🔌 Электротехника

Синхронный генератор

англ. Synchronous generator

Генератор, у которого ротор крутится ровно со скоростью магнитного поля статора: частота жёстко привязана к оборотам, $f = pn/60$; вся промышленная генерация — синхронные машины.

На электростанции турбина вращает ротор с обмоткой возбуждения, питаемой постоянным током, — его поле, пробегая мимо неподвижной обмотки статора, наводит в ней ЭДС. Синхронный генератор — машина переменного тока, у которой ротор крутится ровно со скоростью магнитного поля статора, без скольжения: частоту сети задаёт механика вала, а не электроника. Частота жёстко связана со скоростью вращения: $f = p n /60$ , где $p$ — число пар полюсов. Турбогенератор с одной парой полюсов даёт $50$ Гц при $3000$ об/мин, с двумя парами — при $1500$ , а тихоходный гидрогенератор с двадцатью четырьмя полюсами — при $250$ об/мин: чем медленнее вал, тем больше полюсов. Три обмотки статора, сдвинутые на $12 0^{\circ}$ , образуют трёхфазную систему ЭДС — стандарт, на котором стоит вся энергетика.

Вся промышленная генерация — синхронные машины: ТЭС и АЭС дают быстроходные турбогенераторы на $3000$ об/мин, ГЭС — многополюсные тихоходы. Работать приходится на сеть фиксированной частоты, поэтому перед включением генератор синхронизируют: выравнивают порядок чередования фаз, частоту и напряжение с сетью и лишь затем замыкают выключатель — иначе ударный ток бьёт по обмоткам и валу. Перегрузка опасна выпадением из синхронизма: обороты уходят от поля, машина перестаёт держать сеть. Частая ошибка — приписать синхронной машине скольжение асинхронного двигателя: у того скольжение — рабочая необходимость, у синхронного его нет по определению, момент существует только на синхронной скорости. Схемы соединения обмоток и включение на нагрузку — в уроке трёхфазные цепи.

f = \frac{p n}{60}, E = 4, 44 f w k_{об} Φ

частота и фазная ЭДС синхронного генератора; одна пара полюсов при

n = 3000

об/мин:

f = 3000/60 = 50

Гц; при

f = 50

Гц,

w = 100

витков,

k_{об} = 0, 95

и потоке

Φ = 0, 02

Вб:

E = 4, 44 \cdot 50 \cdot 100 \cdot 0, 95 \cdot 0, 02 \approx 422

В на фазу

Частые вопросы

Чем синхронный генератор отличается от асинхронного?

Скоростью ротора: у синхронной машины она равна скорости поля — обороты жёстко задают частоту, и момент передаётся только на синхронной скорости. Асинхронная машина работает со скольжением: ротор отстаёт от поля, и без этого отставания момента нет. Отсюда разные роли: генерируют синхронные машины — частота должна быть точной, асинхронные в основном потребляют как двигатели. У синхронного генератора обмотка ротора питается постоянным током от возбудителя, у асинхронного ротор короткозамкнут.

Что значит синхронизировать генератор с сетью?

Перед подключением к работающей сети выравнивают порядок чередования фаз, частоту и напряжение. Если замкнуть рубильник при расхождении фаз, разность напряжений между генератором и сетью создаст ударный ток, способный повредить обмотки. На практике частоту генератора держат чуть выше сетевой, ловят момент совпадения фаз и включают выключатель при минимальной разности. После включения машина сама втягивается в синхронизм, а отдаваемую мощность регулируют подачей пара или воды на турбину.