7.2.2.3. Багатополюсні генератори.

В теперішній час на теплових електростанціях застосовуються головним чином двополюсні турбогенератори із швидкістю обертання n = 3000 об./хв. При двополюсному роторі один повний цикл синусоїдальної ЕРС відповідає одному оберту ротора. Якщо швидкість обертання ротора n₂ = 3000 об./хв., то частота

Прагнення до використання швидкохідних машин, працюючих з граничною швидкістю n = 3000 об./хв., пояснюється тим, що із збільшенням швидкості меншають вага і вартість турбогенератора. Що стосується гідравлічних турбін і пов’язаних з ними генераторів, то швидкість їх обертання в основному визначається висотою натиску води і звичайно коливається в діапазоні від 50 об./хв. для низьконапірних електростанцій до 750 об./хв. для високонапірних електростанцій.

Д ля отримання змінного струму стандартної частоти тихохідні генератори виконують багатополюсними. Котушки електромагнітів ротора сполучаються між собою так, що північні і південні полюси чергуються (рис. 7.21).

Повороту ротора на кут, рівний , відповідає один повний період синусоїдальної ЕРС, що наводиться в статорі. Якщо машина, що має р пар полюсів, здійснює п₂ оборотів за хвилину, то частота .

Трифазна обмотка статора генератора змінного струму виконується аналогічно статорній обмотці асинхронного двигуна. Число пар полюсів статора завжди дорівнює числу пар полюсів ротора.

Три синусоїдальні ЕРС, що індукуються в обмотці статора, рівні по величині і взаємно зсунуті по фазі на третину періоду. Якщо до клем генератора приєднане симетричне трифазне навантаження, то по обмотці статора протікають три синусоїдальних струми однакової величини, також зсунутих по фазі відносно один одного на третину періоду. Струм кожної фази створює змінний магнітний потік, вісь якого співпадає з віссю обмотки цієї фази. Магнітні лінії змінних потоків трьох фаз утворять (як і в асинхронній машині) магнітне поле, що обертається з швидкістю .

Підставивши сюди значення f з попереднього виразу, отримуємо n₁ = n₂. Ротор і магнітне поле статора обертаються з однаковою швидкістю, тобто синхронно. Це ще раз доводить принцип синхронності обертання валу машини і магнітного поля. В синхронних машинах .

7.2.3. Робочий процес синхронного генератора

7.2.3.1. Холостий хід.

При холостому ході, коли обмотка якоря розімкнена (рис. 7.22), магнітне поле машини створюється тільки обмоткою збудження. Оскільки ЕРС Е, що наводиться в обмотці якоря, змінюється у часі за законом синуса, то потік збудження Ф_зб і індуковану ним ЕРС Е можна зображати за допомогою векторів. Діюче значення фазної ЕРС визначається за формулою

де w – число витків однієї фази обмотки статора;

с – коефіцієнт, постійний для даної машини.

П ри постійній швидкості обертання ротора і відсутності навантаження, тобто при режимі холостого ходу, ЕРС генератора залежить тільки від магнітного потоку Ф_зб, а отже, тільки від струму збудження І_зб. Змінюючи напругу U_зб на клемах обмотки збудження, можна змінювати струм збудження і тим самим регулювати магнітний потік Ф_зб і ЕРС Е генератора. На рис. 7.23 представлена залежність ЕРС генератора від струму збудження Е(І_зб) при номінальній швидкості обертання n = n_н. Ця залежність називається характеристикою холостого ходу. Форма характеристики, що нагадує форму кривої намагнічу­вання, обумовлена явищем насичення магнітної системи (відсутністю пропорціональності між магнітним потоком Ф_зб і струмом збудження І_зб). Е₀ – називається залишковою ЕРС, яка зумовлена залишковою магнітною індукцією ротора.

Надалі для простоти будемо розглядати процеси, що відбуваються в двополюсних синхронних машинах з циліндричним ротором¹ і ненасиченою магнітною системою, тобто будемо вважати, що Е пропорційна струму збудження машини.