Синхронный генератор представляет собой электрическую машину, основная задача которой — преобразование механической энергии вращения в электрическую энергию переменного тока. Ключевая особенность такого устройства заключается в том, что частота вырабатываемого тока находится в строгой пропорции со скоростью вращения его ротора, что и обуславливает его название — «синхронный».
Классификация синхронных генераторов
В зависимости от конструкции и области применения синхронные генераторы подразделяются на несколько основных типов: генераторы повышенной и высокой частоты, гидротурбинные и паротурбинные генераторы.
Генераторы высокой частоты
Этот тип генераторов предназначен для выработки переменного тока с высокой частотой. Принцип их действия базируется на изменении магнитного потока, которое возникает при вращении ротора внутри неподвижного статора. Исторически они использовались для питания антенн длинноволновых радиотелеграфных станций на расстояниях до 3000 метров. Однако для работы на более коротких волнах требовалось дальнейшее увеличение частоты, что создавало технологические сложности.
Высокая частота достигается двумя основными путями: увеличением количества магнитных полюсов в машине и повышением скорости вращения ротора. Существует несколько разновидностей таких генераторов, классифицируемых по способу получения тока: индуктирующие ток непосредственно в машине; использующие статические умножители частоты; применяющие ток, наведенный обратным полем статора в роторе; а также генераторы, где переменный ток создается за счет изменения собственной индуктивности или емкости.
Гидротурбинные генераторы
Гидротурбинный генератор — это синхронная машина, приводимая в движение энергией падающей воды через гидравлическую турбину. Его ротор жестко закреплен на одном валу с рабочим колесом турбины. Это одни из самых мощных и крупногабаритных электрических машин: их мощность может достигать 100 000 кВт, а диаметр ротора — 15 метров. На итоговую мощность значительное влияние оказывают скорость вращения, маховый момент ротора и протяженность линии электропередачи.
Конструктивно такие генераторы часто имеют вертикальную ось вращения. В «подвесной» схеме опорный подпятник, воспринимающий осевое давление воды, расположен выше ротора. В «зонтичной» схеме подпятник находится под ротором, а один из направляющих подшипников размещен в турбине.
Обмотка переменного тока находится на статоре, который окружает явнополюсный ротор. Охлаждение осуществляется циркулирующим воздухом, нагнетаемым вентиляторами на роторе. Тепло от воздуха отводится водой через воздухоохладители. Для быстрой и безопасной остановки агрегата используются мощные воздушные или масляные колодочные тормоза, сокращающие время остановки до нескольких минут.
Паротурбинные генераторы (Турбогенераторы)
Паротурбинный генератор — это синхронный генератор, ротор которого вращается за счет энергии пара, подаваемого на турбину. Как правило, это двух- или четырехполюсные машины с очень высокой скоростью вращения (1500–3000 об/мин). В отличие от гидрогенераторов, они имеют относительно небольшой диаметр (до 1 м), но значительную длину ротора (до 6.5 м).
Ротор представляет собой массивный стальной цилиндр с пазами для обмотки возбуждения. Мощные центробежные силы, действующие на обмотку при вращении, компенсируются стальными клиньями и бандажами. Статор выполнен в виде цельного стального корпуса. Для охлаждения машин малой мощности применяется проточная вентиляция, а в более мощных агрегатах — замкнутая система с воздухоохладителями, расположенными под корпусом генератора. Обмотка ротора питается постоянным током от возбудителя, соединенного с валом через гибкую муфту.
Устройство и принцип действия
Основными частями любого синхронного генератора являются неподвижный статор (якорь) и вращающийся ротор (индуктор). В пазах внутренней поверхности статора уложена трехфазная обмотка переменного тока. Сердечник статора набирается из изолированных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. Ротор, находящийся внутри статора, представляет собой электромагнит, обмотка которого питается постоянным током (током возбуждения). В тихоходных машинах ротор имеет явнополюсную форму (колесо или звезда), в быстроходных — неявнополюсную (гладкий цилиндр).
Генератор работает как источник тока постоянной частоты при условии стабильной скорости вращения ротора. При симметричной трехфазной нагрузке ток в обмотках статора создает вращающееся магнитное поле. Его скорость вращения в точности равна скорости вращения ротора, что и определяет синхронность работы. Взаимодействие между полем статора и полем ротора зависит от фазового сдвига между током нагрузки и ЭДС генератора, и именно в этом взаимодействии происходит преобразование механической мощности в электрическую.
Параллельная работа и особенности эксплуатации
В современных энергосистемах синхронные генераторы обычно работают параллельно, питая общую сеть. Это возможно благодаря inherentному свойству синхронных машин автоматически поддерживать синхронизм. При изменении режима работы одного из генераторов (например, при регулировке тока возбуждения) возникают уравнительные токи, стремящиеся восстановить баланс.
Нарушение синхронизма может привести к опасным явлениям, таким как «качание» ротора — затухающие колебания скорости вокруг синхронного значения. Для их гашения в полюсных наконечниках ротора часто размещают демпферную обмотку (медные стержни). Наиболее тяжелым режимом является короткое замыкание, при котором ток в статоре может возрасти в 15 раз, создавая огромные электродинамические усилия и риск механических повреждений. Несмотря на эти challenges, синхронные генераторы остаются основным типом машин для выработки электроэнергии в крупных электрических установках по всему миру.
