Синхронный генератор — это машина, преобразующая механическую энергию вращения в электрическую энергию переменного тока, где частота генерируемого тока пропорциональна скорости вращения ротора машины.
Синхронные генераторы делятся на генераторы повышенной и высокой частоты, гидротурбинные, паротурбинные генераторы.
1. Генератор высокой частоты способен преобразовывать механическую энергию вращения в энергию переменного электрического тока высокой частоты. Его действие основано на изменении магнитного потока, которое достигается вращением ротора относительно неподвижного статора. Генератор высокой частоты применяется для питания антенн длинноволновых радиотелеграфных станций на расстоянии до 3000 м. Попытки применять их для более коротких волн развития не получилось, так как требовалось увеличение частоты.
Высокую частоту в данных генераторах удается получить за счет увеличения числа полюсов и скорости вращения ротора. По способу действия генераторы высокой частоты делятся на индуктирующие ток в самой машине; генераторы, частота тока которых повышается с помощью статических умножителей; генераторы, частота машины которых увеличивается путем использования переменного тока, наведенного обратным полем статора в обмотке ротора; генераторы, в которых создание переменного тока происходит благодаря изменению индуктивности или емкости самой машины.
2. Гидротурбинный генератор — это генератор переменного или постоянного тока, который приводится в движение гидравлической турбиной. Гидротурбинный генератор — это синхронный генератор, ротор которого располагается на одном валу вместе с колесом турбины. Мощность такого генератора достигает 100 ООО кВт при скорости вращения до 1500 об/мин и напряжении до 16 ООО В. Синхронные гидротурбинные генераторы по своим размерам и весу больше всех других электрических машин. Только диаметр ротора достигает 15 м. Большое влияние на мощность турбины оказывает скорость ее вращения, маховый момент ротора и длина линии электропередачи. Чаще всего у синхронного гидротурбинного генератора вертикальная ось вращения, когда в подвесном подпятнике происходит осевое давление воды на рабочее колесо турбины. При этом подпятник располагается выше ротора генератора. В зонтичном синхронном генераторе подпятник располагается под ротором генератора и один из трех направляющих подшипников находится в турбине.
Обмотка переменного тока располагается на статоре, который охватывает закрепленный на валу явно полюсный ротор. Напор циркулирующего воздуха создается вентиляторами, расположенными на роторе, и самими полюсами ротора. Воздух передает свое тепло протекающей по трубкам воздухоохладителя воде. Для предотвращения поломки подпятника применяются воздушные или масляные колодочные тормоза, которые способны уменьшить время остановки до нескольких минут.
3. Паротурбинный генератор — это синхронный генератор переменного или постоянного тока, приводимый в движение паровой турбиной. Данные генераторы чаще всего бывают четырехполюсные и двухполюсные со скоростью вращения от 1500 до 3000 об/мин. Ротор синхронного паротурбинного генератора представляет собой массивный стальной цилиндр с прямоугольными пазами, в которых находится обмотка возбуждения. Центробежная сила обмотки воспринимается клиньями и большими бандажами кованой стали, охватывающими торцовые части обмотки. Корпус статора стальной неразъемный. В отличие от гидротурбинного синхронный паротурбинный генератор имеет диаметр до 1 м, но длину ротора до 6,5 м. Для работы паротурбинных генераторов малых мощностей применяется протяжная система вентиляции, где необходимый напор воздуха создается центробежными роторными вентиляторами.
При замкнутой системе вентиляции воздухоохладители располагаются под самим генератором. Возбудитель паротурбинного генератора соединяется с ротором посредством гибкой муфты и способен питать обмотку возбуждения через контактные кольца.
Данный генератор состоит из неподвижного якоря-статора и вращающегося индуктора-ротора. На внутренней поверхности статора в его пазах располагается обмотка переменного тока. Статор генератора выполнен из тонкой электротехнической стали, которая изолирована лаковой пленкой или бумагой. Все эти стальные листы укрепляются в станине машины. Ротор находится внутри статора и представляет собой стальной цилиндр, в пазах которого размещается обмотка возбуждения постоянного тока.
В тихоходных машинах ротор имеет форму колеса или звезды. В синхронных генераторах малой мощности иногда применяют конструкции с расположенной обмоткой переменного тока на роторе и обмоткой возбуждения на статоре. Синхронный генератор переменного тока используется обычно в качестве источника переменного тока постоянной частоты, что возможно при неизменной скорости вращения ротора. При симметричной трехфазной нагрузке синхронного генератора переменного тока по обмоткам статора протекает ток также трехфазно и симметрично. Данный ток способен создавать свое магнитное поле, ось которого вращается со скоростью, равной скорости вращения ротора. Поэтому данный генератор и получил название «синхронный генератор», так как подчеркивает синхронность вращения ротора и магнитного поля статора. Характер взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с полем электромагнитов ротора зависит от сдвига фаз между токами нагрузки и ЭДС генератора. При этом механическая мощность преобразуется в электрическую.
В современных электрических установках синхронные генераторы зачастую работают параллельно на общую нагрузку, что возможно при строго синхронной скорости вращения генераторов. Это вполне осуществимо благодаря свойству синхронной машины автоматически поддерживать синхронизм. При параллельной работе синхронных генераторов при изменении режима одного из них начинается ответная реакция стремящегося восстановить нарушенный режим уравнительного тока. При уменьшении или увеличении тока возбуждения ток статора из-за возникновения реактивной составляющей возрастает. При нарушении синхронизма торможение одной машины и ускорение другой уменьшается. Возвращение ротора к синхронному вращению сопровождается затухающими колебаниями его угловой скорости вращения около ее значения. Иногда эти колебания нарушают спокойную работу машины, что называется качание. При правильном выборе махового момента генератора качание можно устранить с помощью медных стержней в полюсных наконечниках ротора. Опасные процессы могут возникнуть и при коротком замыкании, когда ток в обмотке статора возрастает в 15 раз, это приводит к возникновению индуктированного тока в обмотке возбуждения или может привести к механическим повреждениям синхронного генератора. Синхронные генераторы переменного тока находят применение в современных электрических установках.
