Проектирование генераторов переменного тока

Балагуров В. А.
Проектирование специальных электрических машин переменного тока

Издательство «Высшая школа»

Рецензенты: кафедра электрооборудования ВВИА им. Н. Е. Жуковского, д-р техн. наук, проф. А. Г. Здрок (МВМИ)

В учебном пособии изложены особенности расчета и проектирования специальных электрических машин переменного тока, широко применяющихся в различных областях техники: в автономных системах электрооборудования, передвижных электрических установках, на авиационном и автомобильном транспорте и т. д. Дан расчет некоторых электрических машин, работающих кроме генераторного режима в двигательном режиме. Значительное внимание удалено физическому истолкованию наиболее важных расчетных соотношений.

Предназначается для студентов электромеханических специальностей: электрических машин, электрического привода, авиационного и автотракторного электрооборудования.

Балагуров В. А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока: Учеб. пособие для студентов вузов. — М.: Высш. школа, 1982. — 272 с, ил. В пер.: 80 к.

Содержание учебного пособия

Глава 1. Применение и проектирование специальных электрических машин переменного тока
§ 1.1. Применение переменного тока в автономных системах электрооборудования
§ 1.2. Классификация электрических машин переменного тока, применяемых в автономных системах электрооборудования
§ 1.3. Основные параметры и конструкции специальных электрических машин переменного тока с электромагнитным возбуждением
§ 1.4. Особенности проектирования электрических машин переменного тока для автономных систем электрооборудования

Глава 2 Электромагнитный расчет генераторов переменного тока с радиальным магнитным потоком
§ 2.1. Задачи и этапы проектирования электрических генераторов
§ 2.2. Определение главных размеров генераторов
§ 2.3. Проектирование и размещение обмотки якоря
§ 2.4. Определение размеров магнитопровода генератора
§ 2.5. Расчет демпферной клетки
§ 2.6. Расчет магнитной цепи генератора
§ 2.7. Расчет магнитодвижущей силы при нагрузке
§ 2.8. Расчет обмотки возбуждения
§ 2.9. Особенности расчета однофазные генераторов
§ 2.10. Параметры и постоянные времени синхронных генераторов
§ 2 11. Характеристики синхронных генераторов
§ 2 12. Определение массы активных материалов генератора
§ 2.13. Определение потерь и КПД генератора

Глава 3. Особенности расчета вентильных генераторов
§ 3.1. Применение вентильных генераторов
§ 3.2. Особенности работы синхронного генератора на выпрямленную нагрузку
§ 3.3. Особенности расчета вентильных генераторов

Глава 4. Проектирование асинхронных машин
§ 4.1. Особенности рабочего процесса в асинхронных генераторах
§ 4.2. Определение главных размеров и расчет асинхронной машины
§ 4.3. Выбор числа пазов статора и ротора
§ 4.4. Активные и индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора
§ 4.5. Выбор конденсатора возбуждения
§ 4.6. Расчет магнитной цепи и определение тока холостого хода асинхронной машины в двигательном режиме
§ 4.7. Расчет и построение магнитной характеристики асинхронной машины
§ 4.8. Построение рабочих характеристик асинхронного двигателя
§ 4.9. Потери энергии и КПД в асинхронной машине
§ 4.10. Построение внешних характеристик асинхронного генератора
§ 4.11. Расчет внешних характеристик при регулировании напряжения посредством подмагничивання спинкн якоря
§ 4.12. Расчет обмотки подмагничивания

Глава 5. Проектирование бесконтактных синхронных генераторов с внутризамкнутым магнитопроводом
§ 5.1. Особенности устройства и рабочего процесса в генераторах с внутризамкнутым магнитопроводом
§ 5.2. Определение главных размеров генераторов с внутризамкнутым магнитопроводом
§ 5.3. Определение размеров магнитной цепи ротора и скобы обмотки возбуждения
§ 5.4. Расчет проводимостей рассеяния полюсов и скобы
§ 5.5. Поверочный расчет магнитной цепи
§ 5.6. Расчет параметров генератора
§ 5.7. Предельная мощность генератора с внутризамкнутым магнитопроводом

Глава 6. Проектирование индукторных генераторов
§ 6.1. Магнитные системы и конструкции индукторных генераторов
§ 6.2. Особенности рабочего процесса в индукторных генераторах
§ 6.3. Выбор типа машины и зубцовой зоны
§ 6.4. Определение главных размеров и размеров магнитной цепи генератора
§ 6.5. Проектирование обмотки якоря
§ 6.6. Расчет магнитной цепи
§ 6.7. Параметры обмотки якоря и векторная диаграмма напряжений
§ 6.8. Расчет потерь и КПД генератора

Приложение. Пример электромагнитного расчета генератора с радиальными полюсами на роторе
Литература

В настоящее время в автономных системах электрооборудования, которые устанавливаются на передвижных электрических станциях, на авиационном н автомобильным транспорте и других объектах, широкое применение находит переменный ток. Поэтому в программах курсов по проектированию электрических машин ряда электромеханических специальностей значительное место занимают вопросы, связанные с расчетом и проектированием специальных электрических машин переменного тока и прежде всего электрических генераторов.

Для автономных систем электрооборудования отличительной особенностью являются многообразие, специфичность конструкций и характеристик электрических машин, что объясняется специальными условиями эксплуатации и требованиями, которые предъявляются к ним. Применяется большое количество генераторов, отличающихся друг от друга не только конструкцией, но и принципом действия, типом магнитных систем. В последние годы широкое применение получили бесконтактные генераторы: с вращающимися выпрямителями, индукторные, магнитоэлектрические, комбинированного возбуждения, асинхронные, с внутризамкнутым магнитопроводом (сексины), каскадного типа и др.

В ряде случаев электрические машины работают в генераторном и двигательном режимах, что накладывает определенные требования к их параметрам и характеристикам. К числу таких машин относятся асинхронные, индукторные, синхронные магнитоэлектрические и др.

По проектированию специальных электрических машин переменного тока практически нет никаких учебных пособий. При изучении курса, а также при курсовом и дипломном проектировании студенты пользуются учебными пособиями по обычным электрическим машинам, в которых не описываются специальные электрические 1машины автономных систем электрооборудования. Так как расчеты и конструирование специальных электрических машин в зависимости от их устройства, принципа действия и методики сильно отличаются друг от друга, здесь изложены вопросы проектирования электрических машин переменного тока: с радиальным потоком, вентильных, с внутризамкнутым потоком типа сексин, индукторных и асинхронных. Вопросы теплового расчета рассматриваемых машин в учебном пособии не приведены; эти вопросы подробно рассмотрены в книге «Электроснабжение летательных аппаратов». Под ред. Н. Т. Коробана (Машиностроение, 1975).

В учебном пособии также не даны механические расчеты машин, так как они изложены в учебных пособиях А. Г. Морозова «Расчет электрических машин постоянного тока» (Высшая школа, 1977) и Л. И. Поспелова «Конструкции авиационных электромашин» (Энергия, 1982).

Данное учебное пособие позволит восполнить тот пробел, который имеется по курсам проектирования электрических машин для электромеханических специальностей.

При подготовке рукописи к изданию учтены ценные советы и пожелания рецензентов — коллектива соответствующей кафедры ВВИА им. Н. Е. Жуковского, д-ра техн. наук, проф. А. Г. Здрока, которым автор выражает глубокую признательность.

Источник

Устройство и принцип действия генераторов переменного тока

Электрический генератор тока — это устройство, предназначенное для превращения неэлектрических видов энергии (химической, механической, тепловой) в электрическую. При этом его конструкция базируется на использовании принципа электроманитной индукции.

Принцип действия и устройство простейшего генератора переменного тока

Генератор переменного тока

Электромагнитная индукция — это явление, которое было открыто в 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем (1791-1867), обнаружившим, что при прохождении изменяющегося во времени магнитного потока сквозь замкнутый проводящий контур в последнем возникает электрический ток. Именно этот принцип и положен в основу любого генератора.

На практике принцип электромагнитной индукции реализуется следующим образом: электрический ток возникает в замкнутой рамке (роторе) при пересечении ее вращающимся магнитным полем, образуемым в зависимости от назначения и конструкции генератора постоянными магнитами или специальными обмотками возбуждения. При вращении рамки изменяется величина магнитного потока. Чем быстрее она вращается, тем выше величина выходного напряжения.

В 1827 году этот эффект обнаружил и использовал при создании оригинальной модели генератора электрического тока венгерский физик Аньош Иштван Йедлик (1800-1895). Однако, полагая его известным, ученый не запатентовал свое открытие, а о создании первой динамо-машины объявил только в 1850 году.

Для отвода электрического тока рамка оснащается токосъемником, который превращает ее в замкнутый контур и обеспечивает постоянный контакт вращающейся рамки со стационарно расположенными элементами генератора. Подпружиненные щетки прижимаются к коллекторным кольцам и таким образом электрический ток поступает на выходные клеммы генератора.

Вращаясь, половинки рамки последовательно проходят возле полюсов магнита. При этом происходит циклическая смена направления движения возникающего тока – у каждого полюса ток движется в одну сторону.

Конструкция якоря генератора постоянного тока

В зависимости от конструкции коллектора генератор может вырабатывать как постоянный, так и переменный ток.

В генераторах постоянного тока для каждой половины обмотки в коллекторном узле имеются изолированные друг от друга полукольца. Благодаря тому, что эти полукольца постоянно меняются щетками, ток не изменяет своего направления, а просто пульсирует.
В генераторах переменного тока концы рамки привязаны к контактным кольцам и вся эта конструкция вращается вокруг своей оси. При вращении рамки, щетки, каждая из которых плотно примыкает к своему кольцу, обеспечивают надежный токоотвод. При этом циклической смены положения щеток не происходит.

Вращающаяся часть генератора называется ротором, а неподвижная — статором.

Принцип действия электрогенераторов переменного и постоянного тока идентичен. Отличаются они между собой конструкцией контактных колец, расположенных на вращающемся роторе и конфигурацией обмоток.

В генераторах переменного тока часто используют оригинальное техническое решение, базирующееся на том, что ЭДС возникает в проводнике не только когда он вращается в магнитном поле, но и в том случае, когда относительно неподвижного проводника вращается само магнитное поле.

Этот эффект широко используется разработчиками, которые располагают на вращающемся роторе электрические или постоянные магниты. При этом напряжение снимается со стационарно установленной обмотки, что дает возможность избавиться от сложных конструкций токосъемных узлов.

Электрогенераторы переменного тока

Выпускается огромное количество самых разнообразных электрогенераторов переменного тока. Классифицировать их можно по таким параметрам:

конструктивное исполнение;
способ возбуждения;
количество фаз.

По способу возбуждения потребителю могут встретиться агрегаты:

с независимым возбуждением – обмотка возбуждения запитывается постоянным током от независимого источника электропитания;
с самовозбуждением – в обмотку возбуждения подается выпрямленный ток от самого генератора;
с возбуждением от постоянных магнитов – обмотка возбуждения отсутствует;
с возбуждением от возбудителя – маломощного генератора постоянного тока, «сидящего» на одном валу с обслуживаемым генератором.

По количеству фаз электрогенераторы бывают:

На практике чаще всего встречаются трехфазные генераторы переменного тока. Связано это с рядом преимуществ, характерных для этого вида агрегатов:

получение экономического эффекта при разработке систем передачи электроэнергии на большие расстояния – снижение материалоемкости трансформаторных устройств и силовых проводов; Этому способствует наличие кругового магнитного поля;
увеличенный эксплуатационный ресурс, который обеспечивает уравновешенность системы;
одновременное использование линейного и фазового напряжения.

Конструктивно трехфазный электрогенератор имеет три независимые обмотки, расположенные в статоре по окружности со смещением в 120° относительно друг друга. При этом каждая обмотка представляет собой однофазный генератор, которая способна подавать переменное напряжение потребителю R. Такая единичная обмотка и получила название «фаза». Фазные обмотки могут соединяться между собой «треугольником» или «звездой».

Существуют и другие схемы соединения обмоток, например, шестипроводная система «Тесла» или соединение «Славянка» (сочетание шести обмоток в виде одной «звезды» и одного «треугольника), однако широкого распространения они не получили.

Роль рамки в устройствах, вырабатывающих переменный ток, исполняет электромагнит, который вращаясь, смещает индуцированные в обмотках переменные ЭДС на треть такта относительно друг друга.

Среди множества генераторов переменного тока различают два основных вида их конструктивного исполнения: синхронные и асинхронные. В последнее время, учитывая большое количество сложных электронных устройств, управляемых при помощи микропроцессоров, появился новый тип электрогенераторов – инверторный.

Синхронные электрогенераторы

Устройство синхронного генератора

Синхронный генератор переменного тока конструктивно состоит из двух частей — подвижного ротора и неподвижного статора.

При вращении ротора, представляющего собой электромагнит с сердечником и обмоткой возбуждения, подключенный к внешнему источнику питания при помощи щеточного механизма, в обмотке статора индуцируется ЭДС, которая подается на выходные клеммы генератора. Такая конструкция исключает необходимость применения скользящих контактов, что существенно упрощает конструкцию агрегата. Изначально магнитный поток возбуждается от стороннего возбудителя, закрепленного на общем валу и подключаемого к системе при помощи муфты.

В синхронных электрогенераторах малой мощности обмотка возбуждения запитывается за счет выпрямленного тока. При этом электрическая цепь образуется за счет активации трансформаторов, входящих в цепь нагрузки. Туда же включен и полупроводниковый выпрямитель. В состав основной электрической цепи входят:

обмотка возбуждения;
регулировочный реостат.

Основная особенность синхронного генератора — частота генерируемого электрического тока пропорциональна скорости вращения ротора.

Асинхронные электрогенераторы

Асинхронный генератор переменного тока отличается от синхронного отсутствием жесткой связи между частотами вращения ротора и индуцированной ЭДС. Разница между этими параметрами называется «скольжением». Между ротором и статором асинхронного генератора имеется воздушный зазор. При этом на частоту вырабатываемой ЭДС влияет тормозной момент, возникающий при подключении нагрузки и препятствующий вращению ротора. Поэтому электроэнергия в асинхронных электрогенераторах вырабатывается при увеличенной скорости прокручивания ротора.

Конструкция асинхронных генераторов отличается простотой, однако имеет при этом худшие, по сравнению с синхронными агрегатами, технические характеристики — погрешность по частоте может достигать 4%, а по величине напряжения — до 10%. Кроме того асинхронные электрогенераторы критичны к величине пускового тока. Поэтому эксплуатировать их рекомендуется совместно со стабилизаторами, а в отдельных случаях, например, для плавного пуска электродвигателя, может понадобиться преобразователь частоты.

Инверторные генераторы

Инверторный генератор FUBAG Ti 3200

Инверторный электрогенератор — это обычный асинхронный генератор, на выходе которого установлен дополнительный стабилизатор выходных параметров.

Работает он следующим образом: вырабатываемое асинхронным генератором напряжение поступает в инвертор, где сначала выпрямляется, а затем из полученного постоянного напряжения формируются импульсы заданной частоты и скважности. На выходе устройства эти импульсы преобразуются в синусоидальное напряжение с почти идеальными техническими характеристиками.

Привод генераторов переменного тока

Бензиновый генератор Green-Field GF4500E

В бытовых условиях ротор генератора приводят в действие при помощи двигателей внутреннего сгорания (ДВС), работающих на таких видах топлива, как бензин или дизельное топливо. При этом эксплуатационный ресурс бензиновых генераторов, оснащенных двухтактными ДВС составляет порядка 500 часов в год (не более 4 часов в сутки); четырехтактными ДВС достигает 5000 часов в год.

Использовать бензиновые электрогенераторы целесообразно при непродолжительных отключениях электричества и/или для выезда на природу.

Генераторы, работающие на дизельном топливе, отличаются большой мощностью и значительно долговечнее бензиновых. Среди них встречаются модели с воздушным и жидкостным охлаждением. Агрегаты с воздушным охлаждением рекомендуется применять в тех местах, где электричество отключают часто и надолго.

Дизельный генератор ONIS VISA P 14 FOX

Пользоваться такими бытовыми устройствами предельно просто – нужно залить топливо в бак, поворотом ключа запустить двигатель и подключить нагрузку. Их панель управления снабжена всеми необходимыми и интуитивно понятными надписями и обозначениями.

Дизельные электрогенераторы с жидкостным охлаждением – это устройства совсем другой категории. Они способны работать сутками и используются в основном на предприятиях в качестве источников резервного питания.

Промышленные генераторы, предназначенные для выработки переменного тока и подачи его потребителям на большие расстояния с помощью высоковольтных линий электропередач (ЛЭП), работают за счет активации гидравлических или паровых турбин. В таких агрегатах роторный механизм соединяется непосредственно с колесом турбины.

Турбинные электрогенераторы отличаются большой мощностью (до 100000 кВт) и способны генерировать переменный ток напряжением до 16 кВ. При этом длина и диаметр их ротора может достигать 6,5 и 15 метров соответственно, а скорость вращения последнего находится в диапазоне 1500…3000 об/мин. Устанавливают такие агрегаты в отдельных помещениях на специально подготовленных бетонных основаниях.

Опции и возможности бытовых электрогенераторов

Для удобства эксплуатации производители оснащают свою продукцию рядом полезных опций, среди которых можно выделить:

устройство автоматического запуска агрегата при отключении электроэнергии;
наличие встроенного УЗО, отключающего устройство от электросети при пробое изоляции и появлении тока утечки;
контроль параметров и отображение их на дисплее;
защита от перегрузки.

При подключении к электрогенератору нагрузки, величина которой буде ниже паспортной, агрегат начнет «съедать» часть жидкого топлива впустую, не используя полностью свои возможности.

Не будет лишним наличие в комплекте поставки специального шумогасящего кожуха, топливного бака увеличенного объема, кожуха, защищающего агрегат от воздействия низкой температуры и пр.

Особенности установки

Использование дизельного генератора

Потенциальный владелец генератора переменного тока перед приобретением должен озаботиться подготовкой места для его установки. Независимо от того, где будет установлен такой агрегат, в помещении или на свежем воздухе, для него понадобится ровная и твердая площадка. Установка электрогенератора на неровной площадке приведет к увеличению вибрации, что ускорит износ деталей и может спровоцировать выход дорогостоящего устройства из строя.

Устанавливая генератор в помещении, важно предусмотреть наличие вытяжной вентиляции. Кроме того, во время работы агрегата рекомендуется оставлять дверь помещения открытой, что в свою очередь потребует установить в дверном проеме решетку, перекрывающую посторонним, а главное детям, доступ в опасную зону.

Соединяют электрогенератор с электросетью в строгом соответствии с требованиями, изложенными в инструкции по эксплуатации. При этом электрический кабель необходимо подключить после вводного автомата и электросчетчика.