Конструкция и принцип действия синхронного генератора
Глава 2. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
|
| |
|
Рис. 2.1. Конструкция синхронной машины
Для пояснения принципа действия синхронного генератора воспользуемся упрощенной моделью синхронной машины (рис.2.2).
Статор, неподвижная часть машины, представляет собой полый шихтованный цилиндр (сердечник статора) с продольными пазами на внутренней поверхности. В пазах расположены стороны витков, являющиеся обмоткой статора, которая запитывается постоянным током. Статор упрощенно показан в виде пары неподвижных полюсов (N и S), создающих постоянное магнитное поле с индукцией 
.
Ротор, вращающаяся часть электрической машины, представляет собой также шихтованный пакет, насаженный на вал машины и в котором имеются пазы для укладки в них проводников обмотки ротора. Ротор расположен во внутренней полости статора.
Обмотка ротора схематично представлена двумя сторонами (проводниками) одного витка abcd. Вал ротора приводится во вращение посредством приводного двигателя (например, с помощью ременной или зубчатой передачи).
Рис.2.2. Схема работы машины переменного тока
Под действием вращающего момента 
приводного двигателя ротор электрической машины вращается с частотой n против часовой стрелки. При этом по закону электромагнитной индукции в проводниках витка обмотки ротора наводится ЭДС индукции, направление которой определяется по правилу правой руки.
Если правую ладонь расположить так, чтобы в нее входили силовые линии магнитного поля, а отогнутый большой палец совпадал с направлением движения проводника относительно магнитного поля, то четыре пальца правой руки покажут направление индуцируемой ЭДС. Таким образом, в проводнике ab ЭДС 
будет направлена на нас, а в проводнике cd ЭДС 
- от нас. Общая индуцированная ЭДС будет равна их сумме: 
.
Мгновенное значение ЭДС обмотки ротора в рассматриваемой модели синхронного генератора будет:
(2.1)
где 
магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником ротора и полюсом статора, Тл;
- активная длина одной пазовой стороны обмотки ротора, м;
- скорость движения ротора относительно статора, м/с;
D – наружный диаметр сердечника ротора, м.
В процессе вращения ротора магнитное поле вращается относительно обмотки ротора с частотой n, поэтому каждый из проводников обмотки ротора попеременно оказывается то в зоне северного (N) магнитного полюса, то в зоне южного (S) магнитного полюса. При этом каждая смена полюсов сопровождается изменением направления индуцированной ЭДС. Таким образом, в обмотке ротора генератора наводится переменная ЭДС 
. Если каждую из сторон обмотки (ab и cd) соединить с кольцом А и В – соответственно, а к этим кольцам через скользящие контакты (щетки) подключить нагрузку zн, то в цепи потечет переменный ток i(t).
Формула (2.1) показывает, что при неизменной частоте вращения ротора n форма кривой переменной ЭДС обмотки якоря определяется исключительно законом распределения магнитной индукции 
в зазоре. Если
, (2.2)
то
, (2.3)
где 
- угловая частота вращения ротора, рад/с;
f – циклическая частота, Гц;
- начальная фаза фазового угла 
;
Частота f ЭДС синхронного генератора
, (2.4)
где p – число пар полюсов электрической машины. В рассматриваемом случае p=1.
Если обмотка якоря трехфазная, то в ней индуцируются переменные ЭДС eA; eB и eC, которые одинаковы по значению, но сдвинуты по фазе относительно друг друга на 
периода Т (120 эл. градусов). Эти ЭДС образуют трехфазную симметричную систему ЭДС. При подключении нагрузки к фазам такой системы возникают переменные токи iA, iB и iC. При этом трехфазная обмотка статора создает вращающееся магнитное поле. Можно легко показать, что частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора.
Таким образом, в синхронном генераторе поле индуктора и поле якоря неподвижны друг относительно друга, а относительно обмоток якоря, расположенных в рассматриваемом случае на роторе, они вращаются с одинаковой скоростью – синхронно. Поэтому такие машины переменного тока и называются синхронными.