Бесщеточный синхронный генератор: устройство, принцип работы, преимущества и недостатки

Содержание

устройство, принцип работы, преимущества и недостатки

Генераторы — это электрические машины для трансформации механической, тепловой и других типов энергии в электрическую.

Среди всех прочих, наиболее популярны генераторы, преобразующие в электричество энергию вращения. Источников данного вида движения можно назвать множество:

двигатели внутреннего сгорания;
вращающиеся колеса вагона;
льющаяся на лопасти водяной мельницы вода и т.д.

Обычно, в конструкции генераторов используются щеточные узлы для передачи постоянного тока на вращающийся якорь, который выступает в роли постоянного магнита. Щетки, в силу механической конструкции, являются их слабым звеном.

Щеточный узел требует регулярного обслуживания, чистки и замены подверженных износу деталей. Этого недостатка лишены бесщеточные схемы возбуждения.

Устройство

Самыми распространенными, за счет простоты конструкции и практической надежности, являются бесщеточные синхронные генераторы с компаундной системой возбуждения.

Как любая другая электрическая машина, данный генератор состоит из двух ключевых узлов:

вращающийся ротор, с расположенными на нем обмотками возбуждения с выпрямительными диодами;
неподвижный статор, с основной обмотки которого снимается напряжение для питания потребительской нагрузки, а дополнительная обмотка с компенсирующим конденсатором предназначена для усиления магнитного потока. Обмотки статора питаются напрямую от ступенчатого стабилизатора напряжения и, как правило, соединены по схеме «звезда».

При пуске генератора, ток в обмотках ротора индуцируется остаточной намагниченностью железа генератора. За счет кремниевых выпрямительных диодов, ток индуцирует постоянное магнитное поле, которое при вращении приводит к возбуждению ЭДС в статорных обмотках. Замкнутая через компенсирующий конденсатор дополнительная обмотка, усиливает начальную намагниченность и запускает процесс лавинообразного возбуждения генератора, продолжающийся до момента насыщения магнитного потока.

После этого, к генератору можно подключать потребительские устройства и агрегаты.

Чтобы подключение нагрузки не приводило к понижению выдаваемого напряжения, применяется компаундное регулирование. Оно осуществляется за счет того, что обмотки статора располагаются таким образом, чтобы оси их магнитных полей были смещены на 90 градусов. При этом, увеличение тока в цепи нагрузки приводит к повороту магнитного поля ротора в сторону основной обмотки и, следовательно, увеличению индуцируемой в ней ЭДС. Выходное напряжение стабилизируется.

Преимущества и недостатки

По сравнению с обычными генераторами бесщёточный имеет ряд преимуществ:

Нет угольной пыли, являющейся причиной электрических пробоев.
Нет необходимости в замене изношенных щеток и проточке коллектора якоря.

Меньшее количество механических конструкций даёт более высокую надежность при минимальных трудозатратах на обслуживание.
На работу бесщёточного синхронного генератора не влияют окружающие климатические условия, его применение экономически целесообразно.
Бесщёточные генераторы просты по конструкции и недороги.

К недостаткам можно отнести то, что данные генераторы могут быть только однофазными и имеют невысокий КПД, что, впрочем, устранимо путем применения системы независимого возбуждения с электронными регуляторами.

Бесщёточный синхронный генератор в настоящее время активно используется в бензиновых электростанциях, в речных и морских судах — везде, где их применение оправдано требованиями повышенной надёжности и долгого срока эксплуатации.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад, если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Всего доброго.

Добавить отзыв

Инструкция и схема запуска синхронного генератора

Возбуждение генераторов осуществляется небольшим по размерам возбудителем переменного тока, состоящим из трёхфазной обмотки, расположенной на роторе генератора и электромагнитных полюсов, находящихся на статоре рядом со статорной обмоткой основной машины. Обмотка возбуждения возбудителя питается постоянным током от автоматического регулятора напряжения. Трёхфазный переменный ток, генерируемый в роторной обмотке, выпрямляется трёхфазным выпрямителем, расположенным на роторной обмотке возбудителя и поступает на роторную обмотку возбуждения генератора. Выпрямительное устройство бесщёточного генератора состоит из кремниевых диодов, соединённых по трёхфазной мостовой схеме, регулируемого балластного резистора и сглаживающего конденсатора.

Бесщёточный синхронный генератор (рис. 1.1) состоит из следующих компонентов, где:

G — статорная обмотка, выходная;
FG — роторная обмотка возбуждения генератора;
Si — блок вращающихся кремниевых выпрямителей;
E — роторная обмотка возбудителя, выходная;
FE — статорная обмотка возбуждения;
EVA — внешний реостат задающего напряжения; иногда отсутствует
AVR — автоматический регулятор напряжения (АРН).
Статорная обмотка синхронного генератора уложена в пазы железа статора и представляет собой три обмотки, соединенные звездой.

Конструктивно бесщёточный синхронный генератор объединён с возбудителем переменного тока и вращающимся выпрямительным устройством в один агрегат. Отличительной особенностью бесщёточного синхронного генератора является отсутствие контактных колец и щёток.

Возбудитель представляет собой обращённый трёхфазный синхронный генератор, у которого обмотка возбуждения является неподвижной и питается непосредственно от автоматического регулятора напряжения. В некоторых рассматриваемых далее системах возбуждения и регулирования напряжения генераторов обмотка возбуждения возбудителя состоит из двух частей: основной и управляемой от автоматического регулятора напряжения, что обеспечивает более надёжное начальное возбуждение. Трёхфазная роторная обмотка возбудителя, соединённая звездой подключена к роторной обмотке генератора через трёхфазный блок вращающихся кремниевых выпрямителей, который находится между этими двумя обмотками, ближе к возбудителю, на специально смонтированном изоляционном кольце.

Кольцо и вентили вращаются вместе с роторами генератора и возбудителя и размещёны на общем валу.

Трёхфазный переменный ток, генерируемый при вращении в роторной обмотке возбудителя, выпрямляется трёхфазным кремниевым выпрямителем, расположенным на роторной обмотке возбудителя, и постоянное напряжение поступает на роторную обмотку генератора. Расположение вращающихся выпрямителей на роторной обмотке возбудителя удобно как для воздушного охлаждения, так и проведения обслуживания и ремонтных работ при проверке и замене вентилей.
В дополнение к кремниевому выпрямителю параллельно выходному напряжению подключается сглаживающий конденсатор и разрядный резистор для предотвращения обмотки возбуждения и конденсатора от пробоя.
Таким образом, возбудитель совместно с автоматическим регулятором напряжения позволяет поддерживать напряжение генератора с заданным отклонением при малых и больших нагрузках и обеспечивает защиту от короткого замыкания.
В результате совместных усилий обмоток статора генератора и возбудителя создаётся результирующая магнитодвижущая сила а, следовательно, и поток возбуждения, обеспечивая реакцию ротора и падение напряжения в обмотке статора генератора во всех режимах работы – от холостого хода до номинальной нагрузки.

Возбудитель переменного тока представляет собой обращённый синхронный генератор роторного типа. Ротор установлен на том же валу, что и ротор генератора и представляет собой трехфазную обмотку переменного тока. Нагрузкой возбудителя является обмотка возбуждения статора, поэтому необходим возбудитель переменного тока высокой частоты: чем выше частота, тем больше возбуждение. Однако высокая частота стремится увеличить потери в железе. Так как увеличение числа полюсов пропорционально увеличению частоты, то частота особенно ограничивается при использовании на низкой частоте вращения с точки зрения экономичности конструкции. В основном, для возбудителя переменного тока принята частота 50-60 Гц.
При эксплуатации нельзя допускать падение частоты вращения генератора ниже 50 Гц при полной нагрузке, так как возрастает ток на возбудителе генератора, что в свою очередь может привести к выходу из строя автоматического регулятора напряжения, пробою блока вращающихся кремниевых выпрямителей или самого возбудителя.

Диагностика бесколлекторного синхронного генератора с помощью численного моделирования

Чтобы прочитать полную версию этого контента, выберите один из вариантов ниже:

Мехди Рахнама (Школа электротехники, Иранский университет науки и технологий, Тегеран, Иран)

Аболфазл Вахеди (Кафедра электротехники, Иранский университет науки и технологий, Тегеран, Иран)

Арта Мохаммад-Алихани (Школа электротехники, Иранский университет науки и технологий, Тегеран, Иран)

Нуреддин Такорабет (GREEN-ENSEM, Universite de Lorraine ENSEM, Vandoeuvre-les-Nancy, France)

COMPEL — международный журнал по вычислениям и математике в электротехнике и электронной технике.

ISSN : 0332-1649

Дата публикации статьи: 27 ноября 2020 г.

Дата публикации выпуска: 15 декабря 2020 г.

Загрузки

Аннотация

Назначение

Своевременная диагностика неисправностей в электрических машинах является критически важной задачей, поскольку она может предотвратить развитие неисправности, а также сократить время и стоимость ремонта. В бесщеточных синхронных генераторах значение диагностики неисправностей еще больше, поскольку они широко используются для выработки электроэнергии по всему миру. Таким образом, это исследование направлено на то, чтобы предложить подход к обнаружению неисправностей для бесщеточного синхронного генератора. В этом подходе разработано новое расширение метода выбора элементов рельефа.

Дизайн/методология/подход

В этой статье, используя преимущества метода конечных элементов (МКЭ), моделируется бесщеточная синхронная машина для оценки производительности машины в двух условиях. Эти условия включают в себя нормальное состояние машины и обрыв одного диода вращающегося выпрямителя. Следовательно, в этих ситуациях достигается гармоническое поведение напряжения на клеммах машины. Затем гармонические компоненты ранжируются с использованием расширения Relief для выделения наиболее подходящих компонентов для обнаружения неисправности. Поэтому предлагается подход к обнаружению неисправностей, основанный на ранжированных гармонических компонентах и классификаторе опорных векторов.

Результаты

Предлагаемый подход к диагностике проверяется с помощью экспериментального теста. Результаты показывают, что при таком подходе обрыв цепи диодного выпрямителя может быть эффективно обнаружен с точностью 98,5 % и использованием пяти гармонических составляющих напряжения на клеммах [1].

Оригинальность/значение

В этой статье предлагается новый метод выбора признаков для выбора наиболее эффективных компонентов БПФ, основанный на расширении метода рельефа, а кроме того, МКЭ-моделирование бесщеточного синхронного генератора для нормального состояния и однодиодного разомкнутого контура. вина.

Ключевые слова

Электрическая машина
Метод конечных элементов
Машины опорных векторов
Обнаружение неисправности
Бесщеточный синхронный генератор
Выбор функции

Цитата

Рахнама, М., Вахеди, А., Мохаммад-Алихани, А. и Такорабет, Н. (2020), «Диагностика бесщеточного синхронного генератора с использованием численного моделирования», COMPEL — Международный журнал вычислений и математики в электротехнике и электронике машиностроение , том. 39 № 5, стр. 1241-1254. https://doi.org/10.1108/COMPEL-01-2020-0018

Издатель

Изумруд Паблишинг Лимитед

Models of Brushless Synchronous Generator for Studying Autonomous Electrical Power System

Details
Format: Book
First Published: 06 Jul 2020
Languages: English
Pages: 161
Иллюстрация: 75
Copyright
: ©

Формат
PDF
ISBN: 978-83-957713-4-7
First Published: 03 Jun 2020
E-Pub
ISBN: 978-83-957713-8-5
First Published: 03 июня 2020
в мягкой обложке
ISBN: 978-83-957713-3-0
Первая опубликованная книжная ключевая слова: Синхринг


Synchron

Systemsing

Systemons

: Synchron

. 0079: Инженерное дело, Электротехника, Основы электротехники, Промышленная химия, Сбор и преобразование энергии, Материаловедение, Моделирование и моделирование

Это докторская диссертация. Работа, представленная в этой монографии, была выполнена на кафедре силовой электроники и электрических машин факультета электротехники и управления Гданьского технологического университета. Разработанные в ходе исследований модели бесколлекторного синхронного генератора проверены с помощью моделирования на основе МКЭ и измерений, проведенных на генераторе-прототипе. Основное внимание в исследованиях было уделено бесщеточному синхронному генератору в современных более электрических авиационных системах с переменной частотой. Был разработан прототип генератора и проанализированы его характеристики с акцентом на более высокую скорость вращения компонентов прототипа и качество вырабатываемой электроэнергии. Для этого были разработаны модели генератора на основе FEM и схемы, а также были измерены и смоделированы характеристики машины. Предложенная модель цепи позволила учесть несинусоидальное пространственное распределение магнитного потока вдоль воздушного зазора, что, в свою очередь, позволило провести анализ качества электроэнергии на основе моделирования.

Аннотация и индексация

Модели бесщеточного шроронного генератора для изучения автономной электроэнергетической системы охватываются следующими услугами:

Baidu Scholar
Google Books
Google Scholar
Google
Google Scholar
ECA
Google Scholar
ECA (Sipe Books
. Primo Central (ExLibris)
ReadCube
Semantic Scholar
Summon (ProQuest)
TDOne (TDNet)
WorldCat (OCLC)

Филип Кутт Доктор философии: Гданьский технологический университет, факультет электротехники и систем управления, кафедра силовой электроники и электрических машин, Польша.