Синхронный генератор бесщеточный: Бесщеточные генераторы. Почему они мало используются

Содержание

Бесщёточный синхронный генератор — Моряк

4.8/5 — (6 голосов)

Одним из основных недостатков при обслуживании судовых синхронных генераторов является наличие щёточно-кольцевого аппарата. Этот узел наиболее изнашивается в процессе работы. Большое количество пыли от угольных щёток загрязняет обмотки, создавая проводниковые мосты между токоведущими частями синхронного генератора и корпусом: ухудшается изоляция генератора, уменьшая срок их службы, требуется внеочередной ремонт с полной разборкой.

Рис. 1.1. Бесщёточный синхронный генератор

Всё это отсутствует у бесщёточных синхронных генераторов. Возбуждение СГ 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;

F_G — роторная обмотка возбуждения генератора;

Si — блок вращающихся кремниевых выпрямителей;

E — роторная обмотка возбудителя, выходная;

F_E — статорная обмотка возбуждения;

EVA — внешний реостат задающего напряжения;

AVR — автоматический регулятор напряжения (АРН).

Статорная обмотка синхронного генератора уложена в пазы железа статора и представляет собой три обмотки, соединенные звездой.

Конструктивно БСГ объединён с возбудителем переменного тока и вращающимся выпрямительным устройством в один агрегат. Отличительной особенностью БСГ 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 (например,“TAIYO”, “MITSUBISHI”) обмотка возбуждения возбудителя состоит из двух частей: основной и управляемой от AРН, 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.

Благодаря такой конструкции, исчезает необходимость в контактных кольцах и щётках для подвода тока к обмотке возбуждения генератора. Таким образом, возбудитель совместно с AРН позволяет поддерживать напряжение генератора с заданным отклонением при малых и больших нагрузках и обеспечивает защиту от короткого замыкания. Отсутствие щёточной аппаратуры значительно повышает надёжность БСГ, сокращает трудозатраты на обслуживание ввиду отсутствия угольной пыли на обмотках. Они также могут применяться и на высоких частотах вращения первичных двигателей, чем обеспечивается более надёжное возбуждение.

У БСГ, также как и у обычных синхронных генераторов, имеется демпферная обмотка. Она находится на явных полюсах ротора и имеет вид широких медных шин, соединенных в беличью клетку. Назначением демпферной обмотки является предотвращение колебаний напряжения ввиду резкого изменения нагрузки при параллельной работе генераторов, а также ограничение повышения третьей гармоники напряжения с увеличением нагрузки.

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 60 Гц.

Кремниевый выпрямитель возбудителя переменного тока. Учитывая электрические и механические свойства, кремниевый выпрямитель для бесщёточного синхронного генератора должен быть высоконадежным, небольших габаритов и массы.

Он состоит из кремниевой части, которая закреплена вертикально на тонкой пластине основания, для надежного контакта пластины, основания и элемента, и питающего провода. Этот силовой тип контакта кремниевого элемента выпрямителя использует свою огромную силу, когда она приложена вертикально вместе с давлением по направлению к пластине основания и проявляет великолепные характеристики, учитывая такие механические недостатки как внешнее давление, центробежная сила, вибрация системы в действии. Все главные части кремниевого элемента типа P-N перехода помещены в кожух, в котором находится инертный газ, на работу которого не влияют окружающие атмосферные условия.

В дополнение к кремниевому выпрямителю параллельно подключены конденсатор и резистор для предотвращения от чрезмерного напряжения обмоток, предохраняя их от пробоя. При сборке вышеупомянутых компонентов FUJI El. произвел тщательную проверку их механической силы и местоположения, минимизируя пространство для установки, добиваясь однородной и эффективной вентиляции.

По габаритам БСГ сохранил те же размеры что и обычные СГ.

В настоящее время бесщеточные синхронные генераторы успешно используются на судах в качестве основных и аварийных источников электроэнергии.

Для предотвращения возникновения токов на валу генератора, появляющихся благодаря разбалансу магнитного сопротивления магнитных цепей, используются изоляторы на боковых крышках, как показано на рис. 1.2. Напряжение на валу для генераторов повышенных напряжений и частот обычно составляет 1 В и менее, и реже несколько вольт. Значение сопротивления изолятора должно быть 1-3 кΩ. Если масляная пленка с принудительной смазкой местами исчезает, это может привести к поломке подшипника или аварии генератора в целом.

В основном БСГ не требует особых трудозатрат на обслуживание. Достаточно почаще менять фильтры на воздухозаборах.

Таким образом, БСГ обеспечивает максимум надежности при минимуме трудозатрат на обслуживание.

Что представляет собой синхронный генератор

Задача генератора – преобразование механической вырабатываемой энергии в электрическую. Работа его двигателя основана на следующем принципе: топливо впрыскивается в цилиндр двигателя и, сгорая, трансформируется в газообразную смесь, которая расширяется и выталкивает поршень. Тот, в свою очередь, заставляет двигаться коленчатый вал, а он уже вращает ведущий. Чем больше поршней, тем быстрее скорость вращения вала. На этой стадии и происходит выработка механической энергии, преобразовываемой в электричество по закону Фарадея.

Устройство генератора

В основу любого генератора заложены два элемента:

статор – неподвижная деталь, состоящая из медных обмоток, уложенных в пазы вокруг сердечника, представляющего собой комплект пластин из мягкой стали. В однофазном генераторе – одна обмотка, в трехфазном − три;

ротор – вращающаяся часть, включает механизм образования магнитного поля. В бытовых генераторах обычно применяется двухполюсный ротор. Обмотка соединяется с питающим ее блоком управления (AVR) посредством двух щеточных узлов. Ротор в совокупности с обмоткой составляют индуктор.

В синхронном агрегате частота вращения, которую создает статор магнитного поля, совпадает с частотой роторного вращения.

Принцип работы

Синхронный генератор функционирует следующим образом: магнитное поле при вращении ротора пересекает статорные обмотки, чем возбуждает в них переменное напряжение. Когда подключается нагрузка в виде потребителей, в цепи появляется переменный ток. От скорости, с которой вращается ротор, непосредственно зависит напряжение, частота тока.

Электронагрузка на синхронный агрегат прямо пропорциональна нагрузке на вал двигателя, что способно повлечь изменение частоты вращения ротора, показателя напряжения. Избежать колебаний помогает блок управления, который в автоматическом режиме регулирует ток в обмотке ротора путем влияния на магнитное поле. В асинхронном генераторе электрическая связь с ротором отсутствует, поэтому параметры напряжения и тока искусственно не регулируются.

Преимущества синхронного генератора

Основным преимуществом является стабильность выходного напряжения. У асинхронных аппаратов данный показатель может существенно колебаться.

Синхронный генератор не боится повышенной нагрузки, создаваемой при подключении его во время работы энергоемкого потребителя (нагрузка переходного режима), поскольку сам является источником реактивной мощности. Асинхронные генераторы для этого снабжаются пусковыми конденсаторами.

Синхронный генератор не слишком восприимчив к перегрузкам в процессе работы благодаря системе авторегулирования.

Щеточные и бесщеточные

Щетки представляют собой скользящие контакты − токосъемы, которые прижаты к коллектору. От их качества напрямую зависит вырабатываемое напряжение. Длительная работа при больших перегрузках приводит к «выгоранию» щеток. После замены необходим небольшой период «обкатки», прежде чем подавать полную нагрузку на генератор. Наиболее долговечны и устойчивы к перегрузкам медно-графитовые щетки.

Синхронный генератор может быть бесщеточным при условии, что ток в роторе создается магнитным полем, исходящим от основной, а также от дополнительной статорной обмотки (либо только от дополнительной). То есть схема альтернатора более сложная, чем у щеточных. Преимуществом является отсутствие необходимости замены угольных компонентов (в некоторых моделях – каждые 100 часов работы), а также нет пыли от их износа, которая часто является причиной электрических пробоев.

Выбор в пользу синхронного генератора следует делать, если потребители требовательны к качеству выходного тока. Например, такой тип подойдет для обеспечения резервной электроэнергией загородного дома, где установлены различные типы чувствительных приборов.

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 технологии, 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

Связанные статьи

[PDF] Модели бесщеточного синхронного генератора для изучения автономной электрической энергосистемы

DOI: 10.2478/9788395771347
Corpus ID: 225694859

@INSUMENINGS atemedings, 22569859

99992 @INSEEDINGES atemedings, 22569859

. 
  title={Модели бесколлекторного синхронного генератора для исследования автономной электроэнергетической системы},
  автор={Филип Катт},
  год = {2020}
}

F. Kutt
Опубликовано 3 июня 2020 г.
Инженерное дело

View Via Publisher

PBC.GDA.PL

с показателем 1-10 из 105 ссылок

Сортировка по высоте

1994

Полевая модель для расчета моментно-скоростных характеристик промышленного типа постоянного тока. представлен двигатель PXOVKf 104b-2. Используется метод 2D FEM. Влияние намагниченности…

Моделирование и анализ синхронного генератора в большей электростанции электроэнергии с использованием Synopsys/Sabre Simulator

M. Michna, F. Kutt, P. Chrzan, M. Ronkowski
Engineering
2009

A разработана и реализована в среде имитационного моделирования Synopys/Sabre модель для изучения динамического поведения синхронной машины (СД) в энергосистеме более электрического самолета (МЭА). Моделирование…

Морской мост, Авиационные системы. Интеграция механических, электрических и подсистем авионики., Третье издание, изд. 9.0029

2008

Генератор частот высокой мощности для крупных гражданских самолетов

M. Olaiya, N. Buchan
Physics
1999

TRW Aeronautical Systems (lucas aerospate aepospace sepantepaze outsospace sepantepare aepospace arepospace openospace openospace sepate out outospate aepospace opetospace). мощный генератор переменной частоты (VF) с широким диапазоном скоростей, подходящий для больших гражданских самолетов. Высокоскоростной бесщеточный масляный… Zastosowanie w autonomicznych systemach elektroenergetycznych

Ф. Катт, М. Ронковски
Физика
2010

Движение к более электрическому самолету

Последние достижения в области электрических и электронных авиационных технологий с точки зрения «полностью электрического» здесь представлены самолеты.