Jak funguje synchronní generátor?

K přeměně mechanické energie (spalovací motor, větrný motor, turbína) na elektrickou energii (stejnosměrný nebo střídavý) je zapotřebí generátor. Hlavními částmi generátoru jsou stacionární kotva (stator) a induktor (rotor) poháněný primárním motorem s vysokou konstantní rychlostí otáčení, s budícím vinutím napájeným stejnosměrným proudem.

Rotor elektrického stroje na střídavý proud se může otáčet s frekvencí magnetického pole nebo za ním zaostávat (otáčet se nižší rychlostí). V prvním případě je stroj klasifikován jako synchronní, ve druhém jako asynchronní. Synchronní elektrický stroj pracující v generátorovém režimu se nazývá synchronní generátor. Synchronní generátor je reverzibilní, tzn. když je vinutí kotvy připojeno k třífázovému napájení, funguje jako elektromotor.
Princip činnosti synchronního generátoru

Když se rotor synchronního generátoru (SG) otáčí, jeho magnetické siločáry protínají vinutí statoru. Magnetické pole rotoru vytváří nezávislý budič, kterým může být baterie nebo přídavný stejnosměrný generátor s napětím obvykle ne vyšším než 150 V, dále rtuťové, polovodičové (selen nebo germanium) nebo mechanické usměrňovače.

Možné je i opačné řešení (obvykle používané v malých mobilních AC instalacích) – rotace rotoru ve stacionárním magnetickém poli, přičemž střídavý proud vznikající ve vinutí rotoru musí být z rotoru odváděn přes kolektor. Elektromotorická síla (EMF) generovaná SG je úměrná magnetické indukci, délce statorové štěrbiny, počtu závitů ve vinutí statoru, vnitřnímu průměru statoru a frekvenci otáčení magnetického pole. Změna EMF synchronního generátoru je možná regulací proudu ve vinutí budiče pomocí reostatu nebo automatického řídicího systému.

Frekvence rotace magnetického pole je rovna rychlosti rotace rotoru a frekvence generovaného střídavého napětí je úměrná frekvenci rotace magnetického pole a počtu párů pólů statoru. Například při dané frekvenci SG 50 Hz a počtu pólových párů 1 by se měl rotor otáčet rychlostí 3000 ot./min a při počtu pólových párů 2 – rychlostí 1500 ot./min., atd.

Pro udržení konstantní frekvence střídavého napětí generovaného SG je rychlost otáčení hnacího stroje udržována konstantní pomocí automatického regulátoru rychlosti.

Typicky je požadováno, aby SG produkoval napětí řádově 15-40 kV, je obtížné takové napětí odstranit z rotačního komutátoru a je výhodné vyrobit vinutí kotvy, ze kterého je generovaná elektrická energie; odstraněný, stacionární. Budicí výkon SG je obvykle 1-3% a nepřesahuje 5% výkonu SG; dodání tohoto výkonu do spřádacího rotoru není problém.

S výkonem SG až několik kilowattů mohou magnetické pole rotoru zajišťovat permanentní magnety (nejmodernější neodymové), což umožňuje obejít se bez kolektoru a sběrače proudu. Zároveň z důvodu nemožnosti regulace magnetického toku rotoru je výstupní napětí SG konstantní a nelze jej regulovat, případně vznikají potíže s regulací. Výkon moderního synchronního generátoru dosahuje několika GW i více.

Typy synchronních generátorů

Generátory se dělí podle způsobu buzení. Nejjednodušší metodou, která nevyžaduje přídavný zdroj energie pro buzení statoru, je použití samobuzení v důsledku zbytkové magnetizace jádra rotoru, a to i při absenci budícího proudu ve vinutí rotoru. Když se rotor otáčí, slabý zbytkový magnetický tok rotoru způsobí vznik malého EMF ve vinutí rotoru, který je odebírán klesajícím transformátorem, usměrněn a přiváděn přes kolektor do budícího vinutí, čímž se zvyšuje magnetická tok, EMF generátoru a další vývoj procesu samobuzení, dokud nedosáhne normálního provozu. Podobný obvod samobuzení se úspěšně používá v autonomních instalacích pozemní, vodní a letecké dopravy.

Pokud je použito tyristorové zařízení pro regulaci budícího proudu, je možné automaticky regulovat výstupní napětí SG (zachovat jeho stálost nebo se měnit podle určitého zákona v závislosti na velikosti a povaze zátěže). Rotor je možné buzit i z přídavného generátoru (subbudiče), který má společnou hřídel s hlavním generátorem nebo je s hřídelí SG spojen přes polospojku.

Zařízení synchronního generátoru

Konstrukce statoru SG je podobná jako u statoru asynchronního motoru. Jádro statoru, v jehož drážkách je umístěno vinutí, je sestaveno z elektroocelových plechů o tloušťce 1-2 mm slisovaných do obalu, oddělených izolačním lakovým filmem o tloušťce 0,08-0,1 mm.

Synchronní generátor může vyrábět jednofázový nebo nejčastěji třífázový střídavý proud. K vinutí statoru je připojena zátěž.

Konstrukčně mohou být póly statoru vyčnívající (jako u pomaloběžných SG s rychlostí otáčení ne vyšší než 1000 ot./min, otáčených hydraulickými turbínami), nebo mohou být nejasné (jako u vysokorychlostních strojů).

Synchronní generátor je reverzibilní – dokáže nejen generovat střídavý proud (režim generátoru), ale také vykonávat mechanickou práci (režim motoru).

Pro chlazení rotoru obsahuje konstrukce SG oběžná kola na společné hřídeli s rotorem. Před vstupem do PG pro chlazení vinutí je vzduch veden přes filtr, pokud je chladicí systém uzavřen, je dodatečně ochlazen ve výměníku tepla. Kromě vzduchu se pro svou lehkost používá jako chladivo také vodík.

Konce vinutí SG jsou vyvedeny na svorkovnici, která umožňuje zapojit vinutí třífázového SG do hvězdy nebo trojúhelníku.

Je-li potřeba získat na výstupu sinusové napětí, jsou kladeny určité požadavky na tvar explicitních pólových nástavců, nebo je nutné (u implicitních pólů) uspořádat závity vinutí rotoru podle zvláštního zákona.

Provozní režimy synchronního generátoru

Synchronní generátor může pracovat v klidovém režimu, v nepřítomnosti proudů ve vinutí kotvy, a pak je generované napětí nastaveno pouze budicím proudem.

Když je spotřebič připojen k SG, začnou vinutím kotvy protékat proudy a magnetické pole, které vytvářejí, se sčítá s polem rotoru. Proud ve vinutí kotvy při čistě aktivní zátěži (topná tělesa, žárovky) je ve fázi s EMF, u indukční zátěže (asynchronní elektromotory, tlumivky, transformátory) se zpožďuje a u kapacitní zátěže (baterie kondenzátorů , korektory účiníku, vedení vysokého napětí) vede. Při aktivní zátěži je dodatečný magnetický tok vytvořený ve statoru kolmý na tok rotoru a emf generátoru, určený celkovým tokem, se zvyšuje.

Jalová zátěž vede k odchylce směrů toků od kolmosti v důsledku nesouladu fází proudu vinutí kotvy a EMF a při kapacitní zátěži se EMF generátoru ještě zvýší, protože směr toky se začnou shodovat (způsobí se podélná magnetizační reakce) a s indukčním zatížením se EMF snižuje v důsledku protisměrných toků (způsobuje podélnou demagnetizační reakci). Nejběžnějším typem je smíšená aktivní-indukční zátěž.

Aby se eliminoval dopad reakce kotvy na EMF generátoru, je plánováno regulovat buzení rotoru, aby se EMF udrželo na správné úrovni a vyloučila se jeho závislost na výkonu a typu zátěže. Také pro eliminaci kmitů při prudké změně pracovního režimu SG je kromě hlavního vinutí budiče navinuta také tlumicí (uklidňovací) cívka, což je užitečné zejména v případě, kdy několik SG pracuje společně na společné síti. . Protože zatížení SG nezůstává konstantní a čas od času se mění, je potřeba neustálá regulace budícího proudu, kterou provádějí automatické řídicí systémy.

Při normálním provozu SG jsou některé odchylky účiníků zátěže, napětí a frekvence přijatelné v rozmezí několika procent jmenovitých hodnot. Při poruchách v zátěžovém vedení (zkraty, nestálost odebraného výkonu, nerovnoměrné rozložení zátěže mezi fázemi) dochází k asymetrii výstupního napětí SG, tvar napětí je zkreslený a odchyluje se od sinusového, což může vést k přehřátí vinutí a konstrukčních prvků generátoru. Také nelinearita zátěže (usměrňovače a střídače připojené k síti) vede ke zkreslení tvaru EMF generátoru.

Když je SG v provozu, je důležité monitorovat průtok chladicí vody, automatika by měla upozornit obsluhu na pokles průtoku zapnutím alarmu, a pokud průtok prudce klesne, začněte vykládat generátor a poté jej vypnout; dolů během několika minut.

Provoz několika synchronních generátorů na společné síti

Paralelní provoz několika SG je nezbytný pro plné využití jejich energie, umožňuje vytvářet výkonné zdroje energie a také pravidelně vyřazovat jeden z generátorů pro údržbu nebo opravu.

Když několik SG pracuje paralelně, je vyžadována přísná stálost frekvence generované každým z nich, s vysokým zachováním stálosti jejich rychlosti otáčení.

Při připojení dalšího SG do sítě se jeho napětí musí rovnat napětí sítě s konstantní frekvencí, fází a rotací fází. Pouze pokud se tyto podmínky shodují při připojení SG k síti, nebudou docházet k proudovým rázům a vyrovnávacím proudům nebezpečným pro vinutí.

Synchronizace se provádí pomocí speciálních zařízení – synchroskopů, z nichž nejjednodušší jsou lampy, které umožňují podle povahy svitu lamp synchroskopu určit s dostatečnou přesností pro praxi okamžik shody napětí připojeného generátoru. a síť ve frekvenci, fázi a sledu fází.