генераторным установкам можно ознакомиться на странице:
Дизель-генераторы.
Асинхронный генератор. Характеристики.
Асинхронный генератор. Стабилизация.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Эксплуатация генераторов — Асинхронизированные синхронные генераторы

Содержание материала

Эксплуатация генераторов
Элементы конструкции гидрогенераторов
Охлаждение гидрогенераторов
Системы возбуждения
Режимы работы гидрогенераторов
Развитие методов электромагнитного расчета гидрогенераторов
Вспомогательные устройства гидрогенератора
Дефекты статора гидрогенератора
Дефекты ротора гидрогенератора
Техническое обслуживание генераторного оборудования
Остановка агрегата, оборудование в резерве
Ремонты генераторного оборудования
Эксплуатация турбогенераторов
Конструктивные особенности турбогенераторов, вероятные повреждения
Конструктивные особенности ротора турбогенераторов
Система уплотнений вала турбогенераторов
Повреждения ротора турбогенераторов
Системы охлаждения турбогенераторов
Особенности пуска и набора нагрузки турбогенераторов
Нормальные режимы работы турбогенераторов
Турбогенераторы серии ТФ
Турбогенераторы серии ТВМ
Сверхпроводниковые турбогенераторы
Асинхронизированные синхронные генераторы
Турбогенераторы с воздушным охлаждением за рубежом
Диагностическое обслуживание генераторов электростанций
Оценка технического состояния гидрогенераторов
Новые отечественные методы диагностики гидрогенераторов
Новые направления и совершенствование систем диагностики турбогенераторов
Новые методы диагностики турбогенераторов
Экспертные системы диагностики генераторов

В последние десятилетия в стране и за рубежом активно ведутся разработки, изготовление и применение на практике регулируемых электромашинно-тиристорных комплексов. Создаваемые на базе последних достижений такие комплексы обладают рядом принципиальных преимуществ по сравнению с обычными электрическими машинами. Это определяется более широкими возможностями регулирования эксплуатационных характеристик агрегатов, обеспечением лучшей адаптации к изменяющимся условиям работы с целью повышения экономичности и надежности работы установок.
Электромашинно-тиристорные комплексы разрабатываются и применяются в качестве регулируемых по частоте вращения электроприводов. Вместе с тем электромашинно-тиристорные комплексы уже находят применение и являются перспективными в качестве генераторов. Генераторно-тиристорные комплексы позволяют решать полностью или частично дополнительные по отношению к обычным генераторным установкам задачи:
повышение экономичности работы за счет регулирования частоты вращения в зависимости от параметров энергоносителя первичного двигателя при сохранении неизменной частоты вырабатываемой электроэнергии;
расширение диапазонов регулирования активной и реактивной мощности, в том числе глубокое потребление последней;
повышение статической и динамической устойчивости параллельной работы самих машин, систем передачи электроэнергии, энергосистем в целом;
улучшение качества управления переходными процессами;
повышение эксплуатационной надежности, в частности готовности самих генераторных установок, за счет органического наличия у некоторых из них избыточности в основных цепях и в системах управления, сокращение за этот счет эксплуатационных расходов.
Естественно, это достигается некоторым усложнением и увеличением стоимости как вследствие установки тиристорных преобразовательных устройств, так и усложнения в некоторых случаях собственно электрической машины.
Генераторно-тиристорные комплексы по месту подключения преобразователен частоты можно разделить на две группы.
В первую группу входит синхронный или асинхронный генератор, связанный с сетью через тиристорный преобразователь частоты, мощность которого равна мощности генератора. Последнее обстоятельство определяет большие габариты и высокую стоимость установок, что соответственно ограничивает область применения, особенно в зоне больших мощностей.
Ко второй группе относятся так называемые асинхронизированные синхронные генераторы или просто асинхронизированные генераторы (АСП), состоящие из машины переменного тока и преобразователя в цепи возбуждения, обеспечивающего возможность создания управляемых магнитных полей по двум взаимно перпендикулярным осям ротора (продольной и поперечной). Система обмоток возбуждения может иметь две фазы и более и быть симметричной или несимметричной.
Достоинством такого комплекса является меньшая, зависящая от требуемого диапазона изменения частоты вращения мощность преобразователя (обычно не более 20 — 25 % мощности генератора).
Наличие на роторе многофазной (две фазы и более) системы обмоток возбуждения с раздельным управлением по осям позволяет, помимо изменения поля возбуждения, что характерно для обычных синхронных машин, изменять (причем быстро) угловое положение поля относительно ротора. Это создает поле, вращающееся относительно ротора, и обеспечивает при практически симметричной системе обмоток возбуждения вращение ротора с частотой, отличной от синхронной. Ток возбуждения переменный и имеет частоту, равную электрической частоте скольжения ротора.
Раздельное управление возбуждением по осям позволяет независимо регулировать активную (электромагнитный момент) и реактивную мощности (напряжение). Это же существенно повышает статическую и динамическую устойчивость машины, особенно в зоне потребления реактивной мощности. У АСГ снимается ограничение последнего режима по условиям устойчивости, что характерно для обычных синхронных генераторов; работа в таком режиме ограничивается лишь нагревом обмоток и торцевых зон статора (у турбогенераторов).
Существенным с точки зрения эксплуатации достоинством АСГ является то, что при повреждениях в цепях возбуждения возможно сохранить агрегат в работе в синхронном режиме с возбуждением по одной из осей ротора или же в асинхронном режиме без возбуждения при закороченных обмотках ротора. Возможность управления у АСГ частотой и фазой генерируемой ЭДС независимо от частоты вращения ротора существенно упрощает процесс их синхронизации с сетью и с другими машинами. Асинхронизированные генераторы могут быть технически и экономически целесообразны не только Для традиционных тепловых и гидравлических электростанций средней и большой мощности, но и для ветроэлектрических установок, некоторых типов малых ГЭС. Кроме того, асинхронизированные машины могут эффективно использоваться для работы в режимах как генератора, так и двигателя для обратимых агрегатов гидроаккумулирующих электростанций и приливных электростанций, а также в так называемых асинхронизированных электромеханических преобразователях частоты для гибкой связи между электрическими сетями, имеющими различные номинальные частоты, или при одинаковых номинальных частотах для повышения устойчивости и управляемости связей, а также для ограничения (если это необходимо) передачи тех или иных возмущений или анормальностей от потребителя в сеть (в частности, больших ударных нагрузок) и наоборот — от сети к потребителю.
Асинхронизированные турбогенераторы (АСТГ). Самым значительным достижением последних лет в области АСТГ является создание наиболее мощного в мире турбогенератора этого типа
200 МВт, 3000 мин-1 (АСТГ-200). Турбогенератор АСТГ-200 сконструирован на базе серийного синхронного турбогенератора типа ТГВ-200М той же номинальной мощности.
Статор турбогенератора АСТГ-200 отличается от статора машины ТГВ-200М лишь некоторыми изменениями конструкции торцевых зон для снятия ограничений по их нагреву при потреблении реактивной мощности.. Это достигнуто оптимальным соотношением длин сердечника статора, бочки ротора и зазора между статором и ротором в концевой зоне, выполнением радиальных просечек под дном пазов концевых пакетов сердечника, установкой медных экранов под номинальными фланцами, выполнением последних из немагнитной стали с большим удельным сопротивлением и др.
Особенностью конструкции ротора является размещение на нем двух одинаковых обмоток возбуждения, сдвинутых по окружности на 90° (зл.). Каждая обмотка присоединена к своей паре контактных колец. Для улучшения условий работы генератора в асинхронном режиме без возбуждения на роторе концевые пазовые клинья выполнены из бронзы специального профиля, которые в сочетании с другими деталями из этого же материала образуют в торцевых зонах пояса, имеющие высокую электропроводность в тангенциальном направлении. Охлаждение турбогенератора смешанное: обмотка статора включая соединительные шины и выводы — водой, остальное — водородом. Длительно допустимое скольжение по условиям нагрева массива бочки ротора равно ± 0,2 %.
Каждый из двух тиристорных реверсивных возбудителей, состоящих из двух силовых вентильных секций, присоединен к одной обмотке возбуждения.

На базе серийных синхронных турбогенераторов типа ТЗВ полностью с водяным охлаждением разработаны АСТГ мощностью 110, 220 и 320 МВт. Роторы этих турбогенераторов имеют полную магнитную и электрическую симметрию; на них размещены по две ортогональные концентрические обмотки возбуждения. Кроме того, роторы имеют полные демпферные системы из меди. Первые машины такого типа введены в эксплуатацию в 1995-1996 гг.
Начаты проработки АСТГ с полностью воздушным охлаждением. Предполагается за счет уменьшения величины воздушного зазора снизить требуемую намагничивающую силу обмоток возбуждения и соответственно потери в них и создать генераторы с единичной мощностью, большей, чем у синхронного турбогенератора с такой системой охлаждения.
В принципе все достоинства асинхронизированных машин вообще и АСТГ в частности справедливы и для гидроэлектрических станций и гидроаккумулирующих электростанций.

Асинхронный генератор

Все известные виды генераторных устройств по особенностям своей работы делятся на синхронные и асинхронные машины, причем наибольшее распространение получила именно последняя разновидность. Их конструкция и принцип действия аналогичны асинхронным двигателям, но преобразование энергии в генераторе происходит в обратном направлении (из механической в электрический её вид). С тем, как выглядит асинхронный генератор в натуре, можно ознакомиться на рисунке ниже.

Подобно двигателям асинхронного типа, включённым в реверсном режиме (на торможение), при генерации энергии наблюдается примерно тот же эффект, приводящий к её частичному рассеиванию в виде тепла. Из этого следует, что КПД такого устройства сравнительно невелико.

Принцип работы

Хорошо усвоить принцип работы асинхронного механизма поможет предварительное ознакомление с основами функционирования генераторных машин синхронного типа. Дело в том, что синхронные и асинхронные генераторы по своему устройству и способу действия очень схожи и отличаются лишь небольшими деталями (конструкцией вращающегося ротора, в частности).

В механизмах первого класса используется ротор с размещёнными на нем постоянными магнитами. При его вращении от механического привода магнитные элементы наводят в статоре меняющееся по величине и направлению э/м поле, обеспечивающее протекание переменного тока в подключённой к его зажимам нагрузке. При этом сам ротор вращается без рассогласования с создаваемой им в катушках ЭДС (синфазно с ней).

В отличие от синхронных машин, асинхронный генератор характеризуется наличием небольшого отставания вращения роторного элемента устройства по отношению к наводимому в статоре электромагнитному полю. Последнее как бы тормозит его движение, что принято называть «эффектом скольжения».

Обратите внимание! Указанное явление объясняется особенностью конструкции ротора АГ, изготавливаемого в виде короткозамкнутой цельной решётки (так называемого «беличьего колеса»). Её внешний вид приводится на фото ниже.

При вращении приводного вала под воздействием внешнего механического импульса (от двигателя внутреннего сгорания, например) за счёт остаточного магнетизма статора в решётке такого ротора наводится собственная ЭДС. Вследствие этого оба поля (и подвижное, и неподвижное) начинают взаимодействовать друг с другом в динамическом режиме.

Поскольку поле в обмотках ротора наводится с задержкой относительно неподвижного статора генератора, он несколько отстаёт от наводимого в ней э/м поля (то есть вращается асинхронно).

Возможность управления

Ещё одной особенностью синхронного генератора (как, впрочем, и асинхронного) является то, что частота и амплитуда наводимой на зажимах статора ЭДС существенно зависит от скорости вращения ротора.

Важно! С изменением подключённой к генератору активной нагрузки пропорционально ей меняется и частота вращения вала генератора, что приводит к изменению характеристик создаваемой в статоре ЭДС.

Указанный недостаток вынуждает устанавливать в устройствах синхронного и асинхронного типа электронный регулятор напряжения и частоты, обеспечивающий поддержание этих параметров на должном уровне (схема регулятора приводится ниже).

Поскольку асинхронный генератор работает по принципу рассогласованного вращения полей подвижной и неподвижной части, обеспечить регулирование выходных параметров внутри системы не удаётся. Это объясняется невозможностью организовать мгновенную обратную связь по напряжению путём подачи части выходного сигнала со статора на ротор (в АГ могут применяться лишь внешние стабилизаторы напряжения).

В этом заключается ещё одно отличие асинхронных агрегатов от их синхронных аналогов, которые по всем остальным характеристикам очень схожи с первыми.

Преимущества и области применения

К числу достоинств асинхронных генераторов относят следующие их свойства:

АГ устойчивы к перегрузкам и КЗ, а также имеют сравнительно простую конструкцию (этим они отличаются от более сложных в исполнении синхронных машин);
Показатель нелинейных искажений синусоиды у них не превышает 2-х процентов (сравните 15 % у их синхронных аналогов);
Благодаря низкому значению клирфактора, асинхронные устройства гарантируют высокую устойчивость работы подключённых к ним БИП и ТВ приёмников;
При электропитании сварочного оборудования они обеспечивают существенное улучшение качества сварки;
Для стабилизации выходного напряжения в них могут применяться внешние устройства автоматического регулирования;
Роторы АГ при вращении выделяют ограниченное количество тепла, для компенсации которого не требуется мощных вентиляторных устройств.

Последнее свойство позволяет надёжно герметизировать внутреннюю полость агрегата, то есть защитить её от проникновения пыли и грязи. Благодаря этому обстоятельству существенно расширяется сфера применения асинхронных машин, способных работать в условиях большой запыленности и повышенной влажности.

Возможность герметизации способствует тому, что электрогенераторы асинхронного типа имеют больший показатель по сроку службы и могут эксплуатироваться при пониженных температурах. Добавим к этому, что к каждой из фазных обмоток этих агрегатов допускается подключать нагрузки различной мощности.

Дополнительная информация. Допустимый показатель неравномерности фазных нагрузок (разница потребляемых ими токов) составляет для АГ порядка 70%, что невозможно реализовать при работе с синхронными агрегатами.

К легко устранимому в процессе эксплуатации недостатку следует отнести довольно «тяжелые» пусковые характеристики генератора, что удаётся исправить за счёт установки в них специальных стартовых усилителей (рисунок далее по тексту).

Указанные устройства обеспечивают возможность плавного вывода генератора в рабочий режим даже при значительных по величине пусковых токах.

Во всём остальном АГ обладают бесспорными преимуществами над синхронными машинами, некоторые различия с которыми были рассмотрены ранее. Благодаря этим достоинствам, они широко применяются в качестве источников электроэнергии в следующих хозяйственных областях:

Для энергоснабжения оборудования с реостатным или рекуперативным режимом торможения (подъёмные краны, транспортёры и тому подобное);
В промышленном оборудовании, не нуждающемся в компенсации паразитной реактивной мощности и к которому не предъявляют высоких требований по качеству поставляемой энергии;
В бытовых и полевых условиях, где требуются источники дешёвой электроэнергии с механическим приводом от дизельного двигателя;
В качестве мощного зарядного устройства, обеспечивающего подзарядку АКБ в автомастерских, например.

Помимо этого, они могут использоваться как источники электроснабжения, к которым подключаются сварочные агрегаты, а также для обеспечения бесперебойного питания особо важных объектов здравоохранения.

Виды асинхронных машин

Различные виды АГ могут отличаться по следующим рабочим характеристикам:

Типом вращающейся части генерирующего устройства – его ротора;
Количеством выходных или статорных обмоток в генераторе (числом рабочих фаз);
Схемой включения катушек трехфазного генератора – треугольником или звездой, а также способом их размещения и укладки на полюсах статора (фото ниже);

Наличием или отсутствием отдельной обмотки возбуждения.

В соответствие с первым из этих признаков, все известные разновидности АГ оснащаются короткозамкнутым или фазным ротором. Первый из них изготавливается в виде цельной конструкции цилиндрической формы, состоящей из отдельных штырей с двумя замыкающими их кольцами (типа «беличье колесо»).

Фазный ротор, в отличие от своего короткозамкнутого аналога, имеет индуктивную обмотку из изолированного провода, обеспечивающую создание динамического электромагнитного поля. Из-за особенностей своей конструкции такой ротор имеет высокую стоимость изготовления и нуждается в специализированном обслуживании.

Выходные обмотки статора, как и весь генератор, могут быть однофазными или трехфазными, что определяется непосредственным назначением данного агрегата (когда требуется источник напряжения 220 или 380 Вольт). Относительно первого из этих исполнений всё достаточно ясно, а вот у трехфазной модификации АГ имеется ещё одна особенность, касающаяся электрической схемы включения обмоток.

Известно, что для формирования любой трехфазной питающей сети в электротехнике применяются два вида включения обмоток, смещённых в векторном представлении одна относительно другой на 120 градусов. Это:

Включение звездой, когда начала катушек соединены в одной точке, где формируется нулевая жила, а их концы расходятся по трём линиям питания (вместе с нулевым проводом их получается четыре, как это указано на фото ниже);

Подсоединение по схеме «треугольник», при котором конец одной катушки соединяется с началом второй и так далее до полного замыкания цепочки. Второй вариант включения используется в 3-х проводных линиях энергоснабжения, поскольку в этой схеме отсутствует нулевой провод.

В каждом изделии АГ подключение по той или иной схеме реализуется вполне конкретными способами, позволяющими поместить провода всех обмоток статора между полюсами его сердечника. Они наматываются таким образом, чтобы каждая секция фазных катушек A, B и C была сдвинута по окружности одна относительно другой точно на 120 градусов.

В заключение обзора генераторных устройств обратим внимание на возможность изготовления АГ из асинхронного двигателя. Подобная перспектива появляется, благодаря известному принципу обратимости действия электрических машин, согласно которому направление преобразования энергии может выбираться произвольно.

Видео

Синхронный и Асинхронный генератор(Альтернатор) — что это? Синхронные и Асинхронные альтернаторы в бензиновых и дизельных генераторах и электростанциях

У синхронного генератора (IP23) на якоре имеются обмотки, на которые подается электрический ток. Изменяя его величину, можно влиять на магнитное поле, а следовательно, и на напряжение на выходе статорных обмоток. Роль регулятора прекрасно исполняет простейшая электрическая схема с обратной связью по току и напряжению. Благодаря этому способность синхронного альтернатора «проглатывать» кратковременные перегрузки высока и ограничена лишь омическим (активным) сопротивлением его обмоток, т.е. легче переносят пусковые нагрузки.

Однако у такой схемы есть и недостатки. Прежде всего, ток приходится подавать на вращающийся ротор, для чего традиционно используют щеточный узел. Работая с довольно большими (особенно во время перегрузок) токами, щетки перегреваются и частично «выгорают». Это приводит к плохому их прилеганию к коллектору, к повышению омического сопротивления и к дальнейшему перегреву узла. Кроме того, подвижный контакт неизбежно искрит, а значит, становиться источником радиопомех. И самый основной недостаток низкая степень защиты от внешних воздействий таких как: пыль, грязь, вода, т.к. синхронный генератор охлаждается «протягивая» через себя воздух, соответственно все что находится в воздухе может попадать в генератор.

Если генератор щёточный, чтобы избежать преждевременного износа, рекомендуется время от времени контролировать состояние щеточного узла и при необходимости очищать либо менять щетки. Кстати, после их заменены, желательно дать им время «приработаться» к коллектору, а уж за тем нагружать станцию «по полной программе».

Многие современные синхронные генераторы снабжены безщеточными системами возбуждения тока на катушках ротора (их еще называют brash-less). Они лишены вышеуказанных недостатков связанных с щёточным узлом, а потому предпочтительнее.

для трёхфазных синхронных генераторов допустимый перекос фаз 33%

коэффициент нелинейных искажений 13-25% (в зависимости от производителя)

Асинхронный генератор (IP54) вообще не имеет обмоток на роторе. Для возбуждения ЭДС в его выходной цепи используют остаточную намагниченность якоря. Конструктивно такой альтернатор намного проще, надежнее и долговечнее. Кроме того, поскольку обмотки ротора охлаждать не нужно (их просто нет), корпус асинхронного генератора полностью закрыт, что позволяет исключить попадание пыли и влаги. Асинхронные альтернаторы не восприимчивы к коротким замыканиям, поэтому лучше подходят для питания сварочных аппаратов.

К сожалению у асинхронников тоже есть недостатки, например способность «проглатывать» пусковые перегрузки у них ниже, чем у синхронных генераторов. Но этот недостаток решается путем оснащения станций системой «стартового усиления». (см. выше). Как правило все профессиональные асинхронные генераторы оснащены системой стартового усиления.

для трёхфазных асинхронных генераторов допустимый перекос фаз 60-70%

коэффициент нелинейных искажений 2-10% (в зависимости от производителя)

Одно — и трехфазные генераторы

Зачем нужны непонятные три фазы, когда и с одной-то не разберешься? Но в том то и дело, что без них никуда. Начнем с того, что трех фазная схема подключения позволяет передавать энергию трех однофазных источников всего по трем проводам (в случае однофазной схемы потребовалось бы выделить по два провода на каждый такой источник).

В итоге при равной выходной мощности трехфазный альтернатор компактнее, легче и имеет больший КПД. К тому же он более универсален — на выходе дает как бытовые 220 вольт, так и промышленные 380 вольт.

Одно- или трехфазные генераторы. Их название вытекает из назначения — питать соответствующих потребителей. При этом к однофазным генераторам, вырабатывающим переменный ток напряжением 220 вольт и частотой 50Гц, можно подключать только однофазные нагрузки, тогда, как к трех фазным (380/220 В, 50Гц) — и те, и другие (на приборной панели имеют соответствующие розетки, количество которых у агрегатов разных производителей разное).

С однофазными альтернаторами все более или менее ясно: главное — правильно «посчитать» всех своих потребителей, учесть возможные проблемы (например, высокие пусковые точки) и выбрать агрегат с соответствующей реальной выходной мощностью. При подключении к трехфазным генераторам трехфазных же нагрузок ситуация аналогичная.

А вот при подключении к трехфазникам однофазных потребителей возникает проблема, именуемая перекосом фаз.

Что такое перекос фаз?

При подключении нагрузки на одну фазу трехфазного альтернатора используется только одна обмотка статора, в то время как в нормальном режиме задействованы все три, соответственно, реально снять получиться не более чем 33% трехфазной мощности для синхронных IP23, или порядка 70-80% для асинхронных IP54 и синхронных IP54 (High Protection). Если попробовать нагрузить агрегат сильнее, статорная обмотка окажется перегруженной и может «сгореть».

Другое дело, когда генератор сделан с «запасом». Например, когда при работе на три фазы его обмотки трудятся в треть силы. Тогда неравномерность распределения нагрузки (это и есть так называемый «перескок фаз») может составить хоть все 100%. В любом случае, не зависимо от предельных возможностей электростанции, нагрузку следует распределять равномерно — это увеличит КПД альтернатора и снизит нагрев у статорных обмоток.

Кратко подытожить выбор типа генератора можно так:

Предварительно Вы должны сами определить, какие потребители будут подключаться одновременно к генератору. При подсчёте — лучше (по возможности) проверить мощность потребителей по их паспортным данным, если это не возможно, то лучше обратится к квалифицированным специалистам, электрикам.

Обратите особое внимание на потребителей, имеющих в своём составе электромоторы: холодильники, насосы, газонокосилки и т.д. Это связано с тем, что для пуска электромотора требуется мощность в 3 — 3,5 раза превышающая его номинальную мощность. Приведённые цифры характерны для большинства бытовых приборов (в некоторых случаях может потребоваться существенно большая мощность и редких случаях меньшая).

Синхронные и асинхронные генераторы

Бензиновые и дизельные электростанции состоят из двух основных блоков – двигателя и генератора, объединенных на одной раме.

В бытовых электростанциях в большинстве случаев используются двигатели внутреннего сгорания. В двигателе внутреннего сгорания энергия сгорания топлива преобразуется в механическую работу (вращение вала). Бытовые газовые электростанции представляют собой бензиновые, адаптированные для работы на газе.

Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую.

Бывают двух типов:

Синхронные
Асинхронные.

Рассмотрим плюсы и минусы каждого из них.

Но сначала, Принцип работы электрического генератора

Принцип действия любого генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Преобразование механической энергии двигателя (вращательной) в энергию электрического тока поясняет следующая картинка:

Если в однородном магнитном поле равномерно вращается рамка, то в ней возникает, переменная Э.Д.С. (электродвижущая сила), частота которой равна частоте вращения рамки. Будем ли мы вращать рамку в магнитном поле, или магнитное поле вокруг рамки, либо магнитное поле внутри рамки, результат будет один – Э.Д.С. , изменяющаяся по гармоническому закону.

Видео, принцип работы электрического генератора тока.

Отличительные особенности синхронных и асинхронных генераторов:

Синхронный генератор

Это синхронная электрическая машина, работающая в режиме генератора в которой частота вращения магнитного поля статора равна частоте вращения ротора. Ротор состоит из обмоток при подаче напряжения на которые появляется магнитное поле с магнитными полюсами и создает вращающееся магнитное поле, которое пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС.

В зависимости от типа обмотки, ротор может быть короткозамкнутым либо фазным. Вращающееся магнитное поле, созданное вспомогательной обмоткой статора, индуцирует на роторе магнитное поле, которое вращаясь вместе с ротором, наводит ЭДС в рабочей обмотке статора, так же как и в асинхронном генераторе

Ротор, при запуске электростанции , создает слабое магнитное поле, но с увеличением оборотов, увеличивается и ЭДС в обмотке возбуждения. Напряжение с этой обмотки через блок автоматической регулировки (AVR) поступает на ротор, контролируя выходное напряжение за счет изменения магнитного поля.

Например, подключенная индуктивная нагрузка размагничивает генератор и снижает напряжение, а при подключении емкостной нагрузки происходит подмагничивание генератора и повышение напряжения. Это называется “реакцией якоря”.

Для обеспечения стабильности выходного напряжения необходимо изменять магнитное поле ротора путем регулирования тока в его обмотке ( для синхронных генераторов), что и обеспечивается блоком AVR ( Автоматический вольт регулятор).

Благодаря такому способу регулировки, вне зависимости от изменения тока нагрузки и оборотов двигателя электростанции стабильность выходного напряжения генератора остается очень высокой, на уровне ±1%.

Преимуществом синхронных генераторов является высокая стабильность выходного напряжения, а недостатком – возможность перегрузки по току, так как при завышенной нагрузке, регулятор может чрезмерно повысить ток в обмотке ротора, что может привести к выходу из строя.

Еще к недостаткам синхронных генераторов можно отнести наличие щеточного узла, который рано или поздно придется обслуживать, правда в настоящее время этот недостаток практически устранен.Так как, современные синхронные генераторы являются в большинстве своем без щеточными, их ротор не имеет коллекторно-щеточного узла, а ток в обмотке возбуждения (в роторе) индуцируется за счет переменного магнитного поля, создаваемого основной и/или дополнительной обмоткой статора.

Асинхронный генератор

Асинхронная электрическая машина работающая в режиме торможения, ротор которой вращается с опережением, но в том же направлении что и магнитное поле статора.

В асинхронном генераторе ротор выполнен виде постоянного магнита или электромагнита. Число полюсов ротора может быть два, четыре и т.д., но кратно двум.

В бытовых бензиновых и дизельных электростанциях используется, как правило, ротор с двумя полюсами, чем и обусловлена частота вращения двигателя электростанции 3000 об/мин. В дизельных электростанциях с частотой вращения 1500 об/мин используется четырехполюсной асинхронный генератор.

Вращающееся магнитное поле остается всегда неизменным и не регулируемым, вследствие чего напряжение и частота на выходе генератора зависит от частоты оборотов ротора и следовательно от стабильности вращения двигателя электростанции.

Несмотря на простоту обслуживания, малую чувствительность к короткому замыканию и невысокую стоимость, асинхронные генераторы применяются достаточно редко, так как имеются ряд недостатков: высокая себестоимость, зависящий от активно-индуктивного характера нагрузки; ненадежность работы в экстремальных нагрузках; зависимость выходного напряжения и частоты тока от устойчивости работы двигателя и т.д.

Источник: nevinka-info.ru