Системы возбуждения синхронных генераторов

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Волгоградский государственный аграрный университет»

Кафедра «Теоретические основы электротехники 

и электроснабжение»

С.И. Николаева

СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ 

СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Учебное пособие

по дисциплине «Системная автоматика и релейная защита» 
для магистров, обучающихся по направлению подготовки 

13.04.02  «Электроэнергетика и электротехника»

Волгоград 

Волгоградский ГАУ

2019

УДК 621.311
ББК 31.2
Н-63

Рецензенты ‒

Кандидат технических физико-математических наук, доцент кафедры 
«Электротехника» ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет» Л.В. Хоперскова
Кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Электрооборудование
и электрохозяйство предприятий АПК» ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет» С.И. Богданов

Николаева, Светлана Ивановна

Н-63
Системы возбуждения синхронных генераторов: Учебное пособие

по дисциплине «Системная автоматика и релейная защита» для магистров, 
обучающихся по направлению подготовки 13.04.02  «Электроэнергетика и 
электротехника. / С. И. Николаева – Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский 
ГАУ, 2019. – 72с.

В пособии приведены краткие теоретические сведения о синхронном 

генераторе как объекте регулирования энергосистемы. Рассмотрены системы возбуждения синхронных генераторов и определены области их 
применения. 

Учебное пособие рекомендовано для студентов, обучающихся по 

направлению подготовки магистров: 13.04.02  «Электроэнергетика и электротехника», профиль: «Электроснабжение».

УДК 621.311

ББК 31.2

Рекомендовано к печати методической комиссией электроэнергети
ческого факультета ФГБОУ ВО Волгоградского ГАУ (протокол № 3 от 
29.10.2018г.)

© ФГБОУ ВО «Волгоградский ГАУ», 2019
© Николаева С. И., 2019

ЦЕЛЬ УЧЕБНОГО ПОСОБИЯ

Данное пособие разработано для обучающихся по направлению под
готовки магистров 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» профиля «Электроснабжение».

Материал пособия служит для формирования у обучающихся знаний 

по основным принципам построения и схемной реализации систем возбуждения синхронных генераторов электростанций. В ходе изучения данной темы обучающийся должен овладеть следующими профессиональными компетенциями:

 готовностью применять методы и средства автоматизированных 

систем управления технологическими процессами электроэнергетической 
и электротехнической промышленности (ПК-23);

 способностью определять эффективные производственно-техно
логические режимы работы объектов электроэнергетики и электротехники 
(ПК-26).

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных элементов электроэнергетической системы яв
ляются генераторы электрических станций. Генераторы служат не только 
для выработки электрической энергии, но и выполняют функцию регулирования режима энергосистемы. На электростанциях (тепловых и гидравлических) устанавливаются синхронные генераторы (СГ), автоматическое 
управление режимами которых является важной задачей современной 
электроэнергетики для обеспечения надежности, устойчивости и эффективности единого технологического процесса выработки, передачи, распределения и потребления электрической энергии соответствующего качества. Ведущая роль в решении этой задачи отводится автоматическому регулированию возбуждения СГ, за счет которого производится регулирование по напряжению и реактивной мощности.

Величина напряжения в узлах электрической сети определяется ба
лансом реактивной мощности в узле. Баланс реактивной мощности выражается уравнением: 

г
п,
Q
Q

(В-1)

где 
г
Q ‒ генерируемая мощность, поступающая в узел от источника, 
п
Q
‒ потребляе
мая мощность, отходящая от узла.

Основные источники реактивной мощности в электроэнергетической 

системе – синхронные генераторы электрических станций, причем величина и знак реактивной мощности зависят от тока возбуждения генератора.

Потребителями реактивной мощности в электрических системах яв
ляются трансформаторы, асинхронные двигатели, воздушные электрические линии, токограничивающие реакторы, вентильные преобразователи, 
индукционные электропечи, сварочные агрегаты и другие нагрузки. 

Нарушение баланса между генерируемой и потребляемой реактив
ной мощностью приводит к изменению напряжения в этом узле, и этот
процесс будет продолжается до тех пор, пока баланс по мощности вновь не 
восстановится. После восстановления баланса уровень напряжения как 
правило, несколько отличается от исходного значения. 

Восстановление баланса становится возможным, поскольку при из
менении напряжения в узле изменяются и генерируемая и потребляемая 
реактивные мощности. Мощность, поступающая в узел (генерируемая) Генерируема мощность, изменяется прежде всего за счет действия автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) синхронных генераторов. АРВ изменяют ток возбуждения при возникающих отклонениях напряжения на 
выводах генератора от заданного значения. Потребляемая мощность изменяется за счет так называемого регулирующего эффекта нагрузки.

АРВ оснащаются все СГ электростанций, что позволяет стабилизи
ровать напряжение в электроэнергетической системе, и снижает вероятность возникновения лавины напряжения.

ГЛАВА 1. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Синхронный генератор, как всякий источник, преобразует механиче
скую энергию в электрическую. Синхронным он называется потому, в нем 
частота вращения ротора n равна частоте вращения магнитного поля статора 
1n . Вращающееся магнитное поле статора создается трехфазной си
стемой тока статора и поэтому магнитного поля статора определяется частотой сети f1 и числом пар полюсов обмотки статора p т.е. 

1
60 f
n
p

.
(1.1)

Синхронный генератор ‒ основной тип генератора переменного тока, 

применяемым в процессе производства электроэнергии. Как все электрические машины синхронные машины представлены как генераторами, так 
и двигателями.

Синхронные двигатели обладают особенностью ‒ они имеют постоян
ную частоту вращения, не зависящую от нагрузки. Применяются в тех случаях, 
когда требуется обеспечить постоянную частоту на нагрузке двигателя. 

Синхронные машины имеют еще одно применение ‒ в качестве син
хронного компенсатора. Синхронный компенсатор ‒ это синхронная машина, 
не имеющая активной нагрузки и загруженная реактивным током. Они применяются для повышения коэффициента мощности сети и поддержания нормального уровня напряжения в сети в узлах сосредоточения нагрузок. 

1.1. Устройство и принцип действия синхронного генератора
Как все электрические машины синхронный генератор состоит из 

двух частей: вращающегося ротора и неподвижного статора (рис. 1.1).

Рисисунок 1.1 ‒Конструкция синхронного генератора: 

1 ‒ контактные кольца; 2 ‒ щеткодержатели; 3 ‒ полюсная катушка ротора;
4 ‒ полюсный наконечник; 5 ‒ сердечник статора; 6 ‒ вентилятор; 7 – вал

Важной характеристикой синхронных машин переменного тока, яв
ляется явнополюсность. Отнесение генератора к тому или иному типу существенно влияет на его математическую модель.

В синхронных машинах применяют две конструкции ротора: явно
полюсную ‒ с явно выраженными полюсами (рис.1.2, а) и неявнополюсную ‒ с неявно выраженными полюсами (рис.1.2, б).

Генераторы большой мощности, имеющие частоту вращения 1500 и 

3000 об/мин (число полюсов p = 2 или 4) изготавливают с неявнополюсным ротором из-за необходимости обеспечения механической прочности 
крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотку возбуждения в неявнополюсной машине в пазах сердечника ротора. Для получения синусоидального распределения магнитной индукции обмотку возбуждения укладывают в пазы, занимающие 2/3 полюсного деления.

Неявнополюсными являются турбогенераторы. 
Явнополюсный ротор используют в машинах, с числом полюсов бо
лее 4-х. Обмотка возбуждения в них размещена на сердечниках полюсов. В 
явнополюсных машинах полюсным наконечникам придают такой профиль, чтобы воздушный зазор между полюсным наконечником и статором 
был минимальным под серединой полюса и максимальным у его краев, 
благодаря чему кривая распределения индукции в воздушном зазоре приближается к синусоиде.

Явнополюсными являются гидрогенераторы. 

Рисунок 1.2 ‒Статор явнополюсной 

а) и неявнополюсной б) синхронной машины:

1 - статор (якорь); 2 - ротор (индуктор); 3 - обмотка возбуждения

Статор синхронной машины называется якорем, трехфазная обмотка 

которого выполняется с таким же числом полюсов, как и ротор. На рис.1.2 
условно показаны только клеммы начал фаз А, В, С обмотки якоря.

На роторе синхронной машины располагается обмотка возбуждения.

Назначение обмотки возбуждения – создание в машине основного магнитного потока. Обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного тока через два контактных кольца и щетки. Ротор вместе с обмоткой 
возбуждения называется индуктором.

Ротор синхронной машины приводится во вращение от приводного 

двигателя (турбины) с частотой вращения n. Обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного тока. Ток обмотки создает поток возбуждения 
f
Ф , который будет индуктирует в обмотке якоря электродви
жущую силу (ЭДС), пульсирующую с частотой 
1f :

1
.
60
pn
f 
(1.2)

ЭДС обмотки якоря представляет собой симметричную трехфазную 

систему и при подключении к обмотке якоря генератора симметричной 
нагрузки, эта обмотка нагрузится симметричной системой токов. Машина 
в этом случае работает в режиме генератора.

При нагрузке обмотка якоря создает свое вращающееся магнитное 

поле, которое вращается в том же направлении, что и ротор с частотой 
1n :

1

1

60 f
n
n
p


об/мин.             
(1.3)

В синхронной машине поля якоря и ротора вращаются с одинаковой 

частотой (синхронно) и неподвижны друг относительно друга.

Синхронная машина работает в качестве двигателя, если к обмотке 

якоря подвести из сети трехфазный ток и запитать обмотку возбуждения. В 
этом случае в результате взаимодействия магнитных полей якоря и ротора, 
поле якоря увлекает за собой ротор. 

1.2. Магнитное поле обмотки возбуждения синхронной машины

Явнополюсная машина. На рис. 1.3, а изображено магнитное 

поле обмотки возбуждения в воздушном зазоре явнополюсной синхронной машины на протяжении полюсного деления. (Полюсное деление – это часть поверхности якоря, приходящаяся на один полюс). 
Распределение магнитной индукции поля обмотки возбуждения 
f
B
на 

внутренней поверхности якоря представлено на рис. 1.3, б, которое в 
реальности является несинусоидальным. Реальное распределение магнитной индукции (1) можно разложить на гармонические составляющие: основную и высшие гармоники. На рис. 1.3, б показана основная 
гармоническая составляющая (2).

а)

б)

Рисунок 1.3 ‒ Распределения магнитного поля обмотки 

возбуждения в явнополюсной машине 

Каждая гармоническая составляющая магнитной индукции поля ро
тора индуктирует в обмотке якоря основную и высшие гармоники ЭДС. 
Высшие гармоники ЭДС малы, поскольку, во-первых, малы соответствующие им гармоники магнитной индукции поля обмотки возбуждения, и, 
во-вторых, из-за укорочения шага обмотки якоря и ее распределения.

Амплитуда основной гармоники поля равна

0

1

δ
μ

μ

δ

fm
f
f

d

B
F k
k
k



,                               (1.4)

где 
0

fm
f
f

d

B
F
k
k
k












‒ амплитуда реального распределения индукции поля об
мотки возбуждения; 

1
fm

f

fm

B
k
B

- коэффициент формы поля обмотки возбуждения;

δ ‒ минимальный воздушный зазор; δm ‒ максимальный воздушный зазор; 
p
b
‒ длина 

дуги полюсного наконечника; a ‒ коэффициент полюсной дуги; 
0
μ
‒ магнитная прони
цаемость воздуха; 
δk
‒ коэффициент воздушного зазора; 
μd
k
‒ коэффициент насыще
ния магнитной цепи по продольной оси (продольная ось d совпадает с продольной осью 
симметрии каждого полюса индуктора, поперечная ось q ‒ посередине между соседни
ми главными полюсами); 
2

f
f

f

w
i
F
p



магнитодвижущая сила (МДС) полюса обмотки 

возбуждения; 
f
w , 
fi
‒ число витков и ток обмотки возбуждения, соответственно.

δ

δm
bp=ατ

τ

•


Bf

Bfm

Bfm1

π/2
-π/2
0

1

2

Рисунок 1.4 ‒Распределения магнитного поля 

обмотки возбуждения в неявнополюсной машине

Обычно отношение δ /δ
1 2,5
m
 
, 
0,65 0,75
a 

, что позволяет 

обеспечить высокие значения коэффициента формы поля обмотки возбуждения 
0,95 1,15
fk 

(т.е. поле обмотки возбуждения достаточно близко к 

синусоидальному) .

Неявнополюсная машина. На рис.1.4, а изображено магнитное поле 

обмотки возбуждения в воздушном зазоре неявнополюсной синхронной машины на протяжении полюсного деления. Распределение магнитной индукции поля обмотки возбуждения 
f
B
на внутренней поверхности якоря пред
ставлено на рис.1.4, б. Реальное распределение (1) магнитной индукции 
f
B

имеет вид трапеции, которое, как и в случае явнополюсной машины, можно 
разложить на основную (2) и высшие гармонические составляющие.

Амплитуда основной гармоники поля обмотки возбуждения 

0

1
об

μ
4

δ
2
π

f
f

fm
f

w
i
B
k
p





,
(1.5)

где 
4
π

f
o f
k
k 


‒ коэффициент формы поля обмотки возбуждения; 
oδ

π
sin(γ
)
2

π
γ
2

f
k







‒ 

обмоточный коэффициент обмотки возбуждения; y ‒ отношение числа пазов обмотки 
возбуждения к полному числу пазовых делений наружной поверхности индуктора. 
Обычно γ
0,65 0,80


, что позволяет получить 
1,065
0,965
fk 

.

δ

γτ/2

τ

•
•
•
•





γτ/2
(1-γ)τ

а)

Bf

Bfm

Bfm1

π/2
-π/2
0

1

2

б)

1.3. Магнитное поле и параметры обмотки якоря

Поле обмотки якоря создается трехфазной системой тока статора при 

подключении трехфазного СГ к нагрузке. Трехфазная симметричная система токов статора создает вращающееся магнитное поле, перемещающееся в ту же сторону, что и поле тока возбуждения и с той же частотой вращения. Поэтому результирующее магнитное поле машины будет определяться совместным действием поля обмотки возбуждения и поля якоря.

Воздействие магнитного поля якоря на магнитное поле обмотки воз
буждения называется реакцией якоря. Характер этого воздействия зависит 
от взаимного расположения полей обмотки возбуждения и якоря.

Поле обмотки возбуждения всегда направлено по оси полюсов ма
шины. Эта ось называется продольной и обозначается индексом d. Перпендикулярная ей ось называется поперечной и обозначается индексом q.

В магнитном отношении ротор явнополюсной машины имеет две оси 

симметрии: продольную и поперечную, т. е. обладает магнитной несимметрией из-за большого магнитного сопротивления междуполюсного промежутка 
(поперечная ось q). Ротор как явнполюсной, так и неявнополюсной синхронной машины имеет и электрическую несимметрию, поскольку ось обмотки 
возбуждения каждого полюса расположена только по продольной оси d.

Из-за магнитной несимметрии у явнополюсного ротора реакция яко
ря рассматривается в отдельности по продольной и поперечной осям. Такой метод называется методом двух реакций, основанном на предположении, что магнитные потоки, действующие по поперечной оси, не влияют 
на значение потоков, действующих по продольной оси, и наоборот.

Рассмотрим действие реакции якоря синхронного генератора при 

установившейся симметричной нагрузке (рис.1.5 – 1.7). Обмотка якоря 
изображена в виде упрощенной трехфазной обмотки. Каждая фаза представляет собой виток с полным шагом (A ‒ X, B ‒ Y, C ‒ Z).

Полярность поля обмотки возбуждения обозначена буквами N, S, а 

силовые линии этого поля не изображены.

Обычно генераторы работают на смешанную нагрузку (активно
индуктивную или активно-емкостную). Чтобы выяснить, как влияет реакция якоря на работу синхронного генератора, рассмотрим три предельных 
случая нагрузки: активной, индуктивной, емкостной.

Активная нагрузка. Будем считать, что вращающийся ротор зани
мает положение, показанное на рис. 1.5. В этом случае ток возбуждения 
индуктирует в обмотке статора ЭДС E , направленную по продольной оси 
d. Для рассматриваемого случая эта ЭДС будет максимальной для фазы А. 
Так как угол сдвига фаз между ЭДС E и током статора  I ψ
0
 , то ток 

фазы А также максимален ( A
m
i
I

), а в остальных фазах равен половине 

максимального значения (
0,5
B
C
m
i
i
I

 
) (рис.1.5).