Generátor – zařízení, které přeměňuje jeden druh energie na jiný.
V tomto případě uvažujeme přeměnu mechanické rotační energie na elektrickou energii.
Existují dva typy takových generátorů. Synchronní a asynchronní.
Synchronní generátor. Princip fungování
Charakteristickým rysem synchronního generátoru je těsné spojení mezi frekvencí f proměnné EMF indukované ve vinutí statoru a otáčkách rotoru n , nazývaná synchronní rychlost:
n = f /str
kde p – počet pólových párů vinutí statoru a rotoru.
Obvykle je rychlost otáčení vyjádřena v otáčkách za minutu a frekvence EMF v Hertzech (1/s), pak pro počet otáček za minutu bude mít vzorec tvar:
n = 60 ·f /str
Na Obr. Obrázek 1.1 ukazuje funkční schéma synchronního generátoru. Na statoru 1 je třífázové vinutí, které se zásadně neliší od podobného vinutí asynchronního stroje. Na rotoru je umístěn elektromagnet s budicím vinutím 2, který přijímá stejnosměrný proud, obvykle přes kluzné kontakty vytvořené pomocí dvou sběracích kroužků umístěných na rotoru a dvou pevných kartáčů.
V některých případech lze v konstrukci rotoru synchronního generátoru místo elektromagnetů použít permanentní magnety, pak odpadá potřeba kontaktů na hřídeli, ale možnosti stabilizace výstupních napětí jsou výrazně omezené.
Hnací motor (PD), kterým je turbína, spalovací motor nebo jiný zdroj mechanické energie, pohání rotor generátoru do rotace synchronní rychlostí. V tomto případě se také magnetické pole elektromagnetu rotoru otáčí synchronní rychlostí a indukuje proměnnou EMF ve vinutí třífázového statoru EA , EB и EC , které mají shodnou hodnotu a fázově posunuté vůči sobě o 1/3 periody (120°), tvoří symetrický třífázový EMF systém.
Když je zátěž připojena ke svorkám vinutí statoru C1, C2 a C3, ve fázích vinutí statoru se objevují proudy IA, IB, IC , které vytvářejí rotující magnetické pole. Frekvence otáčení tohoto pole se rovná frekvenci otáčení rotoru generátoru. V synchronním generátoru se tedy magnetické pole statoru a rotoru otáčí synchronně. Okamžitá hodnota EMF statorového vinutí v uvažovaném synchronním generátoru
e = 2Blwv = 2πBlwDn
Zde: B – magnetická indukce ve vzduchové mezeře mezi jádrem statoru a póly rotoru, T;
l – aktivní délka jedné strany štěrbiny statorového vinutí, tzn. délka jádra statoru, m;
w – počet otáček;
v = πDn – lineární rychlost pohybu pólů rotoru vůči statoru, m/s;
D – vnitřní průměr jádra statoru, m.
Vzorec EMF ukazuje, že při konstantní rychlosti rotoru n tvar grafu proměnné EMF vinutí kotvy (statoru) je určen výhradně zákonem rozdělení magnetické indukce B v mezeře mezi statorem a póly rotoru. Pokud je graf magnetické indukce v mezeře sinusoida B=Bmax sinα , pak EMF generátoru bude také sinusový. U synchronních strojů se vždy snaží dosáhnout rozdělení indukce v mezeře co nejblíže sinusovému.
Pokud tedy vzduchová mezera δ je konstantní (obr. 1.2), pak magnetická indukce B ve vzduchové mezeře je rozdělena podle lichoběžníkového zákona (graf 1). Pokud jsou okraje pólů rotoru „zkosené“, takže mezera na okrajích pólových nástavců je rovna δmax (jak je znázorněno na obr. 1.2), pak se graf rozložení magnetické indukce v mezeře bude blížit sinusoidě (graf 2) a následně se graf EMF indukovaného ve vinutí generátoru bude blížit sinusovce. EMF frekvence synchronního generátoru f (Hz) úměrné rychlosti synchronního rotoru n (r/s)
kde p – počet párů pólů.
Dotyčný generátor (viz obr. 1.1) má dva póly, tzn. p = 1.
Pro získání EMF průmyslové frekvence (50 Hz) v takovém generátoru se musí rotor otáčet frekvencí n = 50 r/s (n = 3000 otáček za minutu).
Metody buzení synchronních generátorů
Nejběžnějším způsobem vytvoření hlavního magnetického toku synchronních generátorů je elektromagnetické buzení, které spočívá v umístění budícího vinutí na póly rotoru, při průchodu stejnosměrného proudu se objeví MMF, vytvářející v generátoru magnetické pole. Pro napájení budícího vinutí se donedávna používaly speciální nezávislé budicí generátory stejnosměrného proudu, zvané budiče. В (obr. 1.3, a). Polní vinutí (OV) přijímá energii z jiného generátoru (paralelní buzení), který se nazývá subexciter (PV). Rotor synchronního generátoru, budič a subbudič jsou umístěny na společné hřídeli a otáčejí se současně. V tomto případě proud vstupuje do budícího vinutí synchronního generátoru přes sběrací kroužky a kartáče. Pro regulaci budícího proudu se používají regulační reostaty, které se zapojují do budícího obvodu budiče. r1 a pomocný budič r2 . U synchronních generátorů středního a vysokého výkonu je proces regulace budícího proudu automatizován.
U synchronních generátorů byl také použit bezkontaktní elektromagnetický budicí systém, u kterého synchronní generátor nemá sběrací kroužky na rotoru. V tomto případě je jako budič použit invertovaný synchronní generátor střídavého proudu В (obr. 1.3, b). Třífázové vinutí 2 budič, ve kterém se indukuje střídavé EMF, je umístěn na rotoru a otáčí se společně s budícím vinutím synchronního generátoru a jejich elektrické připojení je provedeno přes rotační usměrňovač 3 přímo, bez sběracích kroužků nebo kartáčů. Stejnosměrné napájení budicího vinutí 1 patogenu B se provádí ze subexciteru PV – DC generátor. Absence kluzných kontaktů v budicím obvodu synchronního generátoru umožňuje zvýšit jeho provozní spolehlivost a zvýšit účinnost.
U synchronních generátorů, včetně hydrogenerátorů, se rozšířil princip samobuzení (obr. 1.4, a), kdy se energie střídavého proudu potřebná k buzení odebírá ze statorového vinutí synchronního generátoru a přes snižovací transformátor a usměrňovací polovodičový měnič PP přeměněna na stejnosměrnou energii. Princip samobuzení je založen na tom, že k počátečnímu buzení generátoru dochází vlivem zbytkového magnetismu stroje.
Na Obr. 1.4, b ukazuje blokové schéma systému automatického samobuzení synchronního generátoru (SG) s usměrňovacím transformátorem (VT) a tyristorový měnič (TP), kterým prochází střídavá elektřina z obvodu statoru SG po přeměně na stejnosměrný proud se přivádí do budícího vinutí. Tyristorový měnič je řízen pomocí automatického regulátoru buzení ARV, jehož vstup přijímá napěťové signály na vstupu SG (přes napěťový transformátor TN) a zátěžový proud SG (z proudového transformátoru TT). Obvod obsahuje ochranný blok (B Z), poskytující ochranu vinutí pole (OV) z přepětí a proudového přetížení.
Výkon vynaložený na buzení se obvykle pohybuje od 0,2 do 5 % užitečného výkonu (u výkonných generátorů platí nižší hodnota).
U generátorů malého výkonu se využívá princip buzení permanentními magnety umístěnými na rotoru stroje. Tento způsob buzení umožňuje zbavit generátor budícího vinutí. V důsledku toho je konstrukce generátoru výrazně zjednodušena, stává se ekonomičtějším a spolehlivějším. Vzhledem k vysoké ceně materiálů pro výrobu permanentních magnetů s velkou zásobou magnetické energie a složitosti jejich zpracování je však použití buzení permanentními magnety omezeno na stroje s výkonem maximálně pár kilowattů.
Synchronní generátory tvoří základ elektroenergetiky, protože téměř veškerá elektřina na celém světě se vyrábí prostřednictvím synchronních turbogenerátorů nebo hydrogenerátorů.
Synchronní generátory jsou také široce používány jako součást stacionárních a mobilních elektroinstalací nebo stanic s dieselovými a benzínovými motory.
Asynchronní generátor. Rozdíly od synchronního
Asynchronní generátory se zásadně liší od synchronních generátorů tím, že neexistuje přísný vztah mezi rychlostí rotoru a generovaným EMF. Rozdíl mezi těmito frekvencemi je charakterizován koeficientem s – posuvné.
zde:
n — frekvence otáčení magnetického pole (frekvence EMF).
n r — rychlost rotoru.
Více podrobností o výpočtu skluzu a frekvence naleznete v článku: asynchronní generátory. Frekvence.
V normálním režimu působí elektromagnetické pole asynchronního generátoru při zatížení brzdným momentem na rotaci rotoru, proto je frekvence změny magnetického pole menší, takže skluz bude záporný. Mezi generátory pracující v oblasti kladných skluzů patří asynchronní tachogenerátory a frekvenční měniče.
Asynchronní generátory se v závislosti na konkrétních podmínkách použití vyrábějí s rotorem nakrátko, fázovým nebo dutým rotorem. Zdrojem tvorby potřebné budicí energie rotoru mohou být statické kondenzátory nebo ventilové měniče s umělým spínáním ventilů.
Asynchronní generátory lze klasifikovat podle způsobu buzení, charakteru výstupní frekvence (proměnná, konstantní), způsobu stabilizace napětí, skluzových pracovních oblastí, provedení a počtu fází.
Poslední dvě vlastnosti charakterizují konstrukční vlastnosti generátorů.
Charakter výstupní frekvence a způsoby stabilizace napětí jsou do značné míry určeny metodou generování magnetického toku.
Hlavní je klasifikace podle způsobu buzení.
Můžete zvážit generátory se samobuzením a nezávisle buzené.
Samobuzení v asynchronních generátorech lze organizovat:
a) pomocí kondenzátorů připojených k obvodu statoru nebo rotoru nebo současně k primárnímu a sekundárnímu obvodu;
b) přes ventilové měniče s přirozeným a umělým spínáním ventilů.
Nezávislé buzení lze provést z externího zdroje střídavého napětí.
Na základě charakteru frekvence se samobudící generátory dělí do dvou skupin. První z nich zahrnuje zdroje téměř konstantní (nebo konstantní) frekvence, druhý proměnnou (nastavitelnou) frekvenci. Posledně jmenované se používají k napájení asynchronních motorů s plynulou změnou rychlosti otáčení.
Plánuje se podrobněji zvážit princip fungování a konstrukční vlastnosti asynchronních generátorů v samostatných publikacích.
Asynchronní generátory nevyžadují ve své konstrukci složité součástky pro organizaci buzení stejnosměrným proudem nebo použití drahých materiálů s velkou zásobou magnetické energie, proto jsou pro svou jednoduchost a nenáročnost na údržbu hojně využívány uživateli mobilních elektroinstalací. Používá se k napájení zařízení, která nevyžadují striktní připojení k aktuální frekvenci.
Technickou výhodou asynchronních generátorů je jejich odolnost proti přetížení a zkratu.
Některé informace o mobilních generátorových soupravách naleznete na stránce:
Dieselové generátory.
Asynchronní generátor. Charakteristika.
Asynchronní generátor. Stabilizace.
Komentáře a návrhy jsou přijímány a vítány!
