Принципи роботи генераторів змінного і постійного струму

Приндип дії генератора змінного струму ви вже роз­глядали. Тепер ознайомимося з принципом будови елек­тричних генераторів, не вдаючись до розгляду деталей їх конструктивного оформлення.

Існує багато різних типів індукційних генераторів. Однак всі вони складаються з двох основних частин: магнітної системи, яка утворює магнітне поле, і обмотки — сукупності провідників, в яких індукується змінна ЕРС (в розглянутій моделі генератора це обертова рамка). Оскільки ЕРС, збуджувані в послідовно з'єднаних витках, додаються, то амплітуда ЕРС індукції в обмотці генератора пропорційна кількості витків у ній.

Будова індукційного генератора змінного струму пока­зана на малюнку 46. Він складається з нерухомої части­ни — статора 1 і обертової частини — ротора 2. Статор має форму порожнистого циліндра. В пазах, зроблених уздовж внутрішньої поверхні циліндра, укладені провід­ники обмотки статора, з'єднані між собою послідовно. На роторі розміщені електромагніти. їх обмотка, яку назива­ють обмоткою збудження генератора, з'єднується через кільця і щітки з джерелом постійного струму — збуд­ником 3.

Постійний магнітний потік, збуджений струмом ротора, пронизує тіло ротора, два повітряні зазори між статором і ротором і осердя статора. Статор і ротор виготовлені так, що при рівномірному обертанні ротора з кутовою швид­кістю магнітна індукція в зазорі між ними змінюється за законом . Магнітний потік через контур

обмотки змінюється з швидкістю

. Тоді в нерухомих обмотках статора індукуватиметься вихрове електричне поле з ЕРС:

♦

де— амплітуда ЕРС індукції.

Таким чином, при рівномірному обертанні ротора, який має пару полюсів, з частотою в обмотці статора

індукується змінне електричне поле, ЕРС якого змінюється гармонічно з такою самою частотою.

У двополюсному генераторі (див. мал. 46) одному обер­ту ротора відповідає один період ЕРС статора. Генератор робить п обертів за хвилину. Отже, хвилині відповідає п періодів ЕРС, а частота індуктованої в обмотці статора

ЕРС буде дорівнювати: . Легко підрахувати, що для

одержання струму частотою 50 Гц двополюсний ротор повинен робити 3000 об/хв (частота обертання більшості генераторів на теплових електростанціях).

На гідроелектростанціях такі генератори звичайно приводяться в дію порівняно тихохідними водяними турбі­нами. Тому для одержання стандартної частоти змінного струму 50 Гц застосовують генератори з роторами, які мають велике число пар полюсів. Якщо ротор має р пар полюсів, то за один його оберт відбувається рп повних пері­одів зміни ЕРС і частота ЕРС буде: . За цією форму­лою легко обчислити, що для одержання частоти 50 Гц ротор з 40 парами полюсів має обертатися з швидкістю 75 об/хв. На таких малих частотах обертання працює більшість генераторів, які приводяться в рух гідравліч­ними турбінами.

Останнім часом перед електротехнічною промислові­стю особливо гостро постало питання про дальше збіль­шення граничної потужності генераторів. Яким чином можна досягти збільшення потужності генератора? Від­повідь може бути такою: якщо потужність генератора визначається добутком напруги на силу струму, що його виробляє генератор, то для досягнення мети достатньо підвищити одну з цих величин.

За законом електромагнітної індукції напруга генера­тора залежить від довжин статора і ротора, їх діаметрів, інакше кажучи, від розмірів магнітної системи машини, а також від швидкості обертання ротора. Чим більшою буде кожна з цих величин, тим вищою буде напруга. Але збільшувати швидкість обертання ротора не можна. При одній парі полюсів вона повинна залишитись незмінною (3000 обертів на хвилину), інакше неможливо одержати струм частотою 50 Гц. Отже, треба збільшити довжину статора і ротора та їх діаметри. Така можливість уже прак­тично повністю реалізована у випущених раніше генерато­рах потужністю 200 і 300 тис. кВт. Але слід зауважити, що при довжині ротора понад 4 м прогин і вібрації настіль-

ки зростають, що можуть призвести до аварії. Діаметр _; ротора понад 1,2 м також збільшувати не доцільно: він просто не витримає великих механічних навантажень під час роботи. Адже при діаметрі ротора трохи більшому 1 м, кожний кілограм маси, що знаходиться біля поверхні ротора, прагне відірватися з силою 5 • 10⁴ Н.

Таким чином, залишається друга можливість підви­щення потужності генератора — різке збільшення сили струму статора при незмінній магнітній системі. Цього можна досягти, значно збільшивши силу струму живлення обмотки збудження ротора. Тоді обмотками ротора і ста­тора потече струм силою в тисячі і навіть десятки тисяч амперів. Але ні один провідник не здатний витримати такий струм; він обов'язково розплавиться. Як же боротися з надмірно великими перегрівами обмоток, сталі статора і ротора, елементів конструкції машини? Вихід може бути лише один: треба застосувати надійну і високоефективну систему охолодження кожної з цих деталей, і насамперед

обмоток.

Спочатку просто застосовували повітряне охолоджен­ня — через зазор між статором і ротором і через спеціальні канали в статорі й роторі продували добре очищене від пилу повітря,— і цього було достатньо, щоб довести потуж­ність турбогенераторів до 100 тис. кВт. У більш потужних генераторах застосовують безпосередню вентиляцію рото­ра, при якій в пази ротора вводиться водень. Обмиваючи провідники обмоток, він відводить від них теплоту в спе­ціальний газоохолоджувач. Використання водню обумов­лене тим, що питома теплоємність його в 14 разів більша за питому теплоємність повітря; крім того, теплопровід­ність водню в 6 разів більша, ніж у повітря. Тому водень забезпечує значно краще охолодження генератора.

Зі збільшенням потужності генераторів виявилося, що і цього замало. Тоді перейшли на внутрішнє охолодження обмоток статора і ротора воднем, тобто зробили мідні про­відники обмоток порожнистими, або трубчастими, і про­пускають ними водень під великим тиском. Застосування такої системи охолодження дало можливість створити генератори потужністю 300 тис. кВт. Але розвиток енерге­тики вимагав більших потужностей генераторів.

В надпотужних генераторах в 500, 800 і 1200 тис. кВт до останнього часу застосовувалась комбінована система охолодження. В таких генераторах дистильована вода (діелектрик) подається трубками, виготовленими з ізоля­ційного матеріалу, в порожнисті мідні провідники обмотки

статора і виводиться назовні через такі самі трубки. Решта частин турбогенератора охолоджується воднем.

Застосування різноманітних способів охолодження генераторів (повітрям, воднем, водою, маслом) вже дійшло до розумних меж — дальше зростання потужності вимагав значного збільшення розмірів енергоблоків, що невигідно з точки зору металоємкості і втрат електроенергії. Тому разом з постійним удосконаленням традиційних машин розробляються турбогенератори нової конструкції, в яких використовуються надпровідні обмотки. В таких генера­торах ротор є електромагнітом із надпровідними обмот­ками. В надпровідній обмотці порівняно із звичайними проводами густина струму може бути в 100 разів більшою, що дає змогу створити дуже сильне магнітне поле, а також істотно зменшити масу ротора. Саме тому потужний кріо­генний турбогенератор може мати значно меншу масу і габарити.

Відкриття у 1986 р. високотемпературної надпровід­ності, яка зберігається при температурах порядку 100 К, дасть можливість значно розширити можливості кріоген­ної електроенергетики, зокрема створити потужні генера­тори з винятковими технічними характеристиками. • v Ми вже знаємо, що ЕРС у витку, який обертається в магнітному полі, двічі змінює напрям за один оберт (§ 14). Щоб дістати в зовнішньому колі постійний за на­прямом струм, необхідно з'єднати кінці витка (рамки) з колектором у вигляді двох півкілець, які обертаються на одній осі ОО з рамкою. До цих півкілець притиску­ються нерухомі щітки (мал. 47), за допомогою яких струм відводиться в зовнішню мережу. Двічі за період напрям струму змінюється, але завдяки тому, що при кожному півоберті рамки її кінці, припаяні до півкілець, переходять з однієї щітки на другу» У зовнішньому колі струм тече в один бік — це постійний за напрямом пульсуючий струм (мал. 48). Помітивши, що найбільше значення індукцій­ного струму спостерігається під час проходження рамкою положення, паралельного лініям індукції зовнішнього магнітного поля, можемо вдосконалити нашу конструкцію. Розмістимо дві рамки у взаємно перпендикулярних пло­щинах, а їх кінці виведемо на протилежні пластини чверть-кільцевого колектора (мал. 49). Пульсації струму змен­шаться, а значення сили струму проходити через нуль вже не буде (мал. 50). Можна зробити багатосекційну систему, рамки якої розмістити під малими кутами одна до одної, а кінці вивести на діаметрально протилежні пластини

колектора. В результаті дістанемо постійний струм, графік якого буде майже прямою, паралельною осі часу. Колектор у цьому випадку складатиметься з багатьох ізольованих одна від одної пластин. Такий принцип дії генератора постійного струму.

Основними частинами будь-якого індукційного генера­тора є:

1) індуктор — магніт, що створює магнітне поле,
яке в свою чергу індукує ЕРС і струм;

2) якір — обмотка, в якій індукується ЕРС;

3) колектор із щітками — пристрій, за допомо­
гою якого знімається з обертових частин або подається

до них струм (індукційний чи живлення електромаг­нітів).

Одна й та сама машина постійного струму може працю­вати в режимах генератора і двигуна, тобто вона оборотна, як усі електричні машини.

У режимі генератора машину обертає первинний дви­гун (гідротурбіна, двигун внутрішнього згоряння тощо), головне магнітне поле збуджене, а обмотка якоря через щітки замкнута на навантаження. У цій обмотці індукує­ться ЕРС і виникає струм, який проходить через якір і навантаження. Струм у якорі, взаємодіючи з головним магнітним полем, створює гальмівний момент, який має долати первинний двигун.

У режимі двигуна зовнішнє джерело електроенергії створює електричні струми в колі якоря і збудження машини. Струм якоря, взаємодіючи з головним магнітним полем, утворює обертальний магнітний момент. Під дією цього моменту якір обертається і машина перетворює електричну енергію в механічну.

Двигуни постійного струму широко застосовуються на транспорті. Електрифіковані залізниці, метро, трамваї, тролейбуси працюють на двигунах постійного струму.

Генератор трифазного струму

Поряд з простим синусоїдальним змінним струмом у техніці для одержання, передавання й розподілу електро­енергії широко використовується трифазний струм.

Уявимо собі прямокутну дротяну рамку з кількома витками, яка рівномірно обертається в однорідному маг­нітному полі. ЕРС індукції в цій рамці змінюється за сину­соїдальним законом. Якщо навколо спільної осі обертає­ться не одна, а три однакові рамки, площини яких повер­нуті одна відносно одної на 120° (мал. 51), то ЕРС в них

будуть зміщені за фазою на :

(26.1)

Обмотку кожної з цих рамок можна замкнути на своє на­вантаження (мал. 52), і дістати три синусоїдальні змінні

струми, між якими буде стала різниця фаз. Такі три узго­джені змінні струми називають трифазним струмом. Три­фазна система змінного струму має, як побачимо далі, ряд переваг перед однофазною.

Трифазну систему змінного струму принципово можна дістати від трьох однакових генераторів змінного однофаз­ного струму, ротори яких, знаходячись в одному і тому ж положенні, жорстко зв'язані між собою і не змінюють свого відносного положення під час обертання. Статорні обмотки генераторів повернуті одна відносно одної на 120° у бік обертання ротора, як це показано на малюнку 53 (кінці їх позначені буквами 77 і К). У цих умовах цілком очевидно, що ЕРС другого генератора є? запізнюватиметься у своїх змінах відносно ЕРС першого генератора е\ на 120°,

тобто максимальне значення ЕРС того самого напряму в другому генераторі настане після того, коли всі ротори генераторів повернуться на 120°. ЕРС третього генератора ез також буде запізнюватися відносно ЕРС другого генера­тора на 120°.

Але такий спосіб одержання трифазного струму тех­нічно складний і економічно невигідний. Набагато прості­ше всі три статорні обмотки об'єднати в одному корпусі статора (мал. 54). Такий генератор називають генератором трифазного струму.

Якщо генератор двополюсний, як на малюнку 54, то обмотки фази зсунуті одна відносно одної на одну третину кола статора. Під час обертання ротора його постійне маг­нітне поле перетинає провідники обмоток не одночасно. ЕРС обмотки досягає свого максимального значення,

коли повз неї проходить середина полюса ротора. ЕРС в на­ступній обмотці досягає максимуму пізніше, коли

ротор повернеться на оберту. В двополюсному генераторі

повороту на оберту відповідав періоду індукованої ЕРС. Отже, ЕРС в обмотці відстає за фазою від ЕРС

в обмотці наперіоду. В свою чергу, ЕРС в обмотці

відстає за фазою від ЕРС обмотки наперіоду

і від ЕРС обмотки наперіоду. При такій симетрії

будови генератора максимальні значення цих ЕРС одна-

кові. Конструкція генератора повинна забезпечувати їх синусоїдальність. Рівняння миттєвих значень ЕРС вира­жаються формулами (26.1). Криві миттєвих значень ЕРС показані на малюнку 55; на малюнку 56 подана векторна діаграма для їх діючих значень

Сума цих векторів утворює замкнутий трикутник: — це трифазна симетрична система ЕРС. Алгебраїчна сума миттєвих значень ЕРС ,

що легко перевірити, підставивши вирази цих значень для синусоїдальних функцій часу.

Від послідовності фаз системи залежить, як ми в цьому переконаємося далі, напрям обертання трифазних двигу­нів, тому в трифазних установках вона перевіряється спе­ціальними покажчиками послідовності фаз і позначається забарвленням шин на розподільних пристроях; у нашій країні прийняті такі кольори: фаза А — жовтий; фа­за В — зелений і фаза С — червоний; незаземлена ней-траль — білий, заземлена нейтраль — чорний. Затискачі обмоток генератора розрізняють так: початки А, В, С; кінці АГ, У, Z.