ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР (просто генератор), служит для преобразования механической энергии в электрическую. Основное применение - получение электрической энергии. Э.г. устанавливают на электрических станциях, стационарных и передвижных. По роду тока генераторы разделяют на генераторы постоянного и генераторы переменного тока. Генераторы переменного тока делят на синхронные и асинхронные. Генератор и приводящий его во вращение механический (первичный) двигатель называют агрегатом. Всякий генератор снабжается заводским щитком, на к-ром указывается завод-изготовитель, тип и заводской номер генератора, мощность, напряжение, сила тока и скорость вращения, частота и коэф-т мощности cos φ (в случае генератора переменного тока). Если на щитке нет дополнительных указаний, то все перечисленные технические данные, называемые номинальными, относятся к продолжительному режиму работы генератора. Генераторы постоянного тока, перестав играть роль основных источников тока, имеют применение для отдельных случаев, когда имеется потребность в постоянном токе: электрохимическая пром-сть, электролитическое производство, для питания электродвигателей станков, требующих регулирования скорости вращения, генераторы для прокатных установок, для установок проводной и радиосвязи, на авто- и авиатранспорте. В электрификации с. х-ва генераторы постоянного тока применяются в качестве возбудителей к синхронным генераторам, для зарядки аккумуляторов, для электрической сварки. В редких случаях они используются в качестве источников тока на электростанциях малой мощности.

Генераторы переменного тока изготовляют почти исключительно в виде синхронных машин. На электрических станциях, в с. х-ве устанавливают трёхфазные синхронные генераторы. Прототипом синхронных генераторов служит генератор переменного тока, созданный в 1878 П. Н. Яблочковым. Первый синхронный генератор именно трёхфазного тока создан в 1891 М. О. Доливо-Добровольским. Огромное значение на 1-м этапе развития теории и конструкции электрических машин имели также работы русских учёных Э. X. Ленца, Б. С. Якоби, А. Г. Столетова и др.

Практически единственно применяемым типом генератора постоянного тока является коллекторный. Коллекторный генератор постоянного тока представляет собой машину, в якоре к-рой фактически получается переменная электродвижущая сила (ЭДС), выпрямляемая с помощью спец. приспособления - коллектора. На валу машины укрепляется цилиндр из листовой стали; на внешней поверхности цилиндра сделаны пазы, в к-рые укладывают обмотку, соединённую с коллектором (рис. 1). Неподвижная часть состоит из станины и магнитных полюсов с расположенной на них обмоткой возбуждения.

Рис. 1. Якорь с шаблонной обмоткой, состоящей из нормальных шаблонных катушек, соединённых с коллектором

В машинах постоянного тока вращающаяся часть обычно называется якорем, неподвижная - полюсами. Для соединения якоря генератора с внешней цепью на коллекторе установлены щётки, укрепляемые в щёткодержателях. При вращении якоря посторонним двигателем с постоянной скоростью и при наличии возбуждения на щётках коллектора возникает практически неизменное во времени напряжение. Обмотка возбуждения чаще всего присоединена к зажимам якоря параллельно (рис. 2, а). Такой генератор носит название генератора параллельного возбуждения (шунтовой). Ток возбуждения по отношению к номинальной силе тока якоря генератора составляет 1 - 5%. В цепь обмотки возбуждения включается соответствующее сопротивление - регулировочный реостат. Регулируя посредством реостата силу тока в обмотке возбуждения, получают при различных условиях работы желательное напряжение генератора, в т. ч. и номинальное. Генератор параллельного возбуждения среди генераторов постоянного тока является наиболее распространённым, т. к. не требует особого источника для возбуждения и даёт в пределах нормальной нагрузки достаточно устойчивое напряжение. В тех случаях, когда желательна ещё большая стабилизация напряжения и в более широких пределах изменение нагрузки, и применяется генератор смешанного возбуждения, имеющий дополнительную (вторую) обмотку возбуждения, включаемую последовательно с обмоткой якоря. В отдельных случаях применяется независимое возбуждение (рис. 2, б) от постороннего источника постоянного тока (в генераторах весьма низкого напряжения 4 - 12 в, высокого напряжения св. 500 в и т. п.).

Рис. 2. Схема генератора: а - параллельного возбуждения; б - независимого возбуждения

При работе коллекторной машины постоянного тока появляется искрение щёток. Причинами искрения чаще всего бывает неровная поверхность коллектора, качание щёток в щёткодержателях, плохая пришлифовка щёток, неправильная установка щёток (не по образующей коллектора, относительно друг друга или полюсов машины), неправильный нажим щёток, ненадлежащий сорт щёток, вибрация машины. Контакт щёток оказывает влияние также на самовозбуждение генератора постоянного тока. На практике, в особенности в небольших генераторах, вследствие загрязнения коллектора или выступания слюдяных прослоек коллекторных пластин, начальное сопротивление контакта щёток может достичь такой величины, что генератор не возбудится. Обыкновенно в этих случаях для получения самовозбуждения достаточно бывает кратковременного нажима щёток вручную.

Генераторы постоянного тока, выпускаемые советскими электромашиностроительными заводами, разделяются на 2 группы: нормального исполнения и специального (прокатные, высоковольтные, низковольтные, сварочные, зарядные и т. п.). Генераторы нормального исполнения средней и малой мощности охвачены сериями ПН и МП. Номинальная мощность генераторов серии ПН от 0,37 до 130 квт в защищённом исполнении, серии МП от 3,8 до 66 квт (предназначена для непосредственного соединения с поршневыми тихоходными двигателями). Напряжение генераторов общего применения, согласно ГОСТ 721 - 41, 115, 230 и 460 в (последнее не для всех типов). Машина постоянного тока, выпускаемая заводом-изготовителем для работы в качестве генератора, м. б. применена и в качестве двигателя. Это основано на свойстве, называемом обратимостью электрических машин. Если допустить в якоре ту же силу тока, то мощность, снимаемая с вала, будет несколько меньшей, приблизительно на 8 - 10%. Скорость вращения машины при этом будет приблизительно на 15% меньше скорости вращения её в качестве генератора.

Рис. 3. Статор трёхфазной синхронной машины

Синхронный генератор состоит из неподвижной части, на к-рой обычно расположена обмотка переменного тока, и вращающейся части с обмоткой возбуждения. Неподвижную часть в машинах переменного тока принято называть статором (рис. 3), вращающуюся - ротором. В синхронных машинах обмотка возбуждения питается постоянным током. Источником постоянного тока обычно служит генератор постоянного тока параллельного возбуждения. Такой генератор носит название возбудителя. Чаще всего возбудитель или расположен на одном валу с синхронным генератором, или соединён с ним эластичной муфтой, будучи установлен на общей фундаментной плите. В нек-рых конструкциях возбудитель приводится во вращение при помощи клиноремённой передачи. Мощность возбудителя составляет 1 - 6% номинальной мощности синхронного генератора, напряжение не превышает 110 - 120 в. Постоянный ток от возбудителя подводится к обмотке возбуждения синхронного генератора с помощью контактных колец, сидящих на валу ротора и наложенных на кольца щёток. Регулирование напряжения синхронного генератора осуществляют реостатом, называемым регулировочным и установленным в цепи возбуждения возбудителя (рис. 4). Изменение напряжения на зажимах возбудителя влечёт за собой изменение тока возбуждения синхронного генератора и позволяет менять его напряжение. Частота переменного тока в синхронном генераторе находится в строгой зависимости от числа полюсов генератора и скорости вращения (числа оборотов в минуту). При частоте переменного тока f=50 периодам в секунду, принятой за стандартную в СССР и Западной Европе, число оборотов ротора n_с, называемое синхронным, в зависимости от числа полюсов 2р имеет след. значения

Число оборотов ротора в зависимости от числа полюсов

Под номинальной мощностью трехфазного синхронного генератора следует понимать так наз. кажущуюся мощность, равную произведению множителя 1,73 на номинальное линейное напряжение и номинальный линейный ток генератора. Обычно это произведение делится на 1000 и показывает кажущуюся мощность в киловольтампе-рах (ква). Для синхронного генератора отдаваемая им мощность в ква не вполне определяет его допустимую активную нагрузку. Необходимо указывать также коэф-т мощности (cos φ) нагрузки. За номинальное значение cos φ синхронного генератора принят cos φ=0,8 (при отстающем токе). Тогда активная мощность синхронного генератора при номинальной нагрузке определится произведением ква на соответствующий коэф-т мощности и будет выражена в киловаттах (квм).

В зависимости от рода первичного двигателя, к-рым вращается синхронный генератор, различают: турбогенераторы, гидрогенераторы, дизельгенераторы. Первичные двигатели соответственно - паровая турбина, водяная турбина, дизель. Турбогенератор - быстроходная машина, изготовляется обычно с двумя или четырьмя полюсами. Гидрогенераторы и дизельгенераторы - тихоходные машины, изготовляются многополюсными, от шести полюсов и выше. Широкий диапазон скоростей вращения гидрогенераторов (от 50 до 750 об/мин.) связан с большим разнообразием напоров и расходов воды, встречающихся на гидростанциях. Ротор турбогенератора делается из сплошной стальной поковки цилиндрической формы. Для размещения обмотки постоянного тока в нём профрезовываются пазы. Отдельные полюсы обмотки возбуждения не выступают на поверхности ротора. Такой ротор, как и весь генератор в целом, называется неявно-полюсным. Тихоходные синхронные генераторы, имеющие большое число полюсов, носят название явно-полюсных, т. к. отдельные полюсы ясно выступают (рис. 5).

Рис. 4. Схема синхронного генератора: 1 - синхронный генератор; 2 - возбудитель; 3 - контактные кольца и щётки; 4 - регулировочный реостат

Синхронные генераторы разделяются на неск. групп: 1) Явно-полюсные генераторы небольшой мощности серий СГ и С - мощностью 15 - 60 ква. Предназначаются для работы на стационарных или передвижных электростанциях местного значения, в частности сельскохозяйственных. По роду исполнения генераторы - защищённые, не предназначены для работы в помещениях, насыщённых парами. 2) Явно-полюсные генераторы средней и большой мощности. Сюда отнесены генераторы мощностью от 100 до неск. тысяч ква, напр. серии М-С320 и ГС. Эти генераторы применяются, гл. обр., в сопряжении с гидротурбинами и двигателями внутреннего сгорания (чаще всего дизелями). Генераторы, соединяемые с первичными двигателями поршневого типа, нуждаются в маховике, назначение к-рого состоит в сглаживании неравномерности хода первичного двигателя. Для генераторов, сопрягаемых с гидротурбинами, нек-рое повышение момента инерции необходимо в тех случаях, когда требуется замедление разгона при разгрузке агрегата. Для удовлетворения этим требованиям внутри серии МС предусмотрены конструкции с усиленными маховыми массами. Для электрификации с. х-ва выпускаются так наз. уральские серии гидрогенераторов ВГС. Это вертикальные гидрогенераторы мощностью от 200 до 4000 ква, скоростью вращения от 100 до 300 об/мин., предназначенные для непосредственного присоединения к гидротурбинам (рис. 6). Разработкой уральских серий успешно решена задача создания экономичной, простой и надёжной конструкции гидрогенераторов мелкосерийного производства. С эксплуатационной стороны по сравнению с другими, ранее выпущенными сериями вертикальных генераторов, генераторы серий ВГС удобнее для обслуживания, требуют меньшей кубатуры помещения станции и одновременно упрощают конструкцию подгенераторного фундамента. Вертикальные гидрогенераторы снабжаются тормозами, назначение к-рых сокращать период остановки агрегата. Торможение гидрогенераторов должно производиться примерно с ¹/₃ номинального числа оборотов и осуществляется в первых трёх сериях ВГС тормозным домкратом, а в четвёртой - ручным винтовым тормозом. 3) Крупное генераторостроение. Первый турбогенератор на 100000 квм, при 3000 об/мин., при воздушном охлаждении, был построен в СССР в 1937. След. этапом развития турбо-генераторостроения явилась постройка турбогенератора мощностью 100000 ква, при 3000 об/мин. с водородным охлаждением (1946). В 1952 был изготовлен уникальный турбогенератор с водородным охлаждением мощностью 150000 квт, 3000 об/мин. В СССР работают рекордный по своим параметрам гидрогенератор мощностью 68750 ква и величайший в мире гидрогенератор мощностью 103500 ква, при 83,83 об/мин. Ещё более мощные гидрогенераторы устанавливаются на Куйбышевской и Сталинградской ГЭС.

Рис. 5. Ротор гидрогенератора

Эксплуатационные свойства синхронных генераторов м. б. улучшены компаундированием схемы возбуждения. Благодаря компаундированию осуществляется стабилизация напряжения при нагрузке, создаются благоприятные условия для пуска относительно больших по мощности асинхронных короткозамкнутых двигателей.

В электрификации с. х-ва компаундирование находит широкое применение. В том случае, когда синхронный генератор имеет машинный возбудитель, оно осуществляется путём дооборудования генератора особым компаундирующим устройством. На сельских электростанциях применяются также синхронные генераторы, не имеющие машинного возбудителя, возбуждаемые с помощью твёрдых выпрямителей (при мощности генераторов, не превышающей 75 ква). Такие генераторы, как правило, являются компаундированными.

Рис. 6. Внешний вид гидрогенераторов

В последние годы начато серийное производство синхронных генераторов с возбуждением с помощью механического выпрямителя (системы инж. С. Г. Та-манцева) мощностью 4 - 30 ква (изготовляются Ереванским электротехническим заводом и др. заводами). Эти генераторы используются, гл., обр. для передвижных электростанций, применяемых совхозами, колхозами, геологоразведочными партиями.

Асинхронный генератор может работать лишь при получении им намагничивающей мощности, потребной для возбуждения магнитного поля. Возможные схемы работы: а) параллельная (совместная) работа с синхронным генератором на общего потребителя. Условия работы синхронного генератора при этом значительно ухудшаются из-за перегрузки реактивным током. Обычно такая схема оказывается мало рациональной; находит применение в отдельных случаях, когда асинхронные генераторы используются как вспомогательный источник электроэнергии - автоматические гидроэлектростанции и ветроэлектрические станции небольшой мощности, работающие параллельно с мощной сетью; б) самостоятельная работа на сеть при возбуждении асинхронного генератора от статических конденсаторов, приключаемых параллельно к зажимам статора. В отдельных случаях находит применение как малая электростанция с наиболее простым, недорогим, надёжным и легко обслуживаемым генератором (передвижные электростанции мощностью до 5 квт для освещения полевых станов, ж.-д. станций, маяков и т. п.). При увеличении мощности, а также при двигательной нагрузке из-за увеличения потребной мощности конденсаторов установка делается громоздкой и дорогой, и использование асинхронного генератора становится нецелесообразным. Описание устройства асинхронной машины см. Электрический двигатель.

В. Андрианов

Литература: Евреинов М., Применение электричества в сельском хозяйстве, 2 изд., М., 1948 (см. ч. II, гл. 3 - 4); Златковский А., Рациональная эксплуатация электрического оборудования МТС, журн. "МТС", М., 1951, №7, стр. 39 - 44; его же, Электрооборудование сельских электрических установок, М., 1953, стр. 35 - 71; Иванов А., Асинхронные генераторы для гидроэлектрических станций небольшой мощности, М.-Л., 1948; Нейман З. и Костин К., Гидрогенераторы для сельской электрификации, "Электричество", [М.], 1950, №7, стр. 16 - 23; Сазонов Н., Руководство для сельского электромонтера, 2 изд., М., 1953; Справочник по электрификации сельского хозяйства. Сост. Н. А. Сазонов и И. М. Шидарев, М., 1949 (см. раздел II, гл. 6, 8, раздел V, гл. 1 - 3); Таманцев С., Синхронный генератор с самовозбуждением от механического выпрямителя и автоматическим регулированием напряжения, "Электричество", [М.], 1952, № 3, стр. 3 - 7; Юдицкий С., Синхронные машины с полупроводниковыми выпрямителями, 2 изд., М.-Л., 1954.

Источники:

1. Сельскохозяйственная энциклопедия. Т. 5 (Т - Я)/ Ред. коллегия: П. П. Лобанов (глав ред) [и др.]. Издание третье, переработанное - М., Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, М. 1956, с. 663