Синхронный генератор

Как и генератор постоянного тока в предыдущем уроке, работа генератора Синхронный генератор также основан на законе электромагнитной индукции Фарадея и работает аналогично автомобильному генератору переменного тока.

Разница на этот раз заключается в том, что синхронный генератор генерирует трехфазное выходное напряжение переменного тока из своих обмоток статора, в отличие от генератора постоянного тока, который вырабатывает один выход постоянного или постоянного тока. Однофазные синхронные генераторы также доступны для систем синхронных генераторов маломощных бытовых ветряных турбин.

В принципе, синхронный генератор представляет собой синхронную электромеханическую машину, используемую в качестве генератора и состоящую из магнитного поля на вращающемся роторе и неподвижного статора, содержащего несколько обмоток, которые обеспечивают генерируемую мощность. Система магнитного поля ротора (возбуждение) создается либо с помощью постоянных магнитов, установленных непосредственно на роторе, либо за счет электромагнитного возбуждения от внешнего постоянного тока, протекающего в обмотках возбуждения ротора.

Этот постоянный ток возбуждения передается на ротор синхронной машины через контактные кольца и угольные или графитовые щетки. В отличие от предыдущей конструкции генератора постоянного тока, синхронные генераторы не требуют сложной коммутации, что обеспечивает более простую конструкцию. Тогда синхронный генератор работает аналогично автомобильному генератору и состоит из двух следующих общих частей:

Основные компоненты синхронного генератора

• Статор: – Статор несет три отдельные (3-фазные) обмотки якоря, физически и электрически смещенные друг от друга на 120 градусов, что обеспечивает выходное напряжение переменного тока.
• Ротор: – Ротор несет магнитное поле либо в виде постоянных магнитов, либо в виде намотанных катушек, подключенных к внешнему источнику питания постоянного тока через токосъемные кольца и угольные щетки.

Говоря о «синхронном генераторе», терминология, используемая для описания частей машины, обратна терминологии, используемой для описания генератора постоянного тока.Обмотки возбуждения — это обмотки, создающие основное магнитное поле, которые являются обмотками ротора для синхронной машины, а обмотки якоря — это обмотки, в которых индуцируется основное напряжение, обычно называемые обмотками статора. Другими словами, для синхронной машины обмотки ротора являются обмотками возбуждения, а обмотки статора — обмотками якоря, как показано.

Конструкция синхронного генератора

В приведенном выше примере показана базовая конструкция синхронного генератора с явно выраженным двухполюсным ротором. Эта обмотка ротора подключена к напряжению питания постоянного тока, создающему ток возбуждения, I_ф . Внешнее напряжение возбуждения постоянного тока, которое может достигать 250 вольт постоянного тока, создает электромагнитное поле вокруг катушки со статическими северным и южным полюсами.

Когда вал ротора генератора вращается лопастями турбины (первичный двигатель), полюса ротора также будут двигаться, создавая вращающееся магнитное поле, поскольку северный и южный полюса вращаются с той же угловой скоростью, что и лопасти турбины (при условии прямого привода). . Когда ротор вращается, его магнитный поток пересекает отдельные катушки статора одну за другой, и по закону Фарадея в каждой катушке статора индуцируется ЭДС и, следовательно, ток.

Величина напряжения, индуцируемого в обмотке статора, является, как показано выше, функцией напряженности магнитного поля, которая определяется током возбуждения, скоростью вращения ротора и числом витков в обмотке статора. Поскольку синхронная машина имеет три обмотки статора, в обмотках статора генерируется трехфазное напряжение, соответствующее обмоткам А, В и С, которые электрически разнесены на 120°, как показано выше.

Эта трехфазная обмотка статора подключена непосредственно к нагрузке, и, поскольку эти катушки являются стационарными, им не нужно проходить через большие ненадежные контактные кольца, коллектор или угольные щетки.Кроме того, поскольку катушки, генерирующие основной ток, являются стационарными, упрощается намотка и изоляция обмоток, поскольку они не подвергаются вращательным и центробежным силам, что позволяет генерировать более высокие напряжения.

Синхронный генератор с постоянными магнитами

Как мы видели, синхронные машины с раневым полем требуют возбуждения постоянным током в обмотке ротора. Это возбуждение осуществляется за счет использования щеток и контактных колец на валу генератора. Однако есть несколько недостатков, таких как необходимость регулярного обслуживания, очистки от угольной пыли и т. д. Альтернативным подходом является использование бесщеточного возбуждения, в котором вместо электромагнитов используются постоянные магниты.

Как следует из названия, в синхронный генератор с постоянными магнитами (PMSG) поле возбуждения создается с помощью постоянных магнитов в роторе. Постоянные магниты могут быть установлены на поверхности ротора, встроены в поверхность или установлены внутри ротора. Воздушный зазор между статором и ротором уменьшен для обеспечения максимальной эффективности и сведения к минимуму количества необходимого редкоземельного магнитного материала. Постоянные магниты обычно используются в маломощных и недорогих синхронных генераторах.

Для низкоскоростных генераторов ветряных турбин с прямым приводом генератор с постоянными магнитами более конкурентоспособен, поскольку он может иметь большее число полюсов, составляющее 60 или более полюсов, по сравнению с обычным синхронным генератором с фазным ротором. Кроме того, реализация возбуждения с постоянными магнитами проще, надежнее, но не позволяет контролировать возбуждение или реактивную мощность. Одним из основных недостатков синхронных генераторов ветряных турбин с постоянными магнитами является то, что без контроля потока ротора они достигают максимальной эффективности только при одной заранее определенной скорости ветра.

Генераторы синхронной скорости

Частота выходного напряжения зависит от скорости вращения ротора, другими словами, от его «угловой скорости», а также от количества отдельных магнитных полюсов на роторе.В нашем простом примере выше синхронная машина имеет два полюса, один северный полюс и один южный полюс. Другими словами, машина имеет два отдельных полюса или одна пара полюсов, (Север-Юг), также известный как пары полюсов.

Когда ротор совершает один полный оборот, 360 o , генерируется один цикл ЭДС индукции, поэтому частота будет равна одному циклу на каждый полный оборот или 360 o . Если удвоить количество магнитных полюсов до четырех, (две пары полюсов), то на каждый оборот ротора будет генерироваться два цикла ЭДС индукции и так далее.

Поскольку один цикл ЭДС индукции создается одной парой полюсов, количество циклов ЭДС, возникающих за один оборот ротора, будет равно количеству пар полюсов P. Таким образом, если количество циклов на оборот определяется как: P/2 относительно количества полюсов, а количество оборотов ротора N в секунду определяется как: N/60, то частота (ƒ) ЭДС индукции будет быть определена как:

В синхронном двигателе его угловая скорость фиксирована частотой напряжения питания, поэтому N обычно называют синхронной скоростью. Тогда для синхронного генератора с полюсом «P» скорость вращения первичного двигателя (лопастей турбины) для получения требуемой выходной частоты 50 Гц или 60 Гц ЭДС индукции будет равна:

Таким образом, для данного синхронного генератора, спроектированного с фиксированным числом полюсов, генератор должен приводиться в действие с фиксированной синхронной скоростью, чтобы поддерживать постоянную частоту ЭДС индукции на требуемом уровне, 50 Гц или 60 Гц для питания сетевых приборов. Другими словами, частота создаваемой ЭДС синхронизирована с механическим вращением ротора.

Затем сверху видно, что для генерации 60 Гц с помощью 2-полюсной машины ротор должен вращаться со скоростью 3600 об/мин, или для генерации 50 Гц с помощью 4-полюсной машины ротор должен вращаться со скоростью 1500 об/мин.Для синхронного генератора, который приводится в действие электродвигателем или парогенератором, эта синхронная скорость может быть легко достигнута, однако при использовании в качестве синхронного генератора ветровой турбины это может быть невозможно, поскольку скорость и мощность ветра постоянно меняется.

$124.95

Из нашего предыдущего учебника по проектированию ветряных турбин мы знаем, что все ветряные турбины выигрывают от оптимальной работы ротора. отношение скорости наконечника. Но чтобы получить TSR от 6 до 8, угловая скорость лопастей, как правило, очень низкая и составляет от 100 до 500 об/мин, поэтому, глядя на наши таблицы выше, нам потребуется синхронный генератор с большим числом магнитных полюсов, например, 12 или выше.

Но помимо этого, потребуется некоторая форма механического ограничителя скорости, такая как бесступенчатая трансмиссия или вариатор, чтобы лопасти ротора вращались с постоянной максимальной скоростью для системы ветряной турбины с прямым приводом. Однако для синхронной машины чем больше у нее полюсов, тем крупнее, тяжелее и дороже становится машина, которая может быть приемлемой или неприемлемой.

Одним из решений является использование синхронной машины с небольшим числом полюсов, которая может вращаться с более высокой скоростью от 1500 до 3600 об/мин с приводом от редуктора. Низкая скорость вращения лопастей ротора ветряных турбин увеличивается с помощью редуктора, который позволяет скорости генератора оставаться более постоянной при изменении скорости вращения лопастей турбины, поскольку изменение на 10% при 1500 об/мин менее проблематично, чем изменение на 10% при 100 об/мин. Этот редуктор может согласовать скорость генератора с переменной скоростью вращения лопастей, что позволяет работать с переменной скоростью в более широком диапазоне.

Однако использование редуктора или системы шкивов требует регулярного технического обслуживания, увеличивает вес ветряной турбины, создает шум, увеличивает потери мощности и снижает эффективность системы, поскольку требуется дополнительная энергия для привода шестерен редуктора и внутренних компонентов.

Использование системы прямого привода без механической коробки передач имеет много преимуществ, но отсутствие коробки передач означает более крупную синхронную машину с увеличением как размера, так и стоимости генератора, который затем должен работать на низких скоростях. Итак, как мы можем управлять синхронным генератором в системе низкоскоростных ветряных турбин, скорость вращения лопастей ротора которых определяется только мощностью ветра. Путем выпрямления сгенерированного 3-фазного питания в источник постоянного или постоянного тока.

Синхронные Генераторные Выпрямители

Диодные выпрямители — это электронные устройства, используемые для преобразования переменного тока (переменного тока) в постоянный (постоянный ток). Преобразовывая выходную мощность синхронного генератора в источник постоянного тока, генератор ветровой турбины может работать на других скоростях и частотах, отличных от его фиксированной синхронной скорости.

Это позволяет преобразовывать переменную частоту и переменное выходное напряжение генератора в постоянное напряжение переменного уровня. Преобразовывая выход переменного тока в постоянный, генератор теперь можно использовать как часть ветряной системы для зарядки аккумуляторов или как часть ветроэнергетической системы с переменной скоростью. Затем синхронный генератор переменного тока преобразуется в генератор постоянного тока.

В схеме простейшего выпрямителя используется схема диодного моста для преобразования переменного тока, генерируемого генератором, в флуктуирующий источник постоянного тока, амплитуда которого определяется скоростью вращения генератора. В этой схеме выпрямителя синхронного генератора, показанной ниже, 3-фазный выход генератора выпрямляется до постоянного тока с помощью 3-фазного выпрямителя.

Цепь выпрямителя генератора

Принципиальная схема мостового трехфазного выпрямителя переменного тока в постоянный показана выше. В этой конфигурации ветряная турбина может управлять генератором на частоте, не зависящей от синхронной частоты, поскольку изменение скорости генератора изменяет частоту генератора.Следовательно, можно изменять скорость генератора в более широком диапазоне и работать с оптимальной скоростью для получения максимальной мощности в зависимости от фактической скорости ветра.

Обратите внимание, что выходное напряжение трехфазного мостового выпрямителя не является чистым постоянным током. Выходное напряжение имеет уровень постоянного тока вместе с большими колебаниями переменного тока. Эта форма сигнала обычно известна как «пульсирующий постоянный ток», который можно использовать для зарядки аккумуляторов, но нельзя использовать в качестве удовлетворительного источника постоянного тока. Чтобы удалить эти пульсации переменного тока, используется фильтр или схема сглаживания. Эти схемы сглаживания или схемы фильтра пульсаций используют комбинации катушек индуктивности и конденсаторов для получения плавного постоянного напряжения и тока.

При использовании как части системы, подключенной к сети, синхронные машины могут быть подключены к сети только тогда, когда их частота, фазовый угол и выходное напряжение такие же, как у сетей, другими словами, они вращаются со своей синхронной скоростью как мы видели выше. Но, преобразовывая их переменное выходное напряжение и частоту в постоянный источник постоянного тока, мы теперь можем преобразовать это постоянное напряжение в источник переменного тока с правильной частотой и амплитудой, соответствующей сети электросети, используя либо однофазную, либо трехфазную сеть. фазоинвертор.

Ан инвертор это устройство, которое преобразует электричество постоянного тока (DC) в электричество переменного тока (AC), которое может подаваться непосредственно в сеть электросети, поскольку подключенные к сети инверторы работают синхронно с коммунальной сетью и производят электроэнергию, идентичную мощности коммунальной сети. Подключенные к сети синусоидальные инверторы для ветровых установок выбираются с диапазоном входного напряжения, соответствующим выпрямленному выходному напряжению турбины.

Преимущество непрямого подключения к сети заключается в том, что ветряная турбина может работать с переменной скоростью.Еще одним преимуществом выпрямления выходного сигнала генератора является то, что ветряные турбины с синхронными генераторами, которые используют электромагниты в своей конструкции ротора, могут использовать этот постоянный ток для питания обмоток катушек вокруг электромагнитов в роторе. Однако недостатком непрямого подключения к сети является стоимость, поскольку системе требуется инвертор и два выпрямителя, один для управления током статора, а другой для генерирования выходного тока, как показано ниже.

Схема синхронного генератора

Резюме учебника

синхронный генератор с фазным ротором уже используется в качестве генератора ветровой турбины, но одним из основных недостатков синхронного генератора может быть его сложность и стоимость. Безредукторные генераторы с прямым приводом представляют собой очень медленно вращающиеся синхронные генераторы с большим количеством полюсов для достижения их синхронной скорости. Генераторы с меньшим количеством полюсов имеют более высокие скорости вращения, поэтому требуют коробки передач или трансмиссии, что увеличивает стоимость.

Синхронные генераторы производят электричество, основная выходная частота которого синхронизирована со скоростью вращения ротора. Сетевым генераторам требуется постоянная фиксированная скорость для синхронизации с частотой сети общего пользования, и необходимо возбуждать обмотку ротора от внешнего источника постоянного тока с помощью токосъемных колец и щеток.

Основным недостатком одной операции с фиксированной скоростью является то, что она почти никогда не улавливает энергию ветра с максимальной эффективностью. Энергия ветра теряется, когда скорость ветра выше или ниже определенного значения, выбранного в качестве синхронной скорости.

В ветряных турбинах с переменной скоростью используются выпрямители и инверторы для преобразования переменного напряжения, переменной частоты на выходе синхронного генератора в фиксированное напряжение, фиксированная частота на выходе 50 Гц или 60 Гц, требуемая коммунальной сетью. Это позволяет использовать синхронные генераторы с постоянными магнитами, снижая стоимость.Для низкоскоростных генераторов ветряных турбин с прямым приводом генератор с постоянными магнитами более конкурентоспособен, поскольку он может иметь большее число полюсов, составляющее 60 или более полюсов, по сравнению с обычным синхронным генератором с фазным ротором.

В следующем уроке о ветроэнергетике и Генераторы ветряных турбин, мы рассмотрим работу и конструкцию другого типа электрической машины, называемой асинхронным генератором, также известной как «асинхронный генератор». Асинхронные генераторы также могут использоваться для выработки трехфазной электроэнергии переменного тока, подключенной к сети.

Чтобы узнать больше о «синхронных генераторах» или получить дополнительную информацию об энергии ветра о различных доступных системах генерации ветряных турбин, или изучить преимущества и недостатки использования синхронных генераторов как части системы ветряных турбин, подключенной к сети, нажмите здесь, чтобы получить копия одной из лучших на сегодняшний день книг по синхронным генераторам и двигателям прямо с Amazon.

Самые продаваемые сопутствующие товары для синхронных генераторов

В продаже