Трёхфазный генератор

Трёхфазный генератор — это электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию трёхфазного переменного тока. Относится к классу синхронных генераторов (альтернаторов) и является основным источником электроэнергии в промышленных и бытовых электросетях, обеспечивая выработку трёхфазного напряжения, сдвинутого по фазе на 120° относительно друг друга.

История

Разработка трёхфазного генератора неразрывно связана с именем русского инженера и изобретателя Михаила Осиповича Доливо-Добровольского. В 1888 году он, работая в компании AEG (Германия), создал первый практически пригодный трёхфазный асинхронный двигатель, а в 1889 году — первый трёхфазный генератор. В 1891 году Доливо-Добровольский продемонстрировал первую в мире линию электропередачи трёхфазного тока на Франкфуртской электротехнической выставке: генератор мощностью 230 кВт передавал энергию на расстояние 175 км с напряжением 15 кВ. Это изобретение стало прорывом, так как трёхфазная система оказалась значительно экономичнее однофазного и постоянного тока для передачи энергии на большие расстояния.

В России первые трёхфазные генераторы начали применяться с конца XIX века, в частности, на электростанциях, обеспечивающих электрификацию промышленных предприятий. К началу XX века трёхфазные генераторы вытеснили другие типы генераторов переменного тока в крупной энергетике.

Принцип действия

Работа трёхфазного генератора основана на явлении электромагнитной индукции. Вращающаяся часть генератора — ротор — создаёт магнитное поле. Это поле пересекает неподвижные обмотки статора, расположенные в пазах магнитопровода. В каждой из трёх фазных обмоток статора индуцируется синусоидальная ЭДС. Благодаря конструктивному расположению обмоток (сдвинутых на 120° по окружности статора), ЭДС в них также сдвинуты по фазе на 120°.

Устройство

Основными элементами трёхфазного генератора являются:

Статор — неподвижная часть, состоящая из корпуса, магнитопровода (шихтованного сердечника из электротехнической стали) и трёх фазных обмоток, уложенных в пазы. Обмотки соединяются по схеме «звезда» (Y) или «треугольник» (Δ).
Ротор — вращающаяся часть. В зависимости от типа генератора, ротор может быть:
Явнополюсным — с выступающими полюсами, на которых расположена обмотка возбуждения. Применяется в тихоходных генераторах (гидрогенераторы, дизель-генераторы).
Неявнополюсным — с цилиндрическим ротором, имеющим пазы, в которые уложена обмотка возбуждения. Используется в быстроходных генераторах (турбогенераторы на тепловых и атомных электростанциях).
Обмотка возбуждения — расположена на роторе и питается постоянным током от возбудителя (отдельного генератора или выпрямителя). Ток возбуждения создаёт основное магнитное поле.
Контактные кольца и щётки — служат для подвода постоянного тока к обмотке возбуждения вращающегося ротора. В бесщёточных генераторах (например, в современных дизель-генераторах) ток возбуждения передаётся через вращающийся трансформатор или выпрямитель на роторе.
Корпус — обеспечивает механическую прочность, защиту и охлаждение (воздушное, водородное или водяное).

Классификация

Трёхфазные генераторы классифицируются по нескольким признакам:

По типу привода

Турбогенераторы — приводятся в действие паровыми или газовыми турбинами. Отличаются высокой частотой вращения (3000 об/мин для 50 Гц), неявнополюсным ротором и большой мощностью (до 1200 МВт и выше). Устанавливаются на тепловых, атомных и парогазовых электростанциях.
Гидрогенераторы — приводятся в действие гидравлическими турбинами. Имеют низкую частоту вращения (от 50 до 600 об/мин), явнополюсный ротор большого диаметра и вертикальную ось вращения. Мощность достигает 700 МВт. Устанавливаются на гидроэлектростанциях (ГЭС).
Дизель-генераторы — приводятся в действие дизельным двигателем внутреннего сгорания. Частота вращения обычно 1500 об/мин (для 50 Гц). Мощность варьируется от нескольких киловатт до нескольких мегаватт. Используются как резервные или автономные источники питания.
Ветрогенераторы — приводятся в действие ветроколесом. Частота вращения переменная, поэтому вырабатываемое напряжение выпрямляется и затем инвертируется в трёхфазное с постоянной частотой.
Газопоршневые генераторы — работают на природном или попутном газе.

По способу возбуждения

С независимым возбуждением — ток в обмотку возбуждения подаётся от внешнего источника (возбудителя — генератора постоянного тока или тиристорного выпрямителя).
С самовозбуждением — начальное возбуждение происходит за счёт остаточного магнетизма ротора, а затем ток возбуждения вырабатывается самим генератором (через выпрямитель).
Бесщёточные — возбудитель и выпрямитель расположены на одном валу с ротором, что исключает щёточный узел и повышает надёжность.

По напряжению

Низковольтные — до 1 кВ (обычно 230/400 В, 400/690 В). Используются в быту, на малых предприятиях, в резервных источниках.
Высоковольтные — от 6 кВ до 24 кВ и выше. Применяются в промышленности и на электростанциях. Для передачи электроэнергии на большие расстояния напряжение повышается до 110–750 кВ с помощью трансформаторов.

Характеристики

Основные параметры трёхфазного генератора:

Номинальная мощность (S) — полная мощность, измеряемая в киловольт-амперах (кВА) или мегавольт-амперах (МВА). Активная мощность (P) в киловаттах (кВт) зависит от коэффициента мощности (cos φ) нагрузки.
Номинальное напряжение (U) — линейное напряжение на выводах статора (например, 400 В или 10 кВ).
Номинальный ток (I) — ток в фазных обмотках при номинальной нагрузке.
Частота (f) — в России и большинстве стран мира 50 Гц, в Северной Америке — 60 Гц.
Коэффициент мощности (cos φ) — обычно 0,8 (индуктивный) при номинальной нагрузке.
КПД — у крупных турбогенераторов достигает 98–99%, у дизель-генераторов — 85–95%.
Степень защиты (IP) — определяет защиту от пыли и влаги (например, IP23, IP54).
Класс изоляции — определяет допустимую температуру нагрева обмоток (например, F, H).

Применение

Трёхфазные генераторы являются основой современной электроэнергетики. Их применение охватывает практически все сферы:

Электростанции — тепловые (ТЭС, ТЭЦ), атомные (АЭС), гидроэлектростанции (ГЭС, ГАЭС), а также станции на возобновляемых источниках энергии (ветровые, солнечные — с инверторами).
Промышленность — обеспечение электроэнергией заводов, фабрик, шахт, нефте- и газодобывающих платформ.
Транспорт — трёхфазные генераторы устанавливаются на тепловозах, судах (в качестве судовых электростанций), на некоторых типах самолётов.
Резервное и автономное электроснабжение — дизель-генераторные установки (ДГУ) и газопоршневые установки используются для обеспечения бесперебойного питания больниц, дата-центров, торговых центров, жилых домов.
Строительство и сельское хозяйство — передвижные электростанции для питания строительной техники, насосов, зерносушилок.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Экономичность передачи — трёхфазная система позволяет передавать электроэнергию на большие расстояния с меньшими потерями и меньшим расходом проводников по сравнению с однофазной.
Простота конструкции двигателей — трёхфазные асинхронные двигатели (основные потребители в промышленности) просты, надёжны и не требуют пусковых устройств.
Возможность получения двух напряжений — при соединении обмоток «звездой» доступны линейное (380 В) и фазное (220 В) напряжения.
Высокий КПД — особенно у крупных машин.
Надёжность — отсутствие коллектора (в отличие от генераторов постоянного тока) снижает износ.

Недостатки

Сложность регулирования напряжения — требует применения автоматических регуляторов возбуждения (АРВ).
Чувствительность к несимметрии нагрузки — значительная несимметрия токов по фазам приводит к перегреву обмоток и вибрации.
Необходимость синхронизации — при подключении генератора к сети требуется точное совпадение фазы, частоты и напряжения.
Высокая стоимость — особенно для крупных машин с системами охлаждения и автоматики.

Интересные факты

Самый мощный трёхфазный генератор в мире (по состоянию на 2024 год) — турбогенератор мощностью 1700 МВт, установленный на АЭС «Синикава» (Япония).
В России крупнейшие генераторы (до 1200 МВт) производятся на заводе «Силовые машины» (Санкт-Петербург).
Первый в мире трёхфазный генератор Доливо-Добровольского имел мощность 230 кВт и весил около 10 тонн.
Частота вращения ротора турбогенератора для сети 50 Гц составляет ровно 3000 об/мин, что соответствует одной паре полюсов. Для гидрогенераторов частота вращения может быть в 10–20 раз меньше.

Источники

Доливо-Добровольский М. О. Избранные труды. — М.: Госэнергоиздат, 1958.
Вольдек А. И. Электрические машины. — Л.: Энергия, 1978.
Копылов И. П. Электрические машины. — М.: Высшая школа, 2000.
ГОСТ 183-74 «Машины электрические вращающиеся. Общие технические условия».
Правила устройства электроустановок (ПУЭ). — М.: Энергоатомиздат, 2003.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →