Генератор на постоянных магнитах. Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов Синхронные генераторы с постоянными магнитами

Содержание:

В современных условиях предпринимаются постоянные попытки усовершенствования электромеханических устройств, снижения их массы и габаритных размеров. Одним из таких вариантов является генератор на постоянных магнитах, представляющий собой достаточно простую конструкцию с высоким коэффициентом полезного действия. Основная функция данных элементов заключается в создании вращающегося магнитного поля.

Виды и свойства постоянных магнитов

С давних пор были известны постоянные магниты, получаемые из традиционных материалов. В промышленности впервые начал использоваться сплав алюминия, никеля и кобальта (алнико). Это дало возможность применять постоянные магниты в генераторах, двигателях и других видах электрооборудования. Особенно широкое распространение получили ферритовые магниты.

Впоследствии были созданы самарий-кобальтовые жесткие магнитные материалы, энергия которых обладает высокой плотностью. Вслед за ними произошло открытие магнитов на основе редкоземельных элементов - бора, железа и неодима. Плотность их магнитной энергии значительно выше, чем самарий-кобальтового сплава при значительно низкой стоимости. Оба вида искусственных материалов успешно заменяют электромагниты и применяются в специфических областях.Неодимовые элементы относятся к материалам нового поколения и считаются наиболее экономичными.

Принцип работы устройств

Главной проблемой конструкции считался возврат вращающихся деталей в исходной положение без существенных потерь крутящего момента. Данная проблема была решена с помощью медного проводника, по которому был пропущен электрический ток, вызывающий притяжение. При отключении тока, действие притяжения прекращалось. Таким образом, в устройствах этого типа использовалось периодическое включение-отключение.

Повышенный ток создает увеличенную силу притяжения, а та, в свою очередь, участвует в выработке тока, проходящего через медный проводник. В результате циклических действий, устройство, кроме совершения механической работы, начинает производить электрический ток, то есть выполнять функции генератора.

Постоянные магниты в конструкциях генераторов

В конструкциях современных устройств, кроме постоянных магнитов применяются электромагниты с в катушке. Такая функция комбинированного возбуждения позволяет получить необходимые регулировочные характеристики напряжения и частоты вращения при пониженной мощности возбуждения. Кроме того, уменьшается величина всей магнитной системы, что делает подобные устройства значительно дешевле по сравнению с классическими конструкциями электрических машин.

Мощность устройств, в которых используются данные элементы может составлять только несколько киловольт-ампер. В настоящее время ведутся разработки постоянных магнитов с лучшими показателями, обеспечивающими постепенный рост мощности. Подобные синхронные машины используются не только в качестве генераторов, но и как двигатели различного назначения. Они широко применяются в горнодобывающей и металлургической отрасли, тепловых станциях и других сферах. Это связано с возможностью работы синхронных двигателей с различными реактивными мощностями. Сами они работают с точной и постоянной скоростью.

Станции и подстанции функционируют вместе со специальными синхронными генераторами, которые в режиме холостого хода обеспечивают выработку только реактивной мощности. В свою очередь, обеспечивает работу асинхронных двигателей.

Генератор на постоянных магнитах работает по принципу взаимодействия магнитных полей движущегося ротора и неподвижного статора. Не до конца изученные свойства этих элементов позволяют работать над изобретением других электротехнических устройств, вплоть до создания безтопливного .

В синхронных машинах этого типа постоянно направленное поле возбуждения образуется с помощью постоянных магнитов. Синхронные машины с постоянными магнитами не нуждаются в возбудителе и благодаря отсутствию потерь на возбуждение и в скользящем контакте обладают высоким КПД, их надежность существенно выше, чем у обычных синхронных машин, в которых вращающаяся обмотка возбуждения и щеточное устройство достаточно часто повреждаются; кроме того, они практически не нуждаются в обслуживании в течение всего срока службы.
Постоянные магниты могут заменять обмотку возбуждения как в многофазных синхронных машинах обычного исполнения, так и во всех специальных исполнениях, которые были описаны выше (однофазных синхронных машинах, синхронных машинах с клюво- образными полюсами и в индукторных машинах).
Синхронные машины с постоянными магнитами отличаются от своих аналогов с электромагнитным возбуждением конструкцией индукторных магнитных систем. Аналогом ротора обычной неявнопо- люсной синхронной машины является цилиндрический кольцеобразный магнит, намагничиваемый в радиальном направлении (рис., 6).

Индукторные магнитные системы с цилиндрическим и звездообразным магнитами;
а - звездообразный магнит без полюсных башмаков; б - четырехполюсный цилиндрический магнит

Рис. 2. Ротор с когтеобразными полюсами, возбуждаемый постоянным магнитом:
1 - кольцевой постоянный магнит; 2 - диск с системой южных полюсов; 3 - диск с системой северных полюсов

Явнополюсному ротору обычной машины с электромагнитным возбуждением аналогичен ротор со звездообразным магнитом по рис. 1, а, в котором магнит 1 крепится на валу 3 заливкой из алюминиевого сплава 2.

В роторе с когтеобразиыми полюсами (рис. 2) кольцевой магнит, намагниченный в осевом направлении, заменяет кольцевую обмотку возбуждения. В разноименнополюсной индукторной машине по рис. электромагнитное возбуждение может быть заменено магнитным, как показано на рис. 3 (вместо трех малых зубцов в каждой из зон I-IV здесь имеется по одному зубцу в каждой из зон). Соответствующий аналог с магнитным возбуждением имеется и у одноименнополюсной машины. Постоянный магнит может быть в этом случае выполнен в виде намагниченного в осевом направлении кольца, которое вставлено между станиной и подшипниковым щитом.

Рис. 3. Индукторный разноименнополюсной генератор с магнитоэлектрическим возбуждением:
ОЯ - обмотка якоря; ПМ - постоянный магнит
Для описания электромагнитных процессов в синхронных машинах с постоянными магнитами вполне пригодна теория синхронных машин с электромагнитным возбуждением, основы которой изложены в предыдущих главах раздела. Однако для того, чтобы воспользоваться этой теорией и применить ее для расчета характеристик синхронной машины с постоянными магнитами в генераторном или двигательном режиме, нужно предварительно определить по кривой размагничивания постоянного магнита ЭДС холостого хода Е, или коэффициент возбужденности г = Ef / U и рассчитать индуктивные сопротивления Xad и X с учетом влияния магнитного сопротивления магнита, которое может быть настолько существенным, что Ха(1 < Xaq.
Машины с постоянными магнитами были изобретены еще на заре развития электромеханики. Однако широкое применение они получили в течение последних десятилетий в связи с разработкой новых материалов для постоянных магнитов с большой удельной магнитном энергией (например, типа магнико или сплавов на основе самария и кобальта). Синхронные машины с такими магнитами по своим массо- габаритным показателям и эксплуатационным характеристикам в определенном диапазоне мощностей и частот вращения вполне могут конкурировать с синхронными машинами, имеющими электромагнитное возбуждение.

Мощность быстроходных синхронных генераторов с постоянными магнитами для питания бортовой сети самолетов достигает десятков киловатт. Генераторы и двигатели с постоянными магнитами небольшой мощности применяются в самолетах, автомобилях, тракторах, где их высокая надежность имеет первостепенное значение. В качестве двигателей малой мощности они широко применяются и во многих других областях техники. По сравнению с реактивными двигателями они обладают более высокой стабильностью частоты вращения, лучшими энергетическими показателями, уступая им по стоимости и пусковым свойствам.
По способам пуска в ход синхронные двигатели малой мощности с постоянными магнитами делятся на самозапускающиеся двигатели и двигатели с асинхронным пуском.
Самозапускающиеся двигатели малой мощности с постоянными магнитами применяются для приведения в движение механизмов часов и различных реле, разнообразных программных устройств и т.п. Номинальная мощность этих двигателей не превышает нескольких ватт (обычно составляет доли ватта). Для облегчения пуска двигатели выполняют многополюсными (р > 8) и получают питание от однофазной сети промышленной частоты.
В нашей стране такие двигатели выпускаются в серии ДСМ, в которой для создания многополюсного поля применены клювообразное исполнение магнитопровода статора и однофазная якорная обмотка.
Запуск этих двигателей в ход осуществляется за счет синхронного момента от взаимодействия пульсирующего поля с постоянными магнитами ротора. Для того чтобы пуск произошел успешно и в нужную сторону, применяют специальные механические устройства, которые позволяют ротору вращаться только в одном направлении и отсоединяют его от вала во время синхронизации
Синхронные двигатели малой мощности с постоянными магнитами с асинхронным пуском выпускаются с радиальным расположением постоянного магнита и пусковой короткозамкнутой обмотки и с аксиальным расположением постоянного магнита и пусковой короткозамкнутой обмотки. По устройству статора эти двигатели ничем не отличаются от машин с электромагнитным возбуждением. Обмотка статора в обоих случаях выполняется двух- или трехфазной. Различаются они лишь по конструкции ротора.
В двигателе с радиальным расположением магнита и коротко- замкнутой обмоткой последняя размещается в пазах шихтованных полюсных наконечников постоянных магнитов Для получения приемлемых потоков рассеяния между наконечниками соседних полюсов имеются немагнитные промежутки. Иногда в целях увеличения механической прочности ротора наконечники объединяются с помощью насыщающихся перемычек в целый кольцевой сердечник.
В двигателе с аксиальным расположением магнита и коротко- замкнутой обмоткой часть активной длины занята постоянным магнитом, а на другой ее части рядом с магнитом размешается шихтованный магнитопровод с короткозамкнутой обмоткой, причем и постоянный магнит, и шихтованный магнитопровод укреплены на общем валу. В связи с тем что во время пуска двигатели с постоянными магнитами остаются возбужденными, их пуск протекает менее благоприятно, чем в обычных синхронных двигателях, возбуждение которых отключается. Объясняется это тем, что при пуске наряду с положительным асинхронным моментом от взаимодействия вращающегося поля с токами, индуктированными в короткозамкнутой обмотке, на ротор действует отрицательный асинхронный момент от взаимодействия постоянных магнитов с токами, индуктированными полем постоянных магнитов в обмотке статора.

Генератор - устройство, преобразующее один вид энергии в другой.
В данном случае рассматриваем преобразование механической энергии вращения в электрическую.

Различают два типа таких генераторов. Синхронные и асинхронные.

Синхронный генератор. Принцип действия

Отличительным признаком синхронного генератора является жёсткая связь между частотой f переменной ЭДС, наведённой в обмотке статора, и частотой вращения ротора n , называемой синхронной частотой вращения:

n = f / p

где p – число пар полюсов обмотки статора и ротора.
Обычно частота вращения выражается в об/мин, а частота ЭДС в Герцах (1/сек), тогда для количества оборотов в минуту формула примет вид:

n = 60· f / p

На рис. 1.1 представлена функциональная схема синхронного генератора. На статоре 1 расположена трёхфазная обмотка, принципиально не отличающаяся от аналогичной обмотки асинхронной машины. На роторе расположен электромагнит с обмоткой возбуждения 2, получающей питание постоянным током, как правило, через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, расположенных на роторе, и двух неподвижных щёток.
В некоторых случаях в конструкции ротора синхронного генератора вместо электромагнитов могут использоваться постоянные магниты, тогда необходимость в наличии контактов на валу отпадает, но существенно ограничиваются возможности стабилизации выходных напряжений.

Приводным двигателем (ПД), в качестве которого используется турбина, двигатель внутреннего сгорания либо другой источник механической энергии, ротор генератора приводится во вращение с синхронной скоростью. При этом магнитное поле электромагнита ротора также вращается с синхронной скоростью и индуцирует в трёхфазной обмотке статора переменные ЭДС E A , E B и E C , которые будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120°), образуют симметричную трёхфазную систему ЭДС.

C подключением нагрузки к зажимам обмотки статора С1, С2 и С3 в фазах обмотки статора появляются токи I A , I B , I C , которые создают вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора. Таким образом, в синхронном генераторе магнитное поле статора и ротор вращаются синхронно. Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе

e = 2Blwv = 2πBlwDn

Здесь: B – магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл;
l – активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, т.е. длина сердечника статора, м;
w – количество витков;
v = πDn – линейная скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с;
D – внутренний диаметр сердечника статора, м.

Формула ЭДС показывает, что при неизменной частоте вращения ротора n форма графика переменной ЭДС обмотки якоря (ста- тора) определяется исключительно законом распределения магнитной индукции B в зазоре между статором и полюсами ротора. Если график магнитной индукции в зазоре представляет собой синусоиду B = B max sinα , то ЭДС генератора также будет синусоидальной. В синхронных машинах всегда стремятся получить распределение индукции в зазоре как можно ближе к синусоидальному.

Так, если воздушный зазор δ постоянен (рис. 1.2), то магнитная индукция B в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (график 1). Если же края полюсов ротора «скосить» так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен δ max (как это показано на рис. 1.2), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (график 2), а, следовательно, и график ЭДС, индуцированной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде. Частота ЭДС синхронного генератора f (Гц) пропорциональна синхронной частоте вращения ротора n (об/с)

где p – число пар полюсов.
В рассматриваемом генераторе (см. рис.1.1) два полюса, т.е. p = 1.
Для получения ЭДС промышленной частоты (50 Гц) в таком генераторе ротор необходимо вращать с частотой n = 50 об/с (n = 3000 об/мин).

Способы возбуждения синхронных генераторов

Самым распространенным способом создания основного магнитного потока синхронных генераторов является электромагнитное возбуждение, состоящее в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения, при прохождении по которой постоянного тока, возникает МДС, создающая в генераторе магнитное поле. До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись преимущественно специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.3, а). Обмотка возбуждения (ОВ ) получает питание от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ ). Ротор синхронного генератора, возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронного генератора поступает через контактные кольца и щётки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя r 1 и подвозбудителя r 2 . В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах получила применение также бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе. В качестве возбудителя в этом случае применяют обращенный синхронный генератор переменного тока В (рис. 1.3, б). Трехфазная обмотка 2 возбудителя, в которой наводится переменная ЭДС, расположена на роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора и их электрическое соединение осуществляется через вращающийся выпрямитель 3 непосредственно, без контактных колец и щёток. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя В осуществляется от подвозбудителя ПВ – генератора постоянного тока. Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронного генератора позволяет повысить её эксплуатационную надёжность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в этом числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.4, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь ПП преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счёт остаточного магнетизма машины.

На рис. 1.4, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ ) с выпрямительным трансформатором (ВТ ) и тиристорным преобразователем (ТП ), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подаётся в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ , на вход которого поступают сигналы напряжения на входе СГ (через трансформатор напряжения ТН ) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ ). Схема содержит блок защиты (БЗ ), обеспечивающий защиту обмотки возбуждения (ОВ ) от перенапряжения и токовой перегрузки.

Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5 % полезной мощности (меньшее значение относится к генераторам большой мощности).
В генераторах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, расположенными на роторе машины. Такой способ возбуждения даёт возможность избавить генератор от обмотки возбуждения. В результате конструкция генератора существенно упрощается, становится более экономичной и надёжной. Однако, из-за высокой стоимости материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничено машинами мощностью не более нескольких киловатт.

Синхронные генераторы составляют основу электроэнергетики, так как практически вся электроэнергия во всём мире вырабатывается посредством синхронных турбо- или гидрогенераторов.
Так же синхронные генераторы находят широкое применение в составе стационарных и передвижных электроустановок или станций в комплекте с дизельными и бензиновыми двигателями.

Асинхронный генератор. Отличия от синхронного

Асинхронные генераторы принципиально отличаются от синхронных отсутствием жесткой зависимости между частотой вращения ротора и вырабатываемой ЭДС. Разницу между этими частотами характеризует коэффициент s - скольжение.

s = (n - n r)/n

здесь:
n - частота вращения магнитного поля (частота ЭДС).
n r - частота вращения ротора.

Более подробно с расчётом скольжения и частоты можно ознакомиться в статье: асинхронные генераторы. Частота .

В обычном режиме электромагнитное поле асинхронного генератора под нагрузкой оказывает тормозной момент на вращения ротора, следовательно, частота изменения магнитного поля меньше, поэтому скольжение будет отрицательным. К генераторам, работающим в области положительных скольжений, можно отнести асинхронные тахогенераторы и преобразователи частоты.

Асинхронные генераторы в зависимости от конкретных условий применения выполняются с короткозамкнутым, фазным или полым ротором. Источниками формирования необходимой энергии возбуждения ротора могут являться статические конденсаторы или вентильные преобразователи с искусственной коммутацией вентилей.

Асинхронные генераторы можно классифицировать по способу возбуждения, характеру выходной частоты (изменяющаяся, постоянная), способу стабилизации напряжения, рабочим областям скольжения, конструктивному выполнению и числу фаз.
Последние два признака характеризуют конструктивные особенности генераторов.
Характер выходной частоты и методы стабилизации напряжения в значительной степени обусловлены способом образования магнитного потока.
Классификация по способу возбуждения является основной.

Можно рассмотреть генераторы с самовозбуждением и с независимым возбуждением.

Самовозбуждение в асинхронных генераторах может быть организовано:
а) с помощью конденсаторов, включенных в цепь статора или ротора или одновременно в первичную и вторичную цепи;
б) посредством вентильных преобразователей с естественной и искусственной коммутацией вентилей.

Независимое возбуждение может осуществляться от внешнего источника переменного напряжения.

По характеру частоты самовозбуждающиеся генераторы разделяются на две группы. К первой из них относятся источники практически постоянной (или постоянной) частоты, ко второй переменной (регулируемой) частоты. Последние применяются для питания асинхронных двигателей с плавным изменением частоты вращения.

Более подробно рассмотреть принцип работы и конструктивные особенности асинхронных генераторов планируется рассмотреть в отдельных публикациях.

Асинхронные генераторы не требуют в конструкции сложных узлов для организации возбуждения постоянным током или применения дорогостоящих материалов с большим запасом магнитной энергии, поэтому находят широкое применение у пользователей передвижных электроустановок по причине своей простоты и неприхотливости в обслуживании. Используются для питания устройств, не требующих жёсткой привязки к частоте тока.
Техническим достоинством асинхронных генераторов можно признать их устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям.
С некоторой информацией по мобильным генераторным установкам можно ознакомиться на странице:
Дизель-генераторы .
Асинхронный генератор. Характеристики .
Асинхронный генератор. Стабилизация .

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Бесконтактные синхронные генераторы с постоянными магнитами (СГПМ) имеют простую электрическую схему, не потребляют энергии на возбуждение и имеют повышенный КПД, отличаются высокой надежностью работы, менее чувствительны к действию реакции якоря, чем обычные машины, их недостатки связаны с невысокими регулирующими свойствами через то, что рабочий поток постоянных магнитов нельзя изменять в широких пределах. Однако во многих случаях эта особенность не является определяющей и не препятствует широкому их применению.

Большинство СГПМ, применяемых в настоящее время, имеют магнитную систему с постоянными магнитами, которые вращаются. Поэтому магнитные системы отличаются друг от друга в основном конструкцией ротора (индуктора). Статор же СГПМ имеет практически такую ​​же конструкцию, что и в классических машинах переменного тока, обычно он содержит набранный из листов электротехнической стали цилиндрический магнитопровод, на внутренней поверхности которого расположены пазы для размещения обмотки якоря. В отличие от обычных синхронных машин рабочий промежуток между статором и ротором в СГПМ выбирают минимальным, исходя из технологических возможностей. Конструкция ротора в значительной степени определяется магнитными и технологическими свойствами магнитотвердые материала.

Ротор с цилиндрическим магнитом

Наиболее простым является ротор с монолитным цилиндрическим магнитом кольцеобразного типа (рис. 5.9, а). Магнит 1 выполнен литым, крепится на валу с помощью втулки 2, например, из сплава алюминия. Намагничивания магнита осуществляется в радиальном направлении на многополюсной установке намагничивающей. Поскольку механическая прочность магнитов небольшая, то при высоких линейных скоростях магнит помещают в оболочку (бандаж) из немагнитного материала.

Разновидностью ротора с цилиндрическим магнитом является сборный ротор из отдельных сегментов 1 из немагнитной стальной оболочкой 3 (рис. 5.9, б). Намагниченные радиально сегментные магниты 1 заключены на втулку 2 с магнитомьякиои стали и любым способом, например, с помощью клея, закреплены. Генераторы с ротором такой конструкции при стабилизации магнита в свободном состоянии имеют форму кривой ЭДС, близкую к синусоидальной. Преимуществом роторов с цилиндрическим магнитом является простота и технологичность конструкции. Недостатком - низкое использование объема магнита вследствие небольшой длины средней силовой линии полюса h и. С увеличением числа полюсов значение h и уменьшается и использования объема магнита ухудшается.

Рисунок 5.9 - Роторы с цилиндрическим магнитом: а - монолитный, б - сборный

Роторы с звездообразным магнитом

В СГПМ мощностью до 5 кВА широкое распространение получили роторы звездообразного типа с явно выраженная полюсами без полюсных башмаков (рис. 5.10, а). В такой конструкции магнит-звездочку чаще крепят на валу с помощью заливки немагнитным сплавом 2. Магнит может также видпиватися непосредственно на валу. Для снижения размагничивающей действия поля реакции якоря при ударном токе короткого замыкания на роторе в ряде случаев предполагается демпферная система 3. Последняя осуществляется, как правило, путем заливки ротора алюминием. При больших частотах вращения на магнит напрессовывается немагнитный бандаж.

Однако, при перегрузках генератора поперечная реакция якоря может вызвать несимметричное перемагничивания краев полюсов. Подобное перемагничивания искажает форму поля в рабочем промежутке и форму кривой ЭДС.

Одним из способов уменьшения действия поля якоря на поле магнита применение полюсных башмаков с Магнитомягкие стали. Изменяя ширину полюсных башмаков (регулируя поток рассеяния полюсов), можно добиться оптимального использования магнита. Кроме того, изменяя конфигурацию полюсных башмаков, можно получить необходимую форму поля в рабочем промежутке генератора.

На рис. 5.10, б приведена конструкция сборного ротора звездообразного типа с призматическими постоянными магнитами с полюсными башмаками. Радиально намагниченные магниты 1 установлены на втулке 2 с Магнитомягкие материала. На полюсе магнитов наложенные полюсные башмаки 3 с магнитной стали. Для обеспечения механической прочности ба

Рисунок 5.10 - Роторы звездообразного типа: а - без полюсных башмаков; б - сборный с полюсными башмаками

шмакы приварены к немагнитных вставок 4, образующей бандаж. Промежутки между магнитами могут заполняться алюминиевым сплавом или компаундом.

К недостаткам роторов звездообразного типа с полюсными башмаками следует отнести усложнение конструкции и уменьшение заполнения магнитами объема ротора.

Роторы с когтеобразные полюсами.

В генераторах с большим числом полюсов широко используется конструкция ротора с когтеобразные полюсами. Ногтеобразный ротор (рис. 5.11) содержит цилиндрический магнит 1, намагниченный в аксиальном направлении, размещенный на немагнитных втулке 2. К торцам магнита примыкают фланцы 3 и 4 с Магнитомягкие стали, имеют когтеобразные выступления, которые образуют полюса. Все выступления левого фланца является северными полюсами, а выступления правого фланца - южными. Выступления фланцев чередуются по окружности ротора, образуя многополюсную систему возбуждения. Мощность генератора можно значительно повысить, если применить модульный принцип, расположив на валу несколько магнитов с когтеобразные полюсами.

Недостатками роторов когтеобразные типа являются: относительная сложность конструкции, трудность намагничивания магнита в собранном роторе, большие потоки рассеяния, возможен отгиб концов выступлений при высоких частотах вращения, имела мера заполнения магнитом объема ротора.

Существуют конструкции роторов с различными комбинациями ПМ: с последовательным и параллельным включением МРС магнитов, с регулированием напряжения за счет осевого перемещения ротора относительно статора, системы совместного регулирования возбуждения СГПМ от ПМ и параллельно работающей электромагнитной обмоткой и др. Для безредукторных витроелектриних установок лучшим решением является применение СГПМ много-

Рисунок 5.11 - Ротор когтеобразные типа

полюсного исполнения. Есть опыт в Германии, Украине в других странах по разработке и применению тихоходных генераторов для безредукторных ВЭУ с частотой вращения 125-375 об / мин.

Из-за главного требования для безредукторной ВЭУ - иметь низкую частоту вращения генератора - габариты и масса СГПМ получаются завышенными по сравнению с высокооборотными генераторами с примерно одинаковой мощности. В корпусе 1 (рис. 5.12) расположен обычный статор 2 с обмоткой 3. Ротор (индуктор) 4 с наклеенными на внешней поверхности пластинками 5 из неодим-железо-бора установлен на валу 6 с подшипниками 7. Корпус 1 закреплен на основе 8, эт "связано с опорой ВЭУ, а ротор 4 соединен с валом ветротурбин (на рис. 5.12 не показаны).

При низких скоростях ветра для ВЭУ необходимо использовать генераторы с низкими скоростями вращения. В этом случае система часто не имеет редуктора и ось непосредственно соединена с осью электрического генератора. При этом возникает проблема получения достаточно высокой выходного напряжения и электрической мощности. Один из способов ее решения - многополюсный электрогенератор с ротором достаточно большого диаметра. Ротор электрогенератора при этом может быть выполнен с использованием постоянных магнитов. Электрогенератор с ротором на постоянных магнитах не имеет коллектора и щеток, ко-

Рисунок 5.12 - Конструктивная схема СГПМ для безредукторной ВЭУ: 1- корпус; 2 - статор; 3 - обмотка; 4 - ротор; 5 - пластинки постоянных магнитов с Nd-Fe-B; 6 - вал; 7 - подшипники; 8 - основа

ляет существенно повысить его надежность и время работы без обслуживания и ремонта.

Электрогенератор с ротором на постоянных магнитах может быть построен по разным схемам, отличающиеся друг от друга общим расположением обмоток и магнитов. Магниты с полярностью, что чередуется, располагаются на роторе генератора. Обмотки с направлением намотки, что чередуется, располагаются на статоре генератора. Если ротор и статор представляют из себя соосные диски, то такой тип генератора называют аксиальным или дисковым (рис. 5.13).

Если ротор и статор представляют из себя коаксиальные соосные цилиндры, то такой тип генератора называют радиальным или цилиндрическим (рис. 5.14). В генераторе радиального типа ротор может быть внутренним или внешним по отношению к статора.

Рисунок 5.13 - Упрощенная схема электрогенератора с ротором на постоянных магнитах аксиального (дискового) типа

Рисунок 5.14 - Упрощенная схема электрогенератора с ротором на постоянных магнитах радиального (цилиндрического) типа

Важная особенность синхронных генераторов с ПМ по сравнению с обычными синхронными генераторами - сложность регулирования выходного напряжения и его стабилизации. Если в обычных синхронных машинах можно плавно регулировать рабочий поток и напряжение, меняя ток возбуждения, то в машинах с постоянными магнитами такая возможность отсутствует, поскольку поток Ф находится в пределах заданной линии возврата и меняется незначительно. Для регулирования и стабилизации напряжения синхронных генераторов с постоянными магнитами приходится использовать специальные методы.

Один из возможных путей стабилизации напряжения синхронных генераторов - введение во внешнюю электрическую цепь генератора емкостных элементов, способствующих появлению продольно-намагничивая реакции якоря. Внешние характеристики генератора при емкостном характере нагрузки слабо меняются и даже могут содержать нарастающие участка. Конденсаторы, обеспечивающие емкостной характер нагрузки, включаются последовательно в цепь нагрузки непосредственно (рис. 5.15, а) или через пидвишучий трансформатор, который позволяет уменьшить массу конденсаторов за счет увеличения их рабочего напряжения и уменьшения тока (рис. S.1S, б). Возможно также параллельное включение конденсатора в круг генератора (рис. 5.15, е).

Рисунок 5.15 - включение стабилизирующих конденсаторов в круг синхронного генератора с постоянными магнитами

Хорошую стабилизацию выходного напряжения генератора с ПМ можно обеспечить с помощью резонансного контура, содержащего емкость С и дроссель насыщения L. Контур включается параллельно нагрузке, как показано на рис. 5.16, а в однофазном изображении. За счет насыщения дросселя его индуктивность падает с ростом тока и зависимость напряжения на дросселе от тока дросселя имеет нелинейный характер (рис. 5.16, б). В то же время зависимость напряжения на емкости от тока - линейная. В точке пересечения кривых и , что соответствует номинальному напряжению генера-

Рисунок 5.16 - стабилизация напряжения, синхронного генератора с постоянными магнитами с помощью резонансного контура: а - схема подключения контура; б - вольт-амперные характеристики (б)

тора , в контуре наступает резонанс токов, то есть и реактивный ток в контур извне не поступает.

Если напряжение снизится, то, как видно из рис. 4.15, б, при имеем , то есть контур забирает от генератора емкостный ток. Продольно-намагничивая реакция якоря, возникающая при этом, способствует росту U . Если же , то и контур забирает от генератора индуктивный ток. Продольно-размагничивающей реакция якоря приводит к снижению U.

В некоторых случаях для стабилизации напряжения генераторов используются дроссели насыщения (ДН), что пидмагничуються постоянным током от системы регулирования напряжения. При снижении напряжения регулятор увеличивает пидмагничуючий ток в дросселе, его индуктивность снижается из-за насыщения сердечника, уменьшается действие продольно- размагничивающей реакции якоря, а также падение напряжения на ДН, что способствует восстановлению выходного напряжения генератора.

Регулирования и стабилизации напряжения генераторов с ПМ можно эффективно осуществлять с помощью полупроводникового преобразователя, в каждой фазе которого есть два встречно-параллельно включенных тиристора. Каждая полуволна кривой напряжения перед преобразователем соответствует прямом напряжении на одном из тиристоров. Если система управления подает сигналы на включение тиристоров с некоторым запаздыванием, что соответствует углу управления . С ростом напряжения за преобразователем уменьшается, при снижении напряжения на зажимах генератора угол уменьшается так, чтобы напряжение по генератором . С помощью подобного преобразователя можно не только стабилизировать, но и регулировать выходное напряжение в широких пределах, изменяя угол . Недостаток описанной схемы - ухудшение качества напряжения при увеличении за счет появления высших гармоник.

Описанные способы регулирования и стабилизации напряжения связанные с применением в отношении тяжелых и громоздких внешних по отношению к генератору дополнительных устройств. Можно обеспечить достижение поставленной цели путем использования в генераторе дополнительной пидмагничуваючои обмотки (ПО) постоянного тока, меняет мере насыщения стальных магнито проводов и меняет, таким образом, внешнюю магнитную проводимость по отношению к магниту.

Возбуждение синхронной машины и её магнитные поля. Возбуждение синхронного генератора.

Обмотка возбуждения синхронного генератора (С.Г.) располагается на роторе и получает питание постоянным током от постороннего источника. Она создает основное магнитное поле машины, которое вращается вместе с ротором и замыкается по всему магнитопроводу. В процессе вращения это поле пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в них ЭДС Е10.
Для питания обмотки возбуждения мощных С.Г. используются специальные генераторы – возбудители. Если они установлены отдельно, то питание в обмотку возбуждения подается через контактные кольца и щеточный аппарат. Для мощных турбогенераторов возбудители (синхронные генераторы «обращенного типа») навешивают на вал генератора и тогда обмотка возбуждения, получает питание через полупроводниковые выпрями-тели, установленные на валу.
Мощность, затрачиваемая на возбуждение, составляет примерно 0,2 - 5% от номинальной мощности С.Г., причем меньшая величина – для крупных С.Г.
В генераторах средней мощности часто используют систему самовозбуждения – от сети обмотки статора через трансформаторы, полупроводниковые выпрямители и кольца. В очень малых С.Г. иногда используют постоянные магниты, но это не позволяет регулировать величину магнитного потока.

Обмотка возбуждения может быть сосредоточенной (у явнопо-люсных синхронных генераторов) или распределенной (у неявнополюсных С.Г.).

Магнитная цепь С.Г.

Магнитная система С.Г. – это разветвленная магнитная цепь, имеющая 2р параллельных ветвей. При этом магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения, замыкается по таким участкам магнитной цепи: воздушный зазор «?» – два раза; зубцовая зона статора hZ1 – два раза; спинка статора L1; зубцовый слой ротора «hZ2» - два раза; спинка ротора – «LОБ». В явнополюсных генераторах на роторе есть полюса ротора «hm» - два раза (вместо зубцового слоя) и крестовина LОБ (вместо спинки ротора).

На рисунке 1 видно, что параллельные ветви магнитной цепи симметричны. Видно также, что основная часть магнитного потока Ф замыкается по всему магнитопроводу и сцеплена как с обмоткой ротора, так и с обмоткой статора. Меньшая часть магнитного потока Фсигма(извените нету символа) замыкается только вокруг обмотки возбуждения, а затем по воздушному зазору не сцепляясь с обмоткой статора. Это магнитный поток рассеяния ротора.

Рисунок 1. Магнитные цепи С.Г.
явнополюсного (а) и неявнополюсного (б) типа.

В этом случае полный магнитный поток Фm равен:

где СИГМАm – коэффициент рассеяния магнитного потока.
МДС обмотки возбуждения на пару полюсов в режиме холостого хода можно определить как сумму составляющих МДС, необходимых на преодоление магнитных сопротивлений в соответствующих участках цепи.

Наибольшим магнитным сопротивлением обладает участок воз-душного зазора, у которого магнитная проницательность µ0 = const постоянна. В представленной формуле wВ – это число последовательно соединенных витков обмотки возбуждения на пару полюсов, а IВО – ток возбуждения в режиме холостого хода.

Сталь магнитопровода с увеличением магнитного потока имеет свойство насыщения, поэтому магнитная характеристика синхронного генератора нелинейна. Эту характеристику как зависимость магнитного потока от тока возбуждения Ф = f(IВ) или Ф = f(FВ) можно построить путем расчета или снять опытным путем. Она имеет вид, показанный на рисунке 2.

Рисунок 2. Магнитная характеристика С.Г.

Обычно С.Г. проектируют так, чтобы при номинальном значении магнитного потока Ф магнитная цепь была насыщена. При этом участок «ав» магнитной характеристики соответствует МДС на преодолении воздушного зазора 2Fсигма, а участок «вс» – на преодоление магнитного сопротивления стали магнитопровода. Тогда отношение можно назвать коэффициентом насыщения магнитопровода в целом.

Холостой ход синхронного генератора

Если цепь обмотки статора разомкнута, то в С.Г. существует только одно магнитное поле - созданное МДС обмотки возбуждения.
Синусоидальное распределение индукции магнитного поля, необходимое для получения синусоидальной ЭДС обмотки статора, обеспечивается:
- в явнополюсных С.Г. формой полюсных наконечников ротора (под серединой полюса зазор меньше, чем под его краями)и скосом пазов статора.
- в неявнополюсных С.Г. – распределением обмотки возбужде-ния по пазам ротора под серединой полюса зазор меньше, чем под его краями и скосом пазов статора.
В многополюсных машинах применяют обмотки статора с дроб-ным числом пазов на полюс и фазу.

Рисунок 3. Обеспечение синусоидальности магнитного
поля возбуждения

Поскольку ЭДС обмотки статора Е10 пропорциональна магнитному потоку Фо, а ток в обмотки возбуждения IВО пропорционален МДС обмотки возбуждения FВО, нетрудно построить зависимость: Е0 = f(IВО) идентичную магнитной характеристике: Ф = f(FВО). Эту зависимость называют характеристикой холостого хода (Х.Х.Х.) С.Г. Она позволяет определять параметры С.Г., строить его векторные диаграммы.
Обычно Х.Х.Х. строят в относительных единицах е0 и iВО, т.е. те-кущее значение величин относят к их номинальным значениям

В этом случае Х.Х.Х. называют нормальной характеристикой. Интересно то, что нормальные Х.Х.Х. практически для всех С.Г. одинаковы. В реальных условиях Х.Х.Х. начинается не из начала координат, а из некоторой точки на оси ординат, которая соответствует остаточной ЭДС е ОСТ., обусловленной остаточным магнитным потоком стали магнитопровода.

Рисунок 4. Характеристика холостого хода в относительных единицах

Принципиальные схемы возбуждения С.Г. с возбуждением а) и с самовозбуждением б) показаны на рисунке 4.

Рисунок 5. Принципиальные схемы возбуждения С.Г.

Магнитное поле С.Г. при нагрузке.

Чтобы нагрузить С.Г. или увеличить его нагрузку, надо уменьшить электрическое сопротивление между зажимами фаз обмотки статора. Тогда по замкнутым цепям фазных обмоток под действием ЭДС обмотки статора потекут токи. Если считать, что эта нагрузка симметрична, то токи фаз создают МДС трехфазной обмотки, которая имеет амплитуду

и вращается по статору с частотой вращения n1, равной частоте вращения ротора. Это значит, что МДС обмотки статора F3Ф и МДС обмотки возбуждения FВ, неподвижная относительно ротора, вращаются с одинаковыми скоростями, т.е. синхронно. Иначе говоря, они неподвижны относительно друг друга и могут взаимодейст-вовать.
В то же время в зависимости от характера нагрузки эти МДС могут быть по-разному ориентированы относительно друг друга, что изменяет характер их взаимодействия и, следовательно, рабочие свойства генератора.
Отметим еще раз, что воздействие МДС обмотки статора F3Ф = Fa на МДС обмотки ротора FВ называется «реакция якоря».
В неявнополюсных генераторах воздушный зазор между ротором и статором является равномерным, поэтому индукция В1, созданная МДС обмотки статора, распределена в пространстве как и МДС F3Ф = Fa синусоидально независимо от положения ротора и обмотки возбуждения.
В явнополюсных генераторах воздушный зазор неравномерен как за счет формы полюсных наконечников, так и за счет междуполюсного пространства, заполненного медью обмотки возбуждения и изоляционными материалами. Поэтому магнитное сопротивление воздушного зазора под полюсными наконечниками значительно меньше, чем в области междуполюсного пространства. Ось полюсов ротора С.Г. называют его продольной осью d - d, а ось междуполюсного пространства – поперечной осью С.Г. q - q.
Это значит, что индукция магнитного поля статора и график её распределения в пространстве зависят от положения волны МДС F3Ф обмотки статора относительно ротора.
Допустим, что амплитуда МДС обмотки статора F3Ф = Fa совпадает с продольной осью машины d - d, а пространственное распределение этой МДС синусоидально. Положим также, что ток возбуждение равен нулю Iво = 0.
Для наглядности изобразим на рисунке линейную развертку этой МДС, из которой видно, что индукция магнитного поля статора в области полюсного наконечника достаточно велика, а в области междуполюсного пространства резко снижается практически до нуля из - за большого сопротивления воздуха.

Рисунок 6. Линейная развертка МДС обмотки статора по продольной оси.

Такое неравномерное распределение индукции с амплитудой В1dmax можно заменить синусоидальным распределением, но с меньшей амплитудой В1d1max.
Если максимальное значение МДС статора F3Ф = Fa совпадает с поперечной осью машины, то картина магнитного поля будет иной, что видно из рисунка линейной развертки МДС машины.

Рисунок 7. Линейная развертка МДС обмотки статора по поперечной оси.

Здесь также величина индукции в районе полюсных наконечни-ков больше, чем в области междуполюсного пространства. И вполне очевидно, что амплитуда основной гармоники индукции поля статора В1d1 по продольной оси больше амплитуды индукции поля В1q1, по поперечной оси. Степень уменьшения индукции В1d1 и В1q1, которое обусловлено неравномерностью воздушного зазора учитывают с помощью коэффициентов:

Они зависят от многих факторов и, в частности, от отношения сигма/тау(извените нету символа) (относительная величина воздушного зазора), от отношения

(коэффициент полюсного перекрытия), где вп – ширина полюсного наконечника, и от других факторов.