Принцип работы генераторов

ЧТО ТАКОЕ АЛЬТЕРНАТОР

Когда–то давно, на заре своего возникновения, устройство для выработки электрического тока так и называлось – альтернатор. То есть, это устаревшее название генератора переменного тока. Позже его стали называть генератором, подразумевая под этим всю конструкцию: альтернатор и двигатель, размещенные на открытой раме или в корпусе.
Альтернатор в отдельности – самая важная часть генератора, именно он выполняет главную функцию – преобразовывает механическую энергию вращения вала двигателя в электрическую энергию переменного тока. В нем есть два стандартных элемента: вращающийся ротор и статор — неподвижная часть генератора.

Для возбуждения электродвижущей силы на обмотках статора нужно создать переменное магнитное поле. Для этого все генераторы используют намагниченный ротор, который вращается. Это то, что у всех одинаково. А вот дальше начинаются различия. По конструктивным особенностям передачи магнитного поля на обмотки статора все электростанции можно разделить на асинхронные и синхронные:

  • Синхронные альтернаторы имеют обмотки и на роторе. Синхронный альтернатор носит второе популярное название – щеточный.
  • Асинхронные альтернаторы обмотки на роторе не имеют. В них передается остаточная намагниченность ротора, без контакта, поэтому надобность в щетках тоже отпадает. Поэтому асинхронный альтернатор называют бесщеточным.

Если совсем просто, то синхронный альтернатор по строению является более сложным, он обладает обмотками на роторе и угольными щетками. Асинхронный альтернатор более простой по своему строению, поэтому генераторы с ним стоят дешевле и, учитывая отзывы покупателей, являются менее надежными и выносливыми. Но это не значит, что асинхронный альтернатор заведомо хуже синхронного. Есть некоторые нюансы, которые практически уравновешивают все плюсы и минусы и одного и другого типа. Какой генератор выбрать, синхронный или асинхронный, зависит от того, где и как вы планируете его применять.

Типичный отзыв клиента:

«Когда строил дом, время от времени брал генератор с работы (Хонда). Генератор хороший — не вопрос, наши дорожники использую больше пяти лет. Но когда я его подключил к газовому котлу, то он его не запустил. Уже позже узнал, что из-за того, что он бесщеточный, вырабатывает нестабильное напряжение. После этого взял Konner&Sohnen KS6000D. У кума работает больше года, он и посоветовал. От него вся электроника работает нормально, замерял вольтметром выходное напряжение, на выходе абсолютно ровная синусоида 220 В (+/-5). Не смотря на то, что я электрик, не знал, что для дома лучше брать синхронный генератор.» ©Глеб

СИНХРОННЫЙ АЛЬТЕРНАТОР: ПРЕИМУЩЕСТВА В РАБОТЕ

Качественный синхронный альтернатор для прохождения тока на роторе имеет медную обмотку. Иногда дешевые и низкокачественные модели генераторов оснащены алюминиевой обмоткой. Она хороша для редкого использования генератора при небольших нагрузках. А для получения тока высокого качества лучше приобрести генератор с медной обмоткой от стабильных и проверенных временем брендов. Кроме обмотки, есть скользящие контакты, называемые щетками, задачей которых является снятие напряжение с неподвижной части на подвижную часть, в связи, с чем через них проходит электроток. Именно медная обмотка и узел щеток на роторе являются гарантией легкого переноса пусковых нагрузок и кратковременных перегрузок альтернатора. Таким образом, синхронный генератор выдает на выходе напряжение без перепадов и скачков. Возможно минимальное отклонение — около 5%. Советы специалистов в этой отрасли гласят, что синхронная электростанция лучше асинхронной, так как выдается качественный и чистый ток. Известнейшая функция автоматического регулятора напряжения (AVR) работает только в синхронном генераторе. Качественный и ровный ток играет немаловажную роль при подключении к питанию электроприборов, таких как, ноутбук, принтер, комп’ютер, модем, телефон. Чувствительное лабораторное и медицинское оборудование также требует качественного и ровного тока. На бытовом уровне щеточный генератор будет более полезен, так как обеспечиваются качественным током и чувствительные к перепадам напряжения холодильники, телевизоры, стиральные машины.

Подобьем плюсы щеточного узла и обмотки:

  • Стабильное напряжение
  • Ток самого высшего качества
  • Надежная работа

СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР: ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ СТОРОНЫ

Наличие щеточного узла обладает и минусами в работе. Так, тесное постоянное скольжение этих щеток по ротору греет обмотку генератора. Чтобы избежать перегрева, используется воздушная система охлаждения с помощью вентилятора. Данная система приемлема и надежная, но также обладает побочным эффектом, таким как «эффект пылесоса». Открытая конструкция щеточного генератора способствует всасыванию вовнутрь грязи, пыли и влаги. В связи с этим данные генераторы обладают низким классом защиты. Но время не стоит на месте, и много производителей с помощью инновационных достижений довольно хорошо защищают свои генераторы от влаги, пыли и грязи.
Выбирая, какой генератор лучше, обратите внимание на класс защиты, иначе необходима частая чистка щеточного узла, из-за мусора и пыли генератор может поломаться. Качественным методом профилактики поломок генератора является замена щеток время от времени. Более качественные щетки медно-графитовые меняются один раз в три-четыре года, а угольные щетки нужно менять не реже, чем раз на два года.

Минусы щеток:

  • Охлаждающий вентилятор тянет пыль вовнутрь
  • Нужно проводить техосмотр – замену щеток
  • Более высокая цена
  • Еще одним немаловажным минусом щеток является создание радиопомех.

АСИНХРОННЫЙ АЛЬТЕРНАТОР: ПЛЮСЫ

Бесщеточный альтернатор не имеет обмотки на подвижной части, да и сама подвижная часть смахивает на маховик. Таким образом, и в щетках нет необходимости. Для работы генератору достаточно магнитного поля и конденсаторов. Технически конструкция у асинхронного альтернатора проще, а значит, долговечнее и надежнее, техническое обслуживание (замена щеток) вообще отсутствует. Обмотки медной нет, перегрева быть не может и охлаждение не требуется. Конструкция бесщеточного генератора такова, что пыль, влага и грязь не затягиваются вовнутрь. Благодаря этому повышается класс защиты. Бесщеточные генераторы обладают самым высоким уровнем защиты. Защищены от струй воды, падающих под любым углом, проникновения мелких пылинок и касаний. Вес и размеры асинхронного генератора намного меньше, ведь у него нет медной обмотки и вентилятора для охлаждения.
То есть, получаем такие плюсы отсутствия щеток и обмотки:

  • Хорошая защита от пыли и грязи.
  • Небольшой вес и размеры.
  • Низкая цена.
  • Не нужно менять щетки.
  • И самый главный плюс — бесщеточный альтернатор невосприимчив к коротким замыканиям, что особенно важно при подключении к электростанции сварочных аппаратов.

АСИНХРОННЫЙ АЛЬТЕРНАТОР: МИНУСЫ

К сожалению, асинхронный генератор обладает не только плюсами, но и минусами, главный их которых – это низкая способность «проглатывания» пусковых перегрузок. В связи с чем, напряжение на выходе нестабильно. В официальных характеристиках асинхронных генераторов указывается возможное отклонение в 10%, но в основном скачки выходят за пределы допустимого отклонения. Функции автоматического регулятора напряжения у данного вида генераторов не бывает.
Различные незапланированные скачки могут испортить дорогую электронику, а в этом случае риск не благородное дело! Чтобы обезопасить свою электронику при выборе асинхронного генератора, используйте возможность приобретения и установки стартового усилителя, что способствует улучшению выходящего тока.

Итак, минусы асинхронного альтернатора:

  • Нестабильное напряжение
  • Ток низкого качества

Чтобы как-то выровнять эти показатели, помните при выборе генератора, что немаловажным фактором остается производитель мотора. Качественные бензиновые двигатели от мировых брендов способствуют улучшению выходных параметров, поскольку такой мотор поддерживает при изменении нагрузки постоянные обороты.

ВЫВОДЫ: КАКОЙ АЛЬТЕРНАТОР ЛУЧШЕ

Какой лучше альтернатор щеточный или бесщеточный, выбирать, конечно, вам, но отзывы потребителей тоже говорят о многом. Изучив отзывы и полезные советы покупателей, которые уже использовали альтернатор асинхронный или синхронный, становится понятно, что главный критерий выбора – ответ на вопрос, для каких целей нужен генератор.

Генератор с синхронным альтернатором в бытовых условиях

  • Если вопрос в том, какой генератор лучше для дома, и вы планируете «запитывать» бытовую и компьютерную технику, то ответ без сомнений – нужно купить щеточный генератор, или как его еще называют – синхронный, а еще надежнее – генератор с функцией AVR. Только данный вид электростанции даст возможность спать спокойно при подключении чувствительных бытовых электроприборов и электротехники.
  • Для медицинских клиник, лабораторий, компьютерных офисов – тоже лучше приобрести синхронный генератор.
  • Если вас волнует вопрос, какой альтернатор выбрать для строительных работ, на открытом воздухе, в цехах, на улице, где повсюду пыль, грязь и преобладает повышенная влажность, то бесщеточный или, как его еще называют – асинхронный, генератор подойдет на все 100%.
  • Сварочные работы также требуют асинхронного бесщеточного генератора, не реагирующего на короткие замыкания.

Генератор с асинхронным альтернатором в условиях строительных работ

То есть синхронные генераторы, все-таки надежнее и популярнее, несмотря на высокую цену, ведь покупать новую технику взамен испорченной – это очень дорого и неэкономно. В пользу синхронных альтернаторов говорит и статистика: синхронных (бесщеточных) генераторов продается намного больше, соотношение в пользу синхронных составляет 98%, поскольку они более практичны в быту.
Наука постоянно движется вперед, технологии усовершенствуются и развиваются, в связи с этим мировые бренды начинают производить синхронные электростанции с высоким классом защиты и асинхронные электростанции с более стабильным напряжением на выходе.

Принцип работы синхронного генератора

При вращении ротора двигателем внутреннего сгорания (ДВС) вращающееся вместе ним магнитное поле электромагнита возбуждает в статорной обмотке переменное синусоидальное — однофазное или трёхфазное — напряжение.

При подключении к статорной обмотке нагрузки в цепи течёт переменный — однофазный или трёхфазный — электрический ток.

Величина напряжения и частота на зажимах статорной обмотки зависимы от скорости вращения ротора. С изменением электрической нагрузки синхронного генератора механическая нагрузка на валу ДВС также имеет тенденцию к изменению в прямо пропорциональной зависимости, могущую привести к изменению скорости вращения ротора и, как следствие, к изменению величины напряжения и частоты.

Во избежание подобных изменений и для поддержания заданных величин напряжения и частоты с необходимой точностью, блоком управления синхронного генератора осуществляется автоматическое регулирование электрических параметров через обратную связь по току и напряжению, подаваемую на роторную обмотку.

Сравнительные характеристики синхронного и асинхронного генераторов

У синхронного генератора величина напряжения и частота поддерживаются с высокой точностью, в то время как у асинхронного они изменяются в относительно большом диапазоне.

Синхронный генератор, будучи источником реактивной мощности (из-за конструктивных особенностей этого вида электрических машин), не боится перегрузок переходных режимов, связанных с пуском под нагрузкой из потребителей этой реактивной мощности — всех электробытовых приборов и электроинструмента, содержащих электродвигатели.

Асинхронный генератор, сам являясь потребителем реактивной мощности, перегрузок при пуске под нагрузкой с потребителями реактивной мощности боится больше — имеется вероятность протекания больших токов и перегрева статорной обмотки. Для ликвидации этого недостатка профессиональные асинхронные генераторы снабжены пусковыми конденсаторами, которые после стабилизации величины тока статора через несколько секунд после пуска отключаются.

Синхронный генератор, в отличие от асинхронного, меньше боится электрических перегрузок в установившемся режиме, поскольку снабжён системой автоматического регулирования через обратную связь по току и напряжению.

В асинхронном генераторе сила сцепления электромагнитных полей ротора и статора искусственно не регулируется, а имеет значение, описываемое естественной характеристикой.

Несмотря на некоторые слабые стороны, асинхронные генераторы завоевали себе популярность более простой конструкцией, неприхотливостью, отсутствием необходимости квалифицированного технического обслуживания и сравнительной дешевизной.

Выбор синхронного и асинхронного генераторов

Синхронный генератор переменного тока необходимо выбрать в следующих случаях:

1. по условиям эксплуатации подключаемых электрических приёмников предъявляются повышенные требования к стабильности величины напряжения и частоты;

2. вероятны перегрузки в переходном режиме при подключении к работающему генератору электрических приемников, являющихся потребителями реактивной мощности;

3. возможны перегрузки в переходном режиме при пуске генератора под нагрузкой из включённых приёмников, являющихся потребителями реактивной мощности;

4. случаются перегрузки в установившемся режиме, когда к генератору подключены приёмники — потребители как активной, так и реактивной мощности.

Асинхронный генератор переменного тока следует предпочесть, если:

1. к величине напряжения и частоте не ставится высоких требований;

2. работа генератора предполагается в запылённых условиях;

3. отсутствует возможность квалифицированного технического обслуживания;

4. нет возможности приобрести более дорогостоящий синхронный генератор.

5. вероятны перегрузки в переходном режиме, но генератор снабжён дополнительными пусковыми конденсаторами.

Следует отметить, что как синхронный, так и асинхронный генераторы не переносят чрезмерных перегрузок, превышающих их максимальную мощность. В таких случаях срабатывает электрическая защита, предохраняющая агрегат от выхода из строя. Для того, чтобы избежать аварийных ситуаций, нужно знать, как рассчитать мощность генератора, исходя из максимальной величины предполагаемой нагрузки.

2.6. Режимы работы синхронных генераторов

Нормальные режимы работы генератора — это такие режимы, при которых он работает с номинальными параметрами или с отклонениями от них в допустимых пределах. К номинальным параметрам относят активную мощность, напряжение и ток статора, ток ротора, коэффициент мощности, частоту, температуру и давление охлаждающей среды (тепловое состояние).

Тепловое состояние генератора определяется нагревом активных частей, зависящим от его конструкции, нагрузки и эффективности системы охлаждения. В нормальных условиях для обеспечения длительной работы генератора номинальные параметры должны быть строго выдержаны. Если значения температуры охлаждающей среды или давления отличаются от номинального значения в сторону ухудшения охлаждения, то должны быть снижены и длительно допустимые значения токов ротора и статора.

Все генераторы допускают работу с номинальной мощностью при изменении напряжения в пределах ±5 % номинального и допустимых значениях изменения частоты.

Номинальный коэффициент мощности генератора при расчете конструкции определяется условиями экономичности и надежности работы генератора и нормируется. Для турбогенераторов значения номинального коэффициента мощности лежат в пределах от 0,8 до 0,9. Коэффициент мощности представляет собой отношение номинальной активной мощности к полной мощности и численно равен косинусу угла между током и напряжением статора в номинальном режиме работы генератора. Он характеризует способность генератора при допустимой электромагнитной и тепловой напряженности (без перегрева обмоток и активных частей) вырабатывать наряду с заданной активной мощностью и реактивную.

По режиму напряжения в сети генераторы часто работают с коэффициентом мощности, отличным от номинального. Однако при этом должно соблюдаться основное условие — нагрев обмотки и стали статора и нагрев обмотки ротора не должны превышать их нагрева в нормальном режиме при допустимых изменениях напряжения на выводах генератора.

Наиболее наглядное представление о возможных режимах работы с коэффициентом мощности, отличным от номинального, дает диаграмма допустимых нагрузок или диаграмма мощности. Основной диаграммой мощности является диаграмма, соответствующая работе генератора при номинальном напряжении. В простейшем виде она может быть изображена исходя из векторной диаграммы ЭДС, построенной для номинального режима (рис. 2.18, а).

После умножения всех сторон треугольника ЭДС па номинальное напряжение и и деления па сопротивление Xможно перейти к треугольнику мощностей (рис. 2.18, б). Если за единицу полной мощности принять вектор (Л, то проекции его на оси координат в относительных единицах дадут активную и реактивную мощности.

Поскольку между током возбуждения и ЭДС при отсутствии насыщения существует линейная зависимость, для построения диаграммы мощности (рис. 2.19) удобней пользоваться диаграммой токов (см. рис. 2.18, а), принимая вектор 1^к в масштабе полной мощности за единицу. Проведя окружность номинального тока статора радиусом ОА из центра О, окружность номинального тока ротора радиусом НА из центра Н и перпендикуляр к оси Q из точки Я до пересечения с окружностью с радиусом ОА, получим диаграмму мощности, ограниченную внутренней областью замкнутой кривой НРОйАСЕ (см. рис. 2.19). На диаграмме можно отметить ряд характерных точек и участков, которые определяют допустимые нагрузки генератора при его работе на шины бесконечной мощности с различными значениями коэффициента мощности.

Точка А соответствует номинальному режиму работы генератора. На участке 1 нагрузка ограничивается допустимым нагревом обмотки ротора, который определяется только током ротора и практически

Рис. 2.18. Векторная диаграмма ЭДС и токов возбуждения (я) и мощностей (я)

Рис. 2.19. Диаграмма мощности синхронного турбогенератора

не зависит от тока статора. На этом участке диаграммы машина работает с пониженным значением коэффициента мощности по сравнению с номинальным, а также с пониженными значениями полной мощности и тока статора. Тем не менее нагрев активных частей машины оказывается таким же, как и в нормальном режиме.

Участок 2 характеризуется работой генератора с номинальными полной мощностью и током статора при коэффициенте мощности выше номинального. Температура обмотки и стали статора здесь несколько меньше, чем при работе в поминальном режиме, однако по условиям нагрева лобовых частей обмотки этот режим ограничивается током статора. Прямой ОС соответствует режим работы генератора с коэффициентом мощности, равным единице. Эта прямая делит диаграмму мощности па две части. В зоне справа от прямой генератор работает при отстающем размагничивающем токе статора. Для компенсации размагничивающей реакции якоря (ротора) необходимо увеличивать ток возбуждения (работа с перевозбуждением). В зоне слева от прямой генератор работает с опережающим подмаг- ничивающим током статора. Для компенсации подмагичивающей реакции якоря ток возбуждения необходимо уменьшать (работа с недо- возбуждением).

Участок 3 диаграммы характеризует максимальную мощность, развиваемую турбиной. При работе генератора с недовозбуждением одним из факторов, ограничивающим его нагрузку, является обеспечение устойчивой параллельной работы с сетью, так как в этом случае предел статической устойчивости (о котором будет сказано ниже) по мощности оказывается близким к активной нагрузке генератора. Прямая НЕ характеризует работу генератора на пределе статической устойчивости. Работа генератора в этом режиме без применения специальных мер невозможна, поэтому при работе с недовозбуждением необходимо иметь некоторый запас по статической устойчивости. Принято, что предел мощности на 10 % (в долях полной мощности) должен превышать активную нагрузку генератора при том же возбуждении (ЯЛГ = НК, НК = 0,1). В соответствии с этим допустимая нагрузка генератора в режиме недовозбуждепия ограничивается участком 5.

Помимо обеспечения параллельной работы могут возникать дополнительные ограничения (участок 4 диаграммы), связанные с нагревом крайних пакетов активной стали и конструктивных элементов торцевых зои статора в режиме недовозбуждепия.

На практике для ведения режима работы генератора пользуются так называемыми картами допустимых нагрузок, которые учитывают реальные условия эксплуатации и результаты тепловых испытаний машины.

Диаграмма мощности асинхронизированного турбогенератора показана па рис. 2.20.

Вследствие независимости регулирования тока возбуждения процесс регулирования напряжения асинхронизированного турбогенератора имеет электромагнитный характер, не связанный с электромагнитным моментом, скольжением, угловым положением ротора, и всегда является устойчивым, поэтому статическая устойчивость определяется устойчивостью электромеханических процессов. Необходимый запас статической устойчивости обеспечивается в области, которая ограничена только допустимыми токами обмоток статора и ротора.

Рис. 2.20. Диаграмма мощности асинхронизированного турбогенератора

В энергосистемах возникают асинхронные режимы двух видов:
1) асинхронный режим с возбуждением;
2) асинхронный режим при потере возбуждения.
Первый режим возникает при нарушении устойчивости, когда угол между векторами напряжения двух источников меняется в пределах от 0 до 360°, т.е. имеют место несинхронные повороты ротора относительно статора.
Рассмотрим далее асинхронный режим при потере возбуждения генератора. При нарушении в системе возбуждения часто можно быстро устранить неисправность, в крайнем случае перейти на резервное (на электростанциях обязательно есть резервный возбудитель). Желательно оставить генератор в работе, пока ликвидируется неисправность или происходит переход на резервный возбудитель.

Этот режим работы генератора без возбуждения в течение какого-то ограниченного времени и называется асинхронным режимом. Покажем, что он теоретически возможен.
При потере возбуждения синхронный момент исчезает с некоторой постоянной времени, генератор сбрасывает активную нагрузку до нуля. По мере уменьшения тормозящего момента на валу возникает избыточный момент, частота вращения генератора возрастает, впуск рабочего тела пока прежний, ротор вращается несинхронно со статором, и в замкнутых контурах ротора индуктируется переменный ток с частотой скольжения и создается асинхронный (тормозящий) момент. Асинхронный момент создается за счет взаимодействия вращающегося поля статора и токов, наведенных им в замкнутых контурах ротора и бочке ротора. Характер изменения асинхронного момента зависит от типа генератора, состояния обмотки возбуждения и т.д. Как известно, среднее значение Мас от S определяется следующей зависимостью (рис. 1).

В свою очередь моментная характеристика турбины при изменении S и при неизменном впуске рабочего тела имеет падающий вид. Если же еще уменьшить впуск рабочего тела получим характеристику изменения Мт1 Моменты турбины Мт и Мт1 будут уравновешены возрастающим асинхронным моментом, возникает новый установившийся режим при некоторых скольжениях. И если мы установим, что особых ограничений по таким режимам нет, то можно генератор оставить в работе.
Необходимо сделать замечание, что лишь условно можно считать, что асинхронный режим является устойчивым, т.к. Мас не остается постоянным, а пульсирует из-за одноосности обмотки возбуждения и неодинаковой магнитной проводимости в продольной и поперечной осях генератора около среднего значения по закону:

Мac = Мd sin2 + Mq cos2,


где — угол сдвига продольной оси ротора относительно магнитного потока в зазоре; Мd и Мq- моменты на валу, соответствующие максимуму тока в продольной и поперечной осях.
График изменения Мас показан на рис.2.

Периодические изменения Мac приводят к колебаниям мощности 5-7 % и скольжения генератора.
Допустимость асинхронного режима определяется, прежде всего, величиной S. Если генератор, ускоряясь после потери возбуждения, достигает критической частоты вращения (для турбогенераторов это соответствует скольжению 8-10 %), срабатывает автомат безопасности турбины, прекращает доступ пара в турбину, и генератор будет отключен от сети до наступления устойчивого асинхронного режима.
Быстродействующая разгрузка генератора (уменьшение момента турбины) после потери возбуждения уменьшает скольжение, и асинхронный режим окажется возможным.
Рассмотрим возможные неисправности в системе возбуждения генератора на примере электромашинной системы возбуждения (рис.3) (положение контактов АГП показано для нормального режима работы):
1. Обмотка возбуждения (OВ) разомкнута из-за ложной работы АГП или просто обрыва цепей.
2. Обмотка возбуждения замкнута на Rг (ложная работа АГП).
3. Обмотка возбуждения замкнута накоротко (цепи исправны, но не работает возбудитель, обмотка замкнута на малое сопротивление якоря возбудителя).
В соответствии с перечисленными состояниями OВ получим разные характеристики асинхронного момента (рис. 4). При разомкнутой OВ токи частоты скольжения индуктируются в массиве ротора. По мере увеличения скольжения глубина проникновения токов уменьшается, активное сопротивление растет значительно больше, чем уменьшается реактивное сопротивление рассеяния, в результате полное сопротивление ротора растет и обусловливает сравнительно пологий подъем моментной характеристики с увеличением скольжения (кривая 1).

Другой характер приобретает режим работы генератора при замкнутой обмотке возбуждения накоротко или на гасительное сопротивление. В этом случае процессы в роторе усложняются за счет индуктируемого в обмотке возбуждения однофазного переменного тока, имеющего частоту скольжения и создающего пульсирующее поле той же частоты. Поле, вращающееся против движения ротора с угловой частотой вращения s, будет неподвижно относительно вращающегося поля статора и создаст тормозящий момент, который складывается с моментом от токов, индуктированных в массиве ротора полем статора, таким образом, асинхронный момент при том же скольжении значительно увеличится. Моментная характеристика асинхронного момента генератора становится «более жесткой» (кривая 3).
При замыкании OВ на гасительное сопротивление (3-5-кратное со-противлению OВ) имеем некоторый промежуточный вариант (кривая 2).

Существует промежуточный режим у генераторов, имеющих систему возбуждения, выполненную на выпрямителях. Выпрямительное устройство, на которое замкнута обмотка ротора, пропускает ток в одном направлении. Поэтому переменный однофазный ток частоты скольжения, возникающий в обмотке возбуждения турбогенератора при асинхронном режиме, прерывается каждый полупериод при переходе тока через нуль, что эквивалентно периодическому размыканию и замыканию накоротко обмотки возбуждения. Происходит нежелательное периодическое резкое изменение асинхронного момента, режим еще опасен для изоляции обмотки ротора из-за перенапряжений, возникающих на обмотке и выпрямителях в момент обрыва цепи тока. Применяя постоянно включенное параллельно обмотке возбуждения сопротивление тиритового типа, значение которого зависит от приложенного напряжения, удается избежать этих неприятных последствий.

Следует отметить, что также характер изменения асинхронного момента зависит от типа и мощности генераторов: большую величину асинхронного момента имеют генераторы с косвенным охлаждением, у которых меньшие значения переходного и сверхпереходного реактивных сопротивлений, поэтому асинхронный режим этих генераторов давно использовался в энергосистемах. У генераторов ТГВ-200 максимальный асинхронный момент больше или равен номинальному синхронному, и генератор, потеряв возбуждение, спокойно переходит в асинхронный режим; необходимо лишь немедленно разгрузить его до допустимого значения асинхронной нагрузки. У ТГВ-300 даже в самом благоприятном случае при короткозамкнутой обмотке возбуждения максимальный асинхронный момент равен лишь 60% номинального синхронного. Для таких генераторов необходима установка быстродействующей релейной защиты, выявляющей асинхронный режим при потере возбуждения и блокирующих действия автомата безопасности турбины, если генератор должен быть оставлен в работе.

Рассмотрим также все ограничения асинхронного режима.
Переход турбогенератора в асинхронный режим сопровождается увеличением потребления реактивной мощности в системе. Генератор, потеряв возбуждение, во-первых, перестает выдавать в систему реактивную мощность, во-вторых, начинает потреблять из сети реактивный ток.
На рис.5 показана зависимость потребления реактивной мощности повышающим трансформатором блока ТГВ-300 при асинхронном ходе при различных состояниях цепи возбуждения.
Как и следовало ожидать, наибольшее потребление достигается при замкнутой накоротко обмотке возбуждения и составляет 1,6 Qр. Если соs ном = 0,85, а номинальная реактивная мощность в относительных единицах равна 0,527, то наибольшее потребление составит 0,5271,6 = 0,84 о.е. Учитывая, что в нормальном режиме генератор выдавал 0,527 о.е., суммарный дефицит реактивной мощности для энергосистемы в асинхронном режиме составит 0,84 +0,527 = 1,37 о.е. или 410 МВ*Ар. Если эта мощность не будет компенсирована сетью или другими турбогенераторами станции, напряжение на шинах станции понизится до 0,7 Uн (рис. 6) .
Переход генератора в асинхронный режим вызовет нарушение его устойчивости. Таким образом, чтобы конкретный генератор мог перейти в асинхронный режим при потере возбуждения, в системе должен быть резерв реактивной мощности, т.е. другие генераторы в предшествующем режиме должны работать с неполной реактивной нагрузкой. Иначе только на время форсировки возбуждения (30с) режим этот окажется возможным. В любом случае снижение напряжения в асинхронном режиме наблюдается, и собственные нужды блока, оставленного в работе при потере возбуждения, должны быть переведены на резервное питание.
Покажем, как меняется ток в обмотке статора генератора в асинхронном режиме. Величина его в начале перехода в асинхронный режим, т.е. при S = 0, определяется напряжением сети и суммой реактивных сопротивлений внешнего и синхронного сопротивления генератора. Этот ток равен (0,4-0,6) Iном. При увеличении S потребление тока увеличивается из-за увеличения асинхронной нагрузки, и ток статора растет (рис.7).
На основании многочисленных экспериментальных исследований установили, что ток в обмотке статора генератора в асинхронном режиме не должен превышать 1,1 Iном, и этим определяется необходимость снижения нагрузки в асинхронном режиме.
В асинхронном режиме в замкнутых контурах ротора индуктируются токи частоты скольжения. По мере увеличения S глубина проникновения их уменьшается, потери растут, причем, как и при несимметричном режиме, распределение их по поверхности ротора неравномерно. Наибольшие потери имеют место в торцевой зоне, и поэтому именно там наибольшие температуры, ограничивающие асинхронную мощность генератора. Потери в роторе в асинхронном режиме должны быть не выше потерь при номинальном синхронном режиме Pacx*Pвозб ном. Так как потери в асинхронном режиме связаны с нагрузкой Pacx = S*Pасх, то допустимая нагрузка генератора в асинхронном режиме по критерию потерь определяется как Pacx = Pвозб ном/S.
Как и в несимметричном режиме, наибольшие потери возникают в массиве ротора, а наименьшие в обмотке возбуждения.
На рисунках 5, 6, 7 показаны по три характеристики, соответствующие разным авариям в системе возбуждения. Как видно, наиболее неблагоприятный по последствиям случай замыкания обмотки возбуждения генератора накоротко, хотя в этом случае и наибольшие значения асинхронного момента. Очевидно, что лучше иметь промежуточный вариант, и при асинхронном режиме желательно во всех случаях включать параллельно обмотке возбуждения гасительное сопротивление.
ПТЭСиС разрешают работу в асинхронном режиме:
— для генераторов с косвенным охлаждением в течение 30 мин с нагрузкой не бо¬лее 60 % номинальной;
— для генераторов с непосредственным охлаждением в течение 15 мин с нагрузкой (40 -55)% номинальной.
Явнополюсные машины (гидрогенераторы) без демпферных обмоток не могут развивать большого асинхронного момента (не больше 0,5-0,6 номинального), поэтому при потере возбуждения значительно увеличивают частоту вращения и уменьшают нагрузку почти до нуля. Такие генераторы при потере возбуждения должны отключаться. У мощных гидрогенераторов (например, гидрогенераторов Красноярской ГЭС) установлены мощные демпферные системы. Работа таких гидрогенераторов в асинхронном режиме разрешается в течение 10 минут с нагрузкой 30% от но-минальной.
Итак, при потере возбуждения генератора должны быть выполнены следующие мероприятия (устройствами релейной защиты, автоматики, эксплуатационным персоналом):
-выявить асинхронный режим (релейная защита действует на отключение, если он невозможен или недопустим, или на сигнал);
-разгрузить турбину;
-одновременно отключить АГП и переключить обмотку возбуждения на Rг;
-обеспечить работу системы собственных нужд;
-контролировать Q, Iр других генераторов;
-обеспечить устойчивость энергосистемы;
-ограничить время асинхронного режима;
-устранить неисправность системы возбуждения либо перейти на резервный возбудитель.


Бесперебойное обеспечение электроэнергией – это залог комфортной жизни в любое время года.

Для организации автономного питания жилища часто используется асинхронный генератор, который также можно сделать своими руками.

Что это такое

Асинхронный генератор – это устройство переменного тока, который при помощи принципа работы асинхронного двигателя, может производить электрическую энергию. Его еще называют индукционным. Асинхронный электрогенератор обеспечивает быстрый поворот ротора, скорость вращения при этом намного больше, чем, если бы их вращал синхронный аналог устройства. Обычный асинхронный электродвигатель переменного тока может использоваться как генератор без каких-то дополнительных настроек или преобразований схемы.

Фото – асинхронный генератор

Область использования асинхронного генератора довольно широкая:

  1. Их применяют как двигатели для ветровых электростанций;
  2. С целью обеспечения автономного питания дома или квартиры, или как миниатюрные ГЭС-станции;
  3. Как инверторный (сварочный) генератор;
  4. Для организации бесперебойного питания от переменного тока.

При этом однофазный асинхронный генератор должен быть включен при помощи входящего напряжения. Обычно для этого устройство подключают к питанию. Но некоторые модели могут работать самостоятельно, самовозбуждением, посредством последовательного подключения конденсаторов.
Видео: устройство асинхронного двигателя

Как сделать самому

Купить асинхронный генератор – это дорогое удовольствие, тем более что можно его сделать самостоятельно. Принцип работы прост, главное – обеспечить себя необходимыми инструментами.

  1. Согласно принципу действия устройства, Вам нужно настроить генератор так, чтобы скорость его вращения была выше, чем обороты двигателя. Для этого подключаем электродвигатель к сети и заводим его. Чтобы вычислить скорость вращения двигателя, нужно использовать тахогенератор или тахометр;
  2. К полученному значению нужно добавить 10 %. Скажем, технические характеристики двигателя 1200 об/мин, значит, генератор должен иметь 1320 об/мин (1200 * 0,1 % = 120, 120 + 1200 = 1320 об/мин);
  3. Далее, переделка асинхронного двигателя в генератор включает в себя подбор необходимой емкости для используемых конденсаторов (каждый конденсатор между фазами аналогичен предыдущему);
  4. Следите за тем, чтоб емкость не была слишком большой, иначе асинхронный генератор будет нагреваться;
  5. Подбираете конденсаторы, необходимые для обеспечения определенной скорость вращения, расчет которой производился выше. Их установка требует особенной внимательности, очень важно, чтобы они были изолированы при помощи специальных покрытий.

На этом обустройство генератора на базе двигателя окончено. Теперь его можно устанавливать как источник энергии. Важно помнить, что устройство с короткозамкнутым ротором производит довольно высокое напряжение, поэтому если Вам нужен показатель 220 В, есть резон установить понижающий трансформатор.

Схема включения двигателя в качестве генератора

Вот так выглядит схема, как сделать ветрогенератор из асинхронного двигателя, здесь основные отличия заключаются в скорости вращения и в принципе включения. Как пример, представляем Вам схему ветряной ГЭС, которую включает асинхронный бензиновый генератор.

Схема ветрогенератора на основе асинхронного двигателя

При этом нужно отметить, что он не работает с самозапиткой, в большинстве случаев, для включения такого генератора используется специальный мотоблок или блок управления по типу замка зажигания.

Видео: делаем асинхронный генератор из однофазного двигателя – Часть 1

Часть 2

Часть 3

Часть 4

Часть 5

Часть 6

В качестве генератора с небольшой мощностью, можно применять даже однофазные асинхронные двигатели от бытовых электроприборов – стиральных машин Geko, дренажных насосов и т. д. Как и двухопорный двигатель, мотор от таких устройств нужно подключать параллельно их обмотке. Еще один способ – это использовать конденсаторы сдвига фазы. Они не всегда отличаются нужной мощностью, поэтому нужно будет её увеличить до необходимых показателей. Такой простой генератор можно будет использовать для питания лампочек или модемов. Если немного переделать схему, то Вам удастся подключить этот автономный прибор даже к обогревателю или электрической печке. Также можно сделать подобный генератор на постоянных магнитах.

Фото – маломощный генератор

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.

Асинхронный генератор (АГ)

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.

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.

Ротор «беличье колесо»

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).

Схема регулятора напряжения АГ

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).

Схема стартового генератора

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);

Размещение обмоток статора

  • 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);

4-х проводное включение по схеме «звезда»

  • 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.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *