Получение переменного тока

Для получения переменного тока промышленной частоты (50 Гц) на электростанциях установлены электромашинные син­хронные генераторы переменного тока. В этих машинах, как и в генераторах постоянного тока, используется явление электромаг­нитной индукции. Посредством генератора переменного тока ме­аническая энергия, сообщаемая первичным двигателем (паро­вой или гидравлической турбиной), преобразуется в электриче­скую энергию переменного тока.

Рисунок 1. Схема устройства генератора переменного тока.

Синхронный генератор (рис. 1) состоит из неподвижной ча­сти 1 — статора  и вращающейся части 2 — ротора .

Статор собирается из листовой электротехнической стали. Он имеет форму полого цилиндра. В пазах (каналообразных впадинах), сделанных вдоль внутренней поверхности статора, уложены изолированные проводники, соединенные между собой и образующие обмотку переменного тока статора.

Ротор представляет собой электромагнит, возбуждаемый по­стоянным током. Этот ток возбуждения подается в обмотку рото­ра через медные кольца, укрепленные на валу ротора. По коль­цам скользят неподвижные щетки, соединенные проводами с возбудителем — небольшим генератором по­стоянного тока.

Конструкция ротора зависит от рабочей скорости вращения, на которую рассчитан генератор.

Для быстроходных генераторов, вращаемых паровыми турбинами (турбогенераторы), роторы из­готавливаются неявнополюсными. Для тихоходных генераторов, вращаемых гидравлическими турбинами (гидроге­нераторы), роторы изготовляются явнополюсными (рис.2).

Простейший по устройству неявнополюсный ротор (3000 и 1500 об./мин) представляет собой массивную стальную поковку, в радиальных пазах которой укрепляются металлическими клиньями проводники обмотки возбуждения.

Рисунок 2. Схема явнополюсного ротора.

Магнитный поток ротора проходит через тело ротора, два воздушных промежутка между статором и ротором и сердечник статора (см. рис. 1). При вращении ротора этот магнитный по­ток Ф пересекает проводники статора и индуктирует в них пере­менную ЭДС. Так как магнитный поток в воздушном зазоре на­правлен перпендикулярно к проводникам обмотки статора, та, согласно закону электромагнитной индукции, в каждом из этих проводников при вращении потока индуктируется ЭДС.

е = BLV:

• где B — магнитная индукция в пазе, где находится данный про­водник;
• L — активная длина проводника, т. е. длина той части про­водника, которая находится в магнитном поле;
• V— окружная скорость, т. е. скорость движения магнитного потока по отношению к проводнику.

В большинстве случаев окружная скорость генератора поддер­живается постоянной (v = const), и так как длина L тоже постоян­на, то изменение ЭДС е при вращении ротора вызывается толь­ко изменениями магнитной индукцииB вдоль окружности рото­ра. Если эта индукция распределена вдоль окружности ротора синусоидально (В = В_m sin а), то ЭДС изменяется во времени тоже синусоидально (е = Е_m sin wt). Это обстоятельство исполь­зуется при построении генераторов переменного тока для того, чтобы получать от них синусоидальное напряжение.

Одному обороту двухполюсного ротора соответствует один период переменной ЭДЕ, индуктируемой в проводниках обмот­ки статора. Если же статор имеет р пар полюсов, то поворот ро­тора на угол, занимаемый одной парой полюсов, обуславливает один период изменения ЭДС. В этом случае одному обороту ротора соответствует р периодов переменной ЭДС. Ротор делает n оборотов в минуту; следовательно, в минуту переменная ЭДС генератора будет иметь p • n периодов. Число периодов в секунду генератора переменного тока, т. е. частота его переменной ЭДЕ, будет в 60 раз меньше:

• f=pn/60.

Но генератор должен давать переменный ток стандартной часто­ты f = 50 Гц. При этом условии p• n = 3000.

Таким образом, максимальная скорость, которую может иметь генератор переменного тока промышленной частоты, соответ­ствует одной паре полюсовp= 1. При этой скоростиn= 3000 об./мин работают вышеупомянутые турбогенераторы. Вы­годно строить машины с наибольшей допустимой скоростью, так как при одной и той же мощности быстроходные машины меньше весят и имеют меньшие габариты.

Скорость гидрогенератора определяется скоростью движе­ния воды, поэтому при постройке гидростанции на реках с мед­ленным течением приходится снабжать роторы гидрогенераторов большим числом полюсов. Например, генераторы Днепровской гидростанции им. Ленина делают 83,3 об./мин, а их роторы имеют по 72 полюса (т. е.p= 36).