Устройство синхронного генератора переменного тока, принцип работы

Электричество – вид энергии, который можно передавать на дальние расстояния, преобразовывать в механическую, тепловую энергию и трансформировать в световое излучение. Электроэнергию получают различными способами – химическим, тепловым, механическим, фотоэлектрическим.

Наиболее распространенный способ получения электроэнергии – механический, с использованием генераторов. Именно таким образом получают практически всю электрическую энергию, используемую в бытовых и производственных целях.

Генераторы, иначе называемые «электростанциями», бывают синхронными и асинхронными, одно- и трехфазными. Рассмотрим подробнее устройство и работу трехфазного электрогенератора, который может работать параллельно с другими электрогенераторами или централизованной электрической сетью.

 

В конструкцию синхронных электрических генераторов входят три основные детали:

• Ротор. Вращающийся элемент. Это биполярный электромагнит постоянного тока. Обмотка ротора соединяется с блоком управления через два щеточных узла.
• Статор. Неподвижный элемент. Витки статорной обмотки равномерно расположены по окружности. В однофазных машинах присутствует одна обмотка, в трехфазных – три, которые соединяются по схемам «звезда», «треугольник» или со сдвигом друг относительно друга на 120°.
• Блок управления.

 

Статор и ротор изготавливают из пластин электротехнических марок стали, которые хорошо проводят магнитный поток и плохо проводят электрические вихревые токи. Синхронные генераторы, имеющие явно полюсный ротор, используются для тихоходных машин, у которых скорость вращения не превышает 1000 оборотов в минуту, например установок с гидравлическими турбинами. Синхронные электрогенераторы с не явно полюсными роторами используются для механизмов, вращающихся с высокой скоростью – 1500-3000 об/минуту. Бывают двух- и четырехполюсными.

Принцип работы синхронного электрогенератора

Основные этапы:

• При вращении ротора двигателем внутреннего сгорания начинается вращение поля электромагнита.
• В результате вращения магнитного поля в статорной обмотке появляется переменное синусоидальное напряжение – одно- или трехфазное. Значение напряжения генерируемого тока зависит от скорости вращения ротора.
• Изменение электрической нагрузки синхронного генератора меняет механическую нагрузку на валу двигателя внутреннего сгорания. В свою очередь, это изменяет скорость вращения ротора, а значит, изменения величины напряжения и частоты. Избежать таких изменений параметров генерируемого электротока позволяет блок управления, который автоматически регулирует электрические характеристики через обратную связь.

 

Трехфазный синхронный генератор может работать в режиме генератора или в режиме двигателя. В первом случае в СГ входящей является механическая энергия, а выходящей – электрическая. Во втором случае – входящей является электрическая энергия, а выходящей – механическая.

 

Разновидности синхронных генераторов

 

Конкретная область применения определяет, какой вид синхронного генератора купить.

 

Производители предлагают электрогенераторы:

• Шаговые (импульсные). Применяются для приводов, работающих в режиме старт-стоп, или для устройств постоянного режима работы с импульсным сигналом управления.
• Безредукторы. Используются в автономных системах.
• Бесконтактные. Востребованы в качестве электростанций на речных и морских судах.
• Гистерезисные. Предназначены для установки в счетчиках времени, инерционных электрических приводах, системах автоматизированного руководства.
• Индукторные. Используются для оснащения электрических установок.

 

Области применения синхронных трехфазных генераторов переменного тока

 

Важная особенность синхронного генератора – возможность синхронизации с другими подобными электрическими машинами. Это свойство позволяет использовать эти машины в промышленной энергетике и при повышении нагрузок в час пик подключать резервные агрегаты.

 

Трехфазные генераторы применяют на:

• тепловозах с выпрямлением переменного тока полупроводниковыми элементами и других транспортных системах;
• мощных гидро-, тепловых электростанциях, атомных станциях, передвижных электростанциях;
• гибридных автомобилях с целью совмещения тяги ДВС и мощности тяговых электродвигателей.

 

Синхронные трехфазные генераторы могут использоваться в качестве электромоторов с мощностью более 50 кВт. В этом режиме ротор соединяют с источником постоянного тока, а статор подключают к трехфазному кабелю.

 

В каких случаях необходимо купить и использовать синхронный генератор?

 

Синхронный генератор переменного тока выбирают в следующих случаях:

• Если предъявляются высокие требования к постоянству параметров напряжения и частоты тока.
• При высокой вероятности перегрузок в переходном режиме потребителей с реактивной мощностью.
• При вероятности перегрузок в рабочем режиме, когда к генератору подключаются потребители как с активной, так и с реактивной мощностью.

 

Преимущества использования синхронных генераторов

 

Плюсы трехфазных синхронных генераторов:

• Способность выдерживать перегрузы в электросети, превышающие в три раза номинальное значение, и короткие замыкания.
• Более высокое качество генерируемой электроэнергии, по сравнению с асинхронными генераторами. Поэтому эти электрические машины используются для работы в комплексе с дорогостоящим оборудованием.
• Наличие автоматических регуляторов напряжения, регулирующих выпрямителей, которые защищают оборудование от перегруза и коротких замыканий и способны отключать электроустановки в случае возникновения аварийных ситуаций.

 

Современные электрические генераторы изготавливаются в соответствии с требованиями мировых стандартов качества и безопасности.

СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР

Синхронный генератор — это машина, преобразующая механическую энергию вращения в электрическую энергию переменного тока, где частота генерируемого тока пропорциональна скорости вращения ротора машины.

Синхронные генераторы делятся на генераторы повышенной и высокой частоты, гидротурбинные, паротурбинные генераторы.

1.    Генератор высокой частоты способен преобразовывать механическую энергию вращения в энергию переменного электрического тока высокой частоты. Его действие основано на изменении магнитного потока, которое достигается вращением ротора относительно неподвижного статора. Генератор высокой частоты применяется для питания антенн длинноволновых радиотелеграфных станций на расстоянии до 3000 м. Попытки применять их для более коротких волн развития не получилось, так как требовалось увеличение частоты.

Высокую частоту в данных генераторах удается получить за счет увеличения числа полюсов и скорости вращения ротора. По способу действия генераторы высокой частоты делятся на индуктирующие ток в самой машине; генераторы, частота тока которых повышается с помощью статических умножителей; генераторы, частота машины которых увеличивается путем использования переменного тока, наведенного обратным полем статора в обмотке ротора; генераторы, в которых создание переменного тока происходит благодаря изменению индуктивности или емкости самой машины.

2.    Гидротурбинный генератор — это генератор переменного или постоянного тока, который приводится в движение гидравлической турбиной. Гидротурбинный генератор — это синхронный генератор, ротор которого располагается на одном валу вместе с колесом турбины. Мощность такого генератора достигает 100 ООО кВт при скорости вращения до 1500 об/мин и напряжении до 16 ООО В. Синхронные гидротурбинные генераторы по своим размерам и весу больше всех других электрических машин. Только диаметр ротора достигает 15 м. Большое влияние на мощность турбины оказывает скорость ее вращения, маховый момент ротора и длина линии электропередачи. Чаще всего у синхронного гидротурбинного генератора вертикальная ось вращения, когда в подвесном подпятнике происходит осевое давление воды на рабочее колесо турбины. При этом подпятник располагается выше ротора генератора. В зонтичном синхронном генераторе подпятник располагается под ротором генератора и один из трех направляющих подшипников находится в турбине.

Обмотка переменного тока располагается на статоре, который охватывает закрепленный на валу явно полюсный ротор. Напор циркулирующего воздуха создается вентиляторами, расположенными на роторе, и самими полюсами ротора. Воздух передает свое тепло протекающей по трубкам воздухоохладителя воде. Для предотвращения поломки подпятника применяются воздушные или масляные колодочные тормоза, которые способны уменьшить время остановки до нескольких минут.

3.    Паротурбинный генератор — это синхронный генератор переменного или постоянного тока, приводимый в движение паровой турбиной. Данные генераторы чаще всего бывают четырехполюсные и двухполюсные со скоростью вращения от 1500 до 3000 об/мин. Ротор синхронного паротурбинного генератора представляет собой массивный стальной цилиндр с прямоугольными пазами, в которых находится обмотка возбуждения. Центробежная сила обмотки воспринимается клиньями и большими бандажами кованой стали, охватывающими торцовые части обмотки. Корпус статора стальной неразъемный. В отличие от гидротурбинного синхронный паротурбинный генератор имеет диаметр до 1 м, но длину ротора до 6,5 м. Для работы паротурбинных генераторов малых мощностей применяется протяжная система вентиляции, где необходимый напор воздуха создается центробежными роторными вентиляторами.

При замкнутой системе вентиляции воздухоохладители располагаются под самим генератором. Возбудитель паротурбинного генератора соединяется с ротором посредством гибкой муфты и способен питать обмотку возбуждения через контактные кольца.

Данный генератор состоит из неподвижного якоря-статора и вращающегося индуктора-ротора. На внутренней поверхности статора в его пазах располагается обмотка переменного тока. Статор генератора выполнен из тонкой электротехнической стали, которая изолирована лаковой пленкой или бумагой. Все эти стальные листы укрепляются в станине машины. Ротор находится внутри статора и представляет собой стальной цилиндр, в пазах которого размещается обмотка возбуждения постоянного тока.

В тихоходных машинах ротор имеет форму колеса или звезды. В синхронных генераторах малой мощности иногда применяют конструкции с расположенной обмоткой переменного тока на роторе и обмоткой возбуждения на статоре. Синхронный генератор переменного тока используется обычно в качестве источника переменного тока постоянной частоты, что возможно при неизменной скорости вращения ротора. При симметричной трехфазной нагрузке синхронного генератора переменного тока по обмоткам статора протекает ток также трехфазно и симметрично. Данный ток способен создавать свое магнитное поле, ось которого вращается со скоростью, равной скорости вращения ротора. Поэтому данный генератор и получил название «синхронный генератор», так как подчеркивает синхронность вращения ротора и магнитного поля статора. Характер взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с полем электромагнитов ротора зависит от сдвига фаз между токами нагрузки и ЭДС генератора. При этом механическая мощность преобразуется в электрическую.

В современных электрических установках синхронные генераторы зачастую работают параллельно на общую нагрузку, что возможно при строго синхронной скорости вращения генераторов. Это вполне осуществимо благодаря свойству синхронной машины автоматически поддерживать синхронизм. При параллельной работе синхронных генераторов при изменении режима одного из них начинается ответная реакция стремящегося восстановить нарушенный режим уравнительного тока. При уменьшении или увеличении тока возбуждения ток статора из-за возникновения реактивной составляющей возрастает. При нарушении синхронизма торможение одной машины и ускорение другой уменьшается. Возвращение ротора к синхронному вращению сопровождается затухающими колебаниями его угловой скорости вращения около ее значения. Иногда эти колебания нарушают спокойную работу машины, что называется качание. При правильном выборе махового момента генератора качание можно устранить с помощью медных стержней в полюсных наконечниках ротора. Опасные процессы могут возникнуть и при коротком замыкании, когда ток в обмотке статора возрастает в 15 раз, это приводит к возникновению индуктированного тока в обмотке возбуждения или может привести к механическим повреждениям синхронного генератора. Синхронные генераторы переменного тока находят применение в современных электрических установках.

• Предыдущее: СИНХРОННАЯ МАШИНА
• Следующее: СИНХРОННЫЙ КОМПЕНСАТОР

СИНХРОННЫЙ КОМПЕНСАТОР

Синхронный компенсатор — это синхронная электрическая машина, которая работает в режиме двигателя, не имея нагрузки на вал. Применяется синхронный компенсатор для повышения мощности коэффициента… Читать подробнее

СВИП-ГЕНЕРАТОР

Свип-генератор — это генератор электромагнитных колебаний, частота которых меняется автоматически в определенных пределах. Частота качается возле среднего значения, поэтому колебания носят название… Читать подробнее

описание, устройство агрегата, принцип работы

Универсальный синхронный трёхфазный генератор представлен в виде специфического механизма переменного тока, который призван преобразовывать определённый тип энергии в электричество. Именно этот агрегат отвечает за работоспособность солнечных батарей, электростатических машин, а также гальванических элементов. На практике использование этих устройств определяется исключительно техническими характеристиками.

Краткое описание

Каждый специалист знает, что синхронный трёхфазный генератор зарекомендовал себя как высококачественный, мощный агрегат, который отличается специфической структурой переменного тока, а это высоко ценится в различных отраслях. Вмонтированный крутящийся электромагнит способен создавать магнитный поток, перемещающийся через три фазы обмотки используемого статора. В результате можно добиться того, что в пазах будет происходить переменная ЭДС однотипной частоты. Стоит отметить, что любой сдвиг фаз осуществляется исключительно под определённым углом, который равен одной трети вращения магнитных полей.

Сами производители отмечают тот факт, что генератор оборудован таким образом, чтобы якорь выступал в качестве мощного электромагнита. Если вал вращается от турбины, тогда в систему поступает электроэнергия, а обмотка ротора питается именно этим током. Во время такого взаимодействия якорь становится своеобразным электрическим магнитом, который крутится вместе с валом. Именно синхронные трёхфазные турбо- и гидрогенераторы производят больше всего полезной энергии.

Помимо этого, такие агрегаты успешно используются многими специалистами в качестве электромоторов для установок, где уровень мощности превышает отметку 50 кВт. Когда синхронный аппарат работает, то в графике двигателя источник постоянного тока соединяют с ротором, а вот статор подсоединяют к трёхфазному кабелю.

Разнообразие модельного ряда

В продаже сегодня можно встретить несколько видов синхронных генераторов, все они прекрасно справляются с теми или иными задачами. Благодаря этому каждый потребитель может выбрать наиболее подходящую модель устройства, которая будет обладать необходимыми эксплуатационными характеристиками. Большим спросом сегодня пользуются следующие виды генераторов:

• Асинхронное устройство двойного типа. В таком генераторе подключена как роторная, так и статорная обмотки. График работы носит асинхронный характер.
• Турбо. Агрегат отличается неявнополюсным строением генератора, изготавливается из турбин разного вида. К основным положительным характеристикам можно отнести высокую скорость оборотов, которая варьируется в пределах 6 тыс. в минуту.
• Синхронный компенсатор. Такой агрегат является поставщиком реактивной мощности, благодаря чему активно используется для повышения качества электроэнергии.
• Гидро. Ротор имеет существенное отличие от всех аналогов, так как присутствуют специальные полюса. Используется для выработки электроэнергии, работает исключительно на малых оборотах.

Устройство синхронного генератора

Качественный статор имеет аналогичный принцип действия с асинхронником. Его корпус собирается из отдельных пластин электротехнической стали, все детали разделены специальными изолирующими слоями. Обмотка переменного тока располагается в специальных пазах. Многочисленные преимущества синхронных трёхфазных генераторов повлияли на то, что они активно эксплуатируются в различных отраслях. Вся проводка обмоток изолируется и фиксируется, что особенно важно для безопасной работы, ведь этот раздел отвечает за подключение нагрузки.

Для тихоходных машин с гидравлическими турбинами изготавливаются высококачественные генераторы выступающего типа. А вот для тех узлов, которые функционируют по принципу скоростного вращения с переменным током, больше всего подходят прочные неявно выраженные полюса. Чтобы агрегат служил как можно дольше, нужно использовать правильное охлаждение. Чаще всего на вал монтируются специальные крыльчатки, которые регулируют уровень температуры ротора с обеих сторон. Весь воздух обязательно подлежит предварительной фильтрации. Если система относится к замкнутому типу, то через теплообменники проходит один и тот же воздух.

Отдельно стоит учесть, что для быстрого и своевременного охлаждения системы желательно использовать водород, который в 14,5 раз легче, нежели воздух. А вот принцип его эксплуатации самый простой.

Современные технологии позволяют изготавливать различные модели индукционных приборов, но в каждом таком изделии присутствуют одинаковые части:

• Прочная обмотка с переменной ЭДС.
• Мощный постоянный магнит или же обычный электромагнит, который производит требуемое рабочее поле.

Для того чтобы получить наибольший магнитный поток, во всех агрегатах предусмотрено наличие специализированной структуры, которая включает в себя два стальных сердечника. Рабочие обмотки установлены в специальные пазы. Один вмонтированный сердечник — внутренний, он крутится вокруг вертикального или же горизонтального стержня, который принято называть ротором. А вот недвижимый сердечник именуется якорем (статором).

Функциональные отличия агрегата

Чтобы устройство слаженно работало в течение долгих лет, нужно заранее ознакомиться с принципом действия синхронного генератора. Для оценки функциональных возможностей агрегата используются те же характеристики, что и для аппаратов с постоянным током. Основные различия касаются только некоторых эксплуатационных условий.

К основным характеристикам синхронного агрегата относятся следующие факты:

• Снижение показателей напряжения наблюдается на активном и индуктивном сопротивлении обмоток устройства. Этот показатель может возрастать по мере того, как возрастает нагрузка самого агрегата.
• Холостой ход. ЭДС прибора во многом зависит от токов возбуждения, что одновременно свидетельствует о намагничивании специальных цепей машины.
• Регулировочные параметры трёхфазного генератора. Производители отмечают тот факт, что токи возбуждения зависят от нагрузки. В процессе активной эксплуатации синхронного генератора необходимо постоянно поддерживать оптимальное напряжение на зажимах. Соблюдать это требование достаточно просто, главное, регулировать ЭДС агрегата. Мастер может менять ток возбуждения в автоматическом режиме. При активно-емкостной нагрузке необходимо снижать ток возбуждения для непрерывного поддержания постоянного напряжения.

Комплектующие элементы

Принцип работы и устройство синхронного генератора отличаются тем, что этот агрегат может использоваться в качестве мотора и генератора. Его функциональные возможности позволяют быстро переходить от графика двигателя к графику работы генератора — это во многом зависит от действия тормозящей или вращающей силы оборудования. Такой принцип работы высоко ценится среди квалифицированных специалистов. Стоит отметить, что в графике двигателя в систему входит электрическая энергия, а выходит механическая.

Устройство синхронного генератора включает в себя следующие элементы:

1. Высококачественная обмотка устройства.
2. Ротор либо индуктор (вращающегося или подвижного типа). В комплекте к этому элементу обязательно прилагается обмотка возбуждения.
3. Несколько разновидностей мощных кабелей, способных выдержать большую нагрузку.
4. Удобный переключатель статорной катушки.
5. Специальный выпрямитель.
6. Высококачественная роторная катушка.
7. Специальный поставщик постоянного тока, работа которого может контролироваться самим пользователем.

Трёхфазный генератор входит в состав цепи переменного тока нелинейных сопротивлений.

Принцип работы

Неправильно настроенное оборудование не сможет слаженно работать в течение длительного промежутка времени, преждевременные поломки могут возникнуть на фоне появления всевозможных перегрузок, из-за некачественного возбуждения сети, а также частых переходов в асинхронные режимы. Последний фактор чаще всего возникает по причине каких-либо отклонений в сети: нагрузки переменного типа, короткие замыкания, неравномерная загрузка фаз.

Стоит отметить, что стабильная работа генератора зависит и от качества подключённой сети, где любое нарушение функционирования отдельно взятых потребителей чревато несимметричностью и искажением сигнала. В такой ситуации может перегреваться как сама конструкция агрегата, так и его обмотка. Наличие мощных преобразователей и выпрямителей чревато искажением синусоида.

Чтобы устройство правильно функционировало, нужно обеспечить ему правильное охлаждение. Если затраты воды достигают отметки 75% от номинала, тогда срабатывает предупредительная сигнализация. Когда расход охладителя находится в пределах 50%, система разгружается за две минуты. Этот вид генератора работает по принципу электромагнитной индукции. Якорная катушка находится в разомкнутом положении только на холостом ходу, из-за чего необходимое магнитное поле формирует исключительно обмотка ротора. Когда этот элемент крутится от проводного мотора, то у него наблюдается постоянная частота.

Первоначальное магнитное поле формируется за счёт обмотки возбуждения, а в катушку якоря поступает электрическая движущая сила. Если же якорь начал двигаться только благодаря вращению с определённой скоростью, то весь поток возбуждения переходит через проводники статорных катушек. В итоге происходит индицирование переменных ЭДС.

Используемые структуры возбуждения

Все крупные производители изготавливают генераторы, моторы и синхронные компрессоры, которые оснащены инновационными полупроводниковыми структурами, такими как возбуждение трёхфазных агрегатов. В таких ситуациях используется беспроигрышный метод выпрямления переменных токов.

Принцип устройства генератора отличается тем, что структуры возбуждения могут обеспечить следующие параметры функционирования:

• Работа аппарата на холостом ходу.
• Электроторможение устройства.
• Функционирование в определённой энергетической структуре с имеющимися нагрузками либо перезагрузками.
• Возбуждение синхронного генератора может быть немного форсировано в связи с такими критериями, как ток и напряжение, которые отвечают заданной кратности.
• Подключение к электросети с помощью точной самосинхронизации.

Сферы применения

Многофункциональные трёхфазные двигатели используются в различной технике. Высокая популярность обусловлена тем, что такие агрегаты обладают необходимой простотой и надёжностью конструкции, а также доступной ценой. Генератор не нуждается в особом уходе, быстро приступает к работе и хорошо переносит длительные нагрузки. Качественное энергоснабжение осуществляется именно по трёхфазной системе переменного тока, так как любое использование двигателей с постоянным током требует установки дополнительных агрегатов.

Трёхфазные генераторы считаются незаменимыми в приводах сверлильных и токарных станков, пилорамах и циркуляционных пилах, лифтах, лебёдках и подъёмных кранах. Помимо этого, такой агрегат широко востребован и в сельскохозяйственной отрасли, где основную работу выполняют барабанные молотилки, веялки, зернопульты, погрузчики. Синхронные установки используются как основной источник электроэнергии переменного тока на крупнейших станциях, на передвижных агрегатах и транспортных машинах (тепловозы, машины, самолёты). Генератор может функционировать как автономно, так и параллельно с сетью.

Конструкторы утверждают, что без такого оборудования не могут обойтись те станции, где отсутствует центральная подача электроэнергии. Особенно это касается крупных фермерских хозяйств, которые возведены вдали от населённых пунктов.

Синхронный генератор Википедия

Синхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой равна частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре.

Устройство[ | ]

Синхронный главный генератор тепловоза 2ТЭ25КМ: 1 — щётка, 2 — контактное кольцо, 3 — вал ротора, 4 — полюс ротора, 5 — статор

Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор (обмотка возбуждения). Как правило, якорь располагается на статоре, а на отделённом от него зазором роторе находится индуктор — таким образом, по принципу действия синхронная машина представляет собой как бы «вывернутую наизнанку» машину постоянного тока, переменный ток для обмотки якоря которой не получается с помощью коллектора, а подводится извне.

Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. Поле якоря оказывает воздействие на поле индуктора и называется поэтому также полем реакции якоря. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора.

Индуктор состоит из полюсов — электромагнитов постоянного тока^[1] или постоянных магнитов (в микромашинах). Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При не явнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, не заполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.

Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока, применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют со

90000 What is Synchronous Generators? — Circuit Globe 90001 90002 90003 Definition: 90004 The synchronous generator or alternator is an electrical machine that converts the mechanical power from a prime mover into an AC electrical power at a particular voltage and frequency. The synchronous motor always runs at a constant speed called synchronous speed. 90005 90006 Working Principle of Synchronous Generator 90007 90002 The synchronous generator works on the principle of Faraday laws of electromagnetic induction.The electromagnetic induction states that electromotive force induced in the armature coil if it is rotating in the uniform magnetic field. The EMF will also be generated if the field rotates and the conductor becomes stationary. Thus, the relative motion between the conductor and the field induces the EMF in the conductor. The wave shape of the induces voltage always a sinusoidal curve. 90005 90010 Construction of Synchronous Generator 90011 90002 The rotor and stator are the rotating and the stationary part of the synchronous generator.They are the power generating components of the synchronous generator. The rotor has the field pole, and the stator consists the armature conductor. The relative motion between the rotor and the stator induces the voltage between the conductor. 90005 90002 90015 90005 90010 Applications of Synchronous Generator 90011 90002 The three-phase synchronous generators have many advantages in generation, transmission and distribution. The large synchronous generators use in the nuclear, thermal and hydropower system for generating the voltages.90005 90002 The synchronous generator with 100MVA power rating uses in the generating station. The 500MVA power rating transformer use in the super thermal power stations. The synchronous generators are the primary source of the electrical power. For the heavy power generation, the stator of the synchronous generator design for voltage ratings between 6.6 kV to 33 kV. 90005 .90000 Synchronous Generator used for Wind Power Generation 90001 Synchronous Generator used for Wind Power Generation Article Alternative Energy Tutorials 19/06/2010 26/05/2020 90002 90002 Alternative Energy Tutorials 90004 Please share / bookmark with: 90005 90006 Synchronous Generator as a Wind Power Generator 90007 90004 90009 90009 Like the DC generator in the previous tutorial, the operation of a 90011 Synchronous Generator 90012 is also based on Faraday’s law of electromagnetic induction, working in a similar fashion to an automotive type alternator.The difference this time is that the synchronous generator generates a three-phase AC voltage output from its stator windings, unlike the DC generator which produces a single DC or direct current output. Single-phase synchronous generators are also available for low power domestic wind turbine synchronous generator systems. 90005 90004 Basically, the 90015 synchronous generator 90016 is a synchronous electro-mechanical machine used as a generator and consists of a magnetic field on the rotor that rotates and a stationary stator containing multiple windings that supplies the generated power.The rotors magnetic field system (excitation) is created by using either permanent magnets mounted directly onto the rotor or energised electro-magnetically by an external DC current flowing in the rotor field windings. 90005 90004 This DC field current is transmitted to the synchronous machine’s rotor via slip rings and carbon or graphite brushes. Unlike the previous DC generator design, synchronous generators do not require complex commutation allowing for a simpler construction. Then the synchronous generator operates in a similar way to the automotive car alternator and consists of the two following common parts: 90005 90020 Main Components of a Synchronous Generator 90021 90022 90023 The Stator: — The stator carries the three separate (3-phase) armature windings physically and electrically displaced from each other by 120 degrees producing an AC voltage output.90024 90023 The Rotor: — The rotor carries the magnetic field either as permanent magnets or wound field coils connected to an external DC power source via slip rings and carbon brushes. 90024 90027 90004 When talking about the «synchronous generator», the terminology used for the description of the machines parts is the reverse to that for the description of the DC generator. The field windings are the windings producing the main magnetic field which are the rotor windings for a synchronous machine, and the armature windings are the windings where the main voltage is induced usually called the stator windings.In other words, for a synchronous machine, the rotor windings are the field windings and the stator windings are the armature windings as shown. 90005 90020 Synchronous Generator Construction 90021 90032 90032 90004 90005 90004 The example above shows the basic construction of a synchronous generator which has a wound salient two-pole rotor. This rotor winding is connected to a DC supply voltage producing a field current, I 90037 f 90038. The external DC excitation voltage which can be as high as 250 volts DC, produces an electromagnetic field around the coil with static North and South poles.When the generators rotor shaft is turned by the turbines blades (the prime mover), the rotor poles will also move producing a rotating magnetic field as the North and South poles rotate at the same angular velocity as the turbine blades, (assuming direct drive) . As the rotor rotates, its magnetic flux cuts the individual stator coils one by one and by Faraday’s law, an emf and therefore a current is induced in each stator coil. 90005 90004 The magnitude of the voltage induced in the stator winding is, as shown above, a function of the magnetic field intensity which is determined by the field current, the rotating speed of the rotor, and the number of turns in the stator winding.As the synchronous machine has three stator coils, a 3-phase voltage supply corresponding to the windings, A, B and C which are electrically 120 90041 o 90042 apart is generated in the stator windings and this is shown above. 90005 90004 This 3-phase stator winding is connected directly to the load, and as these coils are stationary they do not need to go through large unreliable slip-rings, commutator or carbon brushes. Also because the main current generating coils are stationary, it makes it easier to wind and insulate the windings because they are not subjected to rotational and centrifugal forces allowing for greater voltages to be generated.90005 90006 Permanent Magnet Synchronous Generator 90007 90004 As we have seen, wound-field synchronous machines require DC current excitation in the rotor winding. This excitation is done through the use of brushes and slip rings on the generator shaft. However, there are several disadvantages such as requiring regular maintenance, cleaning of the carbon dust, etc. An alternative approach is to use brushless excitation which uses permanent magnets instead of electromagnets. 90005 90004 As its name implies, in a 90011 permanent magnet synchronous generator 90012 (PMSG), the excitation field is created using permanent magnets in the rotor.The permanent magnets can be mounted on the surface of the rotor, embedded into the surface or installed inside the rotor. The air gap between the stator and rotor is reduced for maximum efficiency and to minimise the amount of rare earth magnet material needed. Permanent magnets are typically used in low power, low cost synchronous generators. 90005 90004 For low speed direct drive wind turbine generators the permanent magnet generator is more competitive because it can have higher pole number of 60 or more poles compared to a conventional wound rotor synchronous generator.Also, the excitation implementation with permanent magnets is simpler, more durable but does not allow control of excitation or reactive power. The one major disadvantage of permanent magnet wind turbine synchronous generators is that with no control of the rotor flux, they attain their peak efficiency only at one pre-defined wind speed. 90005 90006 The Generators Synchronous Speed ​​90007 90004 The frequency of the output voltage depends upon the speed of rotation of the rotor, in other words its «angular velocity», as well as the number of individual magnetic poles on the rotor.In our simple example above, the synchronous machine has two-poles, one North pole and one South pole. In other words, the machine has two individual poles or 90015 one pair of poles 90016, (North-South) also known as pole pairs. 90005 90004 As the rotor rotates one complete revolution, 360 90041 o 90042, one cycle of induced emf is generated, so the frequency will be one-cycle every full rotation or 360 90041 o 90042. If we double the number of magnetic poles to four, (two pairs of poles), then for every revolution of the rotor, two cycles of induced emf will be generated and so on.90005 90004 Since one cycle of induced emf is produced with a single pair of poles, the number of cycles of emf produced in one revolution of the rotor will therefore be equal to the number of pole pairs, P. So if the number of cycles per revolution is given as: P / 2 relative to the number of poles and the number of rotor revolutions N per second is given as: N / 60, then the frequency, (ƒ) of the induced emf will be defined as: 90005 90070 90070 90004 90005 90004 In a synchronous motor, its angular velocity is fixed by the frequency of the supply voltage so N is commonly known as the synchronous speed.Then for a «P» -pole synchronous generator the speed of rotation of the prime mover (the turbine blades) in order to produce the required frequency output of either 50Hz or 60Hz of the induced emf will be: 90005 90004 At 50Hz 90005 90078 90079 90080 Number of 90081 Individual Poles 90082 90080 2 90082 90080 4 90082 90080 8 90082 90080 12 90082 90080 24 90082 90080 36 90082 90080 48 90082 90097 90079 90080 Rotational Speed ​​90081 (rpm) 90082 90080 3,000 90082 90080 1,500 90082 90080 750 90082 90080 500 90082 90080 250 90082 90080 167 90082 90080 125 90082 90097 90117 90004 At 60Hz 90005 90078 90079 90080 Number of 90081 Individual Poles 90082 90080 2 90082 90080 4 90082 90080 8 90082 90080 12 90082 90080 24 90082 90080 36 90082 90080 48 90082 90097 90079 90080 Rotational Speed 90081 (rpm) 90082 90080 3,600 90082 90080 1,800 90082 90080 900 90082 90080 600 90082 90080 300 90082 90080 200 90082 90080 150 90082 90097 90117 90004 90005 90004 S o for a given synchronous generator designed with a fixed number of poles, the generator must be driven at a fixed synchronous speed to keep the frequency of the induced emf constant at the required value, either 50Hz or 60Hz to power mains appliances.In other words, the frequency of the emf produced is synchronised with the mechanical rotation of the rotor. 90005 90004 Then from above, we can see that to generate 60 Hz using a 2-pole machine, the rotor must rotate at 3600 revs / min, or to generate 50 Hz using a 4-pole machine, rotor must rotate at 1500 revs / min. For a synchronous generator that is being driven by an electrical motor or steam generator, this synchronous speed may be easy to achieve however, when used as a wind turbine synchronous generator, this may not be possible as the velocity and power of the wind is constantly changing.90005 90004 We know from our previous wind turbine design tutorial, that all wind turbines benefit from the rotor operating at its optimal 90015 tip speed ratio 90016. But to obtain a TSR of between 6 to 8, the angular velocity of the blades is generally very low around 100 to 500 rpm, so looking at our tables above, we would require a synchronous generator with a high number of magnetic poles, eg, 12 or above, as well as some form of mechanical speed limiter such as a Continuously Variable Transmission, or CVT to keep the rotor blades rotating at a constant maximum speed for a direct drive wind turbine system.However, for a synchronous machine, the more poles it has the larger, heavier and more expensive becomes the machine which may or may not be acceptable. 90005 90004 One solution is to use a synchronous machine with a low number of poles which can rotate at a higher speed of 1500 to 3600 rpm driven through a gearbox. The low rotational speed of the wind turbines rotor blades is increased through a gearbox which allows the generator speed to remain more constant when the turbines blade speed changes as a 10% change at 1500rpm is less of a problem than a 10% change at 100rpm.This gearbox can match the generators speed to variable rotational speeds of the blades allowing for variable speed operation over a wider range. 90005 90004 However, the use of a gearbox or pulley system requires regular maintenance, increases the weight of the wind turbine, generates noise, increases power losses and reduces system efficiency as extra energy is required to drive the gearboxes cogs and internal components. 90005 90004 There are many advantages to using a direct drive system without a mechanical gearbox, but the omission of a gearbox means a larger synchronous machine with an increase in both size and cost of the generator, which then has to operate at a low speeds.So how can we operate a synchronous generator in a low speed wind turbine system whose rotor blade speed is determined only by the winds power. By rectifying the generated 3-phase supply into a constant DC or direct current supply. 90005 90006 Synchronous Generator Rectifiers 90007 90004 Rectifiers are electronic devices used to convert AC (alternating current) into DC (direct current). By rectifying the power output from the synchronous generator into a DC supply, the wind turbine generator may be operated at different speeds and frequencies other than its fixed synchronous speed converting this variable frequency / variable amplitude AC output voltage of the generator to a DC voltage of a variable level.By rectifying the output from AC into DC, the generator can now be used as part of a battery-charging wind systems or as part of a variable-speed wind power system. Then the synchronous generator of an alternating current is transformed into a generator of a direct current. 90005 90004 The simplest type of rectifier circuit uses a diode bridge circuit to convert the AC generated by the generator into a fluctuating DC supply whose amplitude is determined by the generators speed of rotation. In this synchronous generator rectifier circuit shown below, the generator’s 3-phase output is rectified to DC by a 3-phase rectifier.90005 90020 Synchronous Generator Rectifier Circuit 90021 90184 90184 90004 90005 90004 The circuit diagram of the full-bridge, three-phase, AC to DC rectifier is shown above. In this configuration, the wind turbine can operate the generator at a frequency independent of the synchronous frequency as changing the generator speed varies the generator frequency. Hence it is possible to vary the speed of the generator over a wider range and to run at the optimal speed to obtain the maximum power depending on the actual wind speed.90005 90004 Note that the output voltage from the 3-phase bridge rectifier is not pure DC. The output voltage has a DC level together with a large AC variation. This waveform is generally known as «pulsating DC» which can be used to charge batteries but can not be used as a satisfactory DC supply. In order to remove this AC ripple content a filter or smoothing circuit is used. These smoothing circuits or ripple filter circuits use combinations of Inductors and Capacitors to produce a smooth DC voltage and current.90005 90004 When used as part of a grid-connected system, synchronous machines can only be connected to the mains grid, when their frequency, phase angle, and output voltage are the same as the grids, in other words they are rotating at their synchronous speed as we have seen above. But by rectifying their variable output voltage and frequency into a steady DC supply, we can now convert this DC voltage into an AC supply of the correct frequency and amplitude, matching that of the mains utility grid by using either a single-phase or 3 phase inverter.90005 90004 An 90015 Inverter 90016 is a device that converts direct current (DC) electricity to alternating current (AC) electricity which can be fed directly into the mains grid as grid-connected inverters operate in sync with the utility grid and produce electricity that’s identical to utility grid power. Grid-connected sine-wave inverters for wind systems are selected with an input range that corresponds to the rectified output voltage of the turbine. 90005 90004 Then the advantage of an indirect grid connection is that it is possible to run the wind turbine at variable speeds.Another advantage of rectifying the output from the generator is that wind turbines with synchronous generators which use electromagnets in their rotor design, can use this DC to supply the coil windings around the electromagnets in the rotor. However the disadvantage of indirect grid connection is the cost as the system needs an inverter and two rectifiers, one to control the stator current, and another to generate the output current as shown below. 90005 90020 Synchronous Generator Circuit 90021 90202 90202 90204 Synchronous Generator Summary 90007 90004 The 90011 wound rotor synchronous generator 90012 is already being used as a wind power turbine generator, but one of the major disadvantage of a synchronous generator can be its complexity and cost.Gearless direct drive generators are very slow turning synchronous generators with large numbers of poles in order to reach their synchronous speed. Generators with fewer poles have higher rotational speeds so require a gearbox or drive train adding to the cost. 90005 90004 Synchronous generators produce electricity whose fundamental output frequency is synchronised to the rotational speed of the rotor. Grid-tied generators require a constant fixed speed to synchronise with the utility grid frequency and it is necessary to excite the rotor winding with an external DC supply, using slip rings and brushes.The major disadvantage of one fixed-speed operation is that it almost never captures the wind energy at the peak efficiency. The wind energy is wasted when the wind speed is higher or lower than the certain value selected as the synchronous speed. 90005 90004 Variable speed wind turbines use rectifiers and inverters to convert variable voltage, variable frequency output of the synchronous generator into the fixed voltage, fixed 50Hz or 60Hz frequency output required by the utility grid. This allows for permanent magnet synchronous generators to be used reducing the cost.For low speed direct drive wind turbine generators the permanent magnet generator is more competitive because it can have higher pole number of 60 or more poles compared to a conventional wound rotor synchronous generator. 90005 90004 In the next tutorial about Wind Energy and 90011 Wind Turbine Generators 90012, we will look at the operation and design of another type of electrical machine called the Induction Generator also known commonly as an «Asynchronous Generator» which can also be used for generating three-phase grid connected AC electricity.90005 90004 To learn more about «Synchronous Generators», or obtain more wind energy information about the various wind turbine generating systems available, or to explore the advantages and disadvantages of using synchronous generators as part of a grid connected wind turbine system, Click Here to get your copy of one of the top Synchronous Generator and Motor books today direct from Amazon. 90005.90000 AC Synchronous Generator: Working Principle, Types 90001 90002 A synchronous generator is a machine that produces AC voltage when its shaft is rotated. A synchronous generator is called synchronous because the generated voltage waveform it produces is synchronized with the rotation of the generator. 90003 90004 90005 Synchronous Generator Basics 90006 90007 90008 90002 A synchronous generator is an ac generator in which the output is synchronized to the position of the rotor. 90003 90011 90002 The frequency of the voltage produced by the synchronous generator depends only on the 90005 speed at which its shaft is turned and the number of poles it has 90006.90005 This makes the synchronous generator 90006 very efficient for producing electrical power for utility companies because it produces power at line frequency on a continual basis when its rotor is rotated at a constant rate. 90003 90002 90019 90003 90002 90005 Figure 1 90006 SLIP RINGS AND CARBON BRUSHES: 90003 90008 90002 Slip rings are smooth rings that are mounted on a rotor and connected to one end of the rotor coil. 90003 90011 90002 Brushes ride directly on the slip rings and make electrical contact with the external terminals.Brushes wear down eventually, so they must be inspected periodically and replaced as needed. 90003 90002 Large synchronous generators require an excitation voltage for the field. This voltage comes from a separate power source such as a smaller auxiliary dc generator called an exciter to supply field current. 90003 90002 Usually, the exciter is mounted on the main shaft. Different types of exciters include separate exciters that are dc generators, static exciters (with no rotating parts), and shaft-driven dc exciters.Current from the exciter is usually controlled by an automatic or manual regulator. 90003 90002 You will encounter 90005 two types of AC synchronous generators 90006 when you are working with renewable energy systems. 90003 90002 In 90005 one type 90006, the armature is the rotor, and current from the armature is generated in the rotor; this is called a 90005 rotating armature ac generator 90006. In this case, slip rings and brushes are used to pass current from the rotor through insulated porcelain bushings to the electrical terminals on the frame of the generator.90003 90002 The 90005 other type 90006 has the field on the rotor and the armature on the stator. In this case, slip rings and brushes may not be necessary because power is produced in the stationary stator, and rotor current can be supplied from a separate rotating exciter that is mounted on the same shaft. This is called a 90005 rotating-field ac generator 90006. 90003 90008 90002 In either case, the rotor shaft is connected to a prime mover that causes it to spin. 90003 90011 90002 In large generators, the field rotates and the armature windings are on the stator.Three-phase is standard for utilities because it can be transmitted at lower cost, and a three-phase generator is significantly smaller than a single-phase generator of the same rating. 90003 90002 The electrical frequency of the three-phase output voltage depends on the mechanical speed of the rotor and the number of poles in the generator as mentioned previously. 90003 90004 90005 Rotating Armature AC Synchronous Generator Working 90006 90007 90002 The rotating armature generator is also called the 90005 stationary field generator 90006.In a small rotating-armature generator, the magnetic field can be supplied by permanent magnets surrounding the rotor or by electromagnets. 90003 90002 Because the armature is in the rotating assembly, slip rings and brushes are used to take current from the rotor and pass it to the output. 90003 90002 In addition to hundreds of windings, the practical rotating-armature generator usually has many pole-pairs in the stator that alternate as north and south poles around the periphery. 90003 90002 Opposite poles are positioned next to each other so that the rotor generates a complete sine wave as it passes each pair of poles.90003 90002 When the prime mover turns the rotor, the armature windings cut the magnetic flux lines from the field and generate a sinusoidal wave. 90003 90002 The poles for the field winding are part of the magnetic path; the path includes the rotor, air gap, stator poles, and case, but not the bottom plate. 90003 90002 The bottom plate is made of a nonmagnetic material to eliminate induced current. The field windings are wound on the poles. 90003 90008 90002 A single-phase generator has two slip rings that are connected to the coil on the rotor.90003 90011 90002 Rotating armature ac generators are typically used for low-power applications, usually less than 5 kVA because the current through the slip rings and brushes is low. Most rotating-armature generators produce only single-phase. 90003 90004 90005 Rotating-Field AC 90006 90005 Synchronous 90006 90005 Generator Working 90006 90007 90008 90002 All large ac synchronous generators are 90005 rotating-field generators 90006, which are universally used by utility companies. The rotating-field ac generator is also called the stationary armature generator.90003 90011 90002 Because the armature windings are on the stator, larger amounts of power can easily be generated and moved to the load or to the grid (there are no moving contacts between the armature and the output terminals). 90003 90002 In very small, rotating-field ac generators, permanent magnets may be used for the rotor field; however, most rotating-field generators use an electromagnet for the rotor (this is known as a wound rotor). 90003 90002 A wound rotor is a rotor core assembly that has a winding made up of individually insulated wires.90003 90002 In a generator, dc is supplied to the rotor to provide the magnetic flux for the rotating field. Because dc is provided, the 90005 electromagnet has fixed polarity 90006 (like a bar magnet). As the rotating magnetic field sweeps by the stator windings, the magnetic field from the rotor cuts through armature windings in the stator and power is generated. 90003 90008 90002 Utility companies are particularly concerned about the efficiency of their generators. As generators are made larger, their efficiency improves.90003 90011 90002 A large machine actually weighs less per kW produced than a small machine, and with the increase in efficiency, larger is better from a utility company perspective. 90003 90002 The 90005 only drawback 90006 is that large generators require some form of cooling. Three basic cooling systems-air cooling, compressed hydrogen cooling, and water / oil cooling systems-are in use. 90003 90002 The required cooling system depends on the specific type of generator and power output. For example, large, low-speed, multi-pole generators are easier to cool than high-speed generators.90003 90002 In a rotating-field ac generator, the current for the field winding is usually produced from an exciter. 90003 90002 As mentioned previously, several different types of exciters are available, but it is common for the exciter armature and the main field rotor to move together on a common shaft. 90003 90008 90002 The exciter can be a dc generator or it can be an alternator that uses diodes to convert its output to dc. The net result is the required dc that is used to create the rotor field.90003 90011 90002 90005 Figure 2 90006 shows a diagram of a 90005 large rotating-field ac generator 90006. It has a dc exciter generator on the left end of the rotor, and the rotating field in the main generator. 90003 90002 The armature for the main generator is made of coils of wire pressed onto the stator poles. These coils are connected as three separate windings located 120 ° apart to produce three-phase (3φ) voltage. 90003 90002 The current in the rotating field is controlled by the exciter, which in turn controls the output.The output voltage from the ac exciter is a three-phase ac that is routed through a rotating six-diode bridge rectifier, where it is turned into dc. 90003 90002 Because the exciter armature and diodes are mounted on the same shaft as the field windings of the main generator, the two wires that provide positive and negative dc to the main generator field can be connected directly without the need for slip rings and brushes. This means that the generator can run long periods between maintenance times.90003 90002 The field current can be controlled directly with a regulator, or the output voltage of the exciter can be controlled to increase or decrease the main generator output. 90003 90002 90144 90003 90002 90005 Figure 2 90006 Rotating-Field Synchronous Generator with an Exciter that Supplies Current for the Rotor Field 90003 90002 90005 Figure 3 90006 shows a 90005 large three-phase synchronous generator 90006 that can produce up to 75 MVA of power. This is an example of a rotating-field generator that uses an exciter to provide field current.90003 90008 90002 The rotor on the synchronous generator may be made as a salient pole or a nonsalient pole. 90003 90011 90002 The term 90005 salient 90006 means projecting beyond a surface, level, or line. The salient poles consist of wires wrapped tightly around magnetic pole pieces that project from the rotor. 90005 This design 90006 is limited to lower-speed generators, so it is useful for some smaller wind turbines and some low-speed hydroelectric turbines. 90003 90002 Generators with 90005 nonsalient poles 90006 are used for higher speeds and are useful in fossil-fuel and nuclear plants, where they typically spin at 3,600 rpm to take advantage of the high-pressure steam.90003 90002 The higher rotational speeds produce stronger centrifugal forces, which would pull salient pole rotors apart. 90003 90002 Non-salient poles are also called turbine poles. They can be made as a long steel cylinder. The rotor is made by pressing windings into slots of a pole piece, and this design can withstand the higher speeds produced by steam turbines. 90003 90004 90005 Three-Phase Synchronous Generator Working 90006 90007 90002 90005 Figure 4a 90006 shows a simplified 90005 three-phase generator 90006.The rotating field is shown as a permanent magnet. 90003 90002 When the prime mover rotates the field past the three stator windings, a three-phase sine wave is produced. 90005 Figure 4b 90006 shows the three-phase output from the generator. 90003 90002 A sine wave is produced as the pole of the field winding is rotated past the armature winding in the stator. If the North Pole generates the positive half of the sine wave, the South Pole generates the negative half cycle. 90003 90008 90002 Because the armature windings are mounted 120 ° apart in the stator, the sine waves are separated by 120 °.90003 90011 90002 Most generators produce three-phase because it is more efficient. If the final output needs to be dc, three-phase is easy to convert to dc using diodes. The synchronous generator does not have a slip, so the output frequency is constant when the speed is held constant. 90003 90002 90197 90003 90002 90005 Figure 3 90006 Synchronous Generator for a Utility 90003 90002 90204 90003 90002 90005 Figure 4 90006 Three-Phase Rotating-Field Generator and Three-Phase Sine Wave.Figure 4b shows the output of the generator. For simplicity, the rotor in Figure 4a is shown as a permanent magnet. 90003 90004 90005 Synchronous Generators Used in Wind Turbines 90006 90007 90008 90002 The synchronous generator is generally used in wind turbines when the generator is connected directly to the grid and does not use an inverter. 90003 90011 90002 A 90005 primary advantage 90006 of synchronous generators for wind turbines is that they can receive a voltage from the grid and act as an electric motor if the blades are not turning.90003 90002 If the wind speed is low, the generator can act as a motor to begin turning the blades. The voltage from the grid helps the motor come up to near-synchronous speed and starts the blades turning fast enough so that the wind can take over. 90003 90002 If the motor were not used to turn the blades during start-up, the wind turbine would not be able to start to harvest energy until wind speeds are higher. 90003 90002 As the 90005 wind begins to pick up 90006 and the blades begin to harvest energy, the voltage from the grid is automatically disconnected from the synchronous machine, and the wind turbine blades begin to turn the shaft fast enough that it is generating electricity.This transition occurs above a wind speed of approximately 6 mph. 90003 90002 90005 Another advantage of using the synchronous generator 90006 in a wind turbine is that, when dc is provided to its rotating-field coil, a very strong magnetic field is created, and the synchronous generator has almost no slip. 90003 90002 90005 Thus, 90006 if the generator is connected correctly to the grid, its shaft runs at near its design speed at all times, which ensures that it produces voltage with a frequency near its rated 60 Hz.90003 90002 90005 Figure 5 90006 shows a synchronous generator used in a wind turbine. 90003 90002 90243 90003 90002 90005 Figure 5 90006 Generator for a Wind Turbine 90003 90004 90005 Calculating the Speed ​​of a Synchronous Generator 90006 90007 90002 The frequency of a synchronous generator is determined by the number of poles in the armature and the speed of the turning rotor . The equation for frequency from a synchronous generator is: 90003 90002 \ [f = Np \ times RPM \ times 120 \] 90003 90002 Where 90003 90002 90260 f 90261 = frequency, in Hz 90003 90002 90260 N 90265 p 90266 90261 = number of poles 90003 90002 RPM = rotational speed, in revolutions per minute 90003 90004 90005 Induced Voltage Frequency Calculation 90006 90007 90002 What is the frequency of an induced voltage for a generator that has four poles and turns at 1,800 rpm? 90003 90002 90005 Solution: 90006 90003 90002 90005 f 90006 = Np × RPM × 120 = 4 × 1,800 × 120 = 60 Hz 90003 90004 90005 Synchronous Generator Speed ​​Calculation 90006 90007 90002 How fast does a twenty-four-pole generator need to rotate to produce 60 Hz? 90003 90002 90005 Solution: 90006 90003 90002 90005 Table 1 90006 summarizes the number of poles and rpm required to produce 50 Hz or 60 Hz, which are the two most common frequencies for electrical grids throughout the world.90003 90002 The number of poles for a generator is always in pairs, so the number of poles is always an even number. 90003 90002 The higher the number of pole pairs, the lower the rotational speed for the generator to produce a given frequency. 90003 90303 90304 90305 90306 90005 Number of Poles 90006 90309 90306 90005 RPM for 50 Hz 90006 90309 90306 90005 RPM for 60 Hz 90006 90309 90318 90319 90320 90305 90306 2 90309 90306 3,000 90309 90306 3,600 90309 90318 90305 90306 4 90309 90306 1,500 90309 90306 1,800 90309 90318 90305 90306 6 90309 90306 1,000 90309 90306 1,200 90309 90318 90305 90306 8 90309 90306 750 90309 90306 900 90309 90318 90305 90306 10 90309 90306 600 90309 90306 720 90309 90318 90305 90306 12 90309 90306 500 90309 90306 600 90309 90318 90305 90306 14 90309 90306 429 90309 90306 514 90309 90318 90305 90306 16 90309 90306 375 90309 90306 450 90309 90318 90305 90306 18 90309 90306 333 90309 90306 400 90309 90318 90305 90306 20 90309 90306 300 90309 90306 360 90309 90318 90305 90306 40 90309 90306 150 90309 90306 180 90309 90318 90409 90410 90002 90005 Table 1 90006 Number of Poles Needed to Generate 5 0 Hz or 60 Hz 90003 90002 90005 Figure 6 90006 shows a second set of field poles on a generator.When the second set of poles is added, the output voltage of the generator has an extra sine wave for each revolution of the generator. 90003 90002 If additional poles are added, more sine waves are produced during each revolution of the rotor. 90003 90002 90422 90003 90002 90005 Figure 6 90006 Output Sine Wave for a Generator with Four Field Poles. Notice that there are two cycles at the output for every revolution of the rotor. 90003 90002 90005 Review Question 90006 90003 90432 90433 What are the main parts of a synchronous generator? 90434 90433 How does a rotating-armature generator produce voltage? 90434 90433 How does a rotating-field generator produce voltage? 90434 90433 How does a permanent magnet synchronous generator produce voltage? 90434 90441 90002 90005 Answers 90006 90003 90432 90433 The main parts of a synchronous generator are the rotor (which generally is the field winding or, in small generators, a rotating permanent magnet, a method of supplying the field coils with electricity) and the stator (which is usually the armature where power is removed).Very large synchronous generators have an exciter that provides field current. If the exciter produces ac, there are diodes to rectify it for the required dc for the main generator’s field. Other generators have bearings, a cooling fan, and a case. 90434 90433 In a rotating armature generator, the armature is a coil that cuts lines in the magnetic field provided by the stator and transmits the output through slip rings and brushes to the outside. 90434 90433 In a rotating-field generator, the field is provided by either a coil or a permanent magnet and provides a rotating field that generates a voltage in fixed stator coils as it spins.The output is taken from the stator windings. 90434 90433 The permanent magnet provides the rotating magnetic field that induces a voltage in the stator coils as it passes them. 90434 90441.90000 EMF Equation of a Synchronous Generator 90001 90002 The generator which runs at a synchronous speed is known as the synchronous generator. The synchronous generator converts the mechanical power into electrical energy for the grid.The Derivation of 90003 EMF Equation 90004 of a synchronous generator is given below. 90005 90002 Let, 90005 90008 90009 P be the number of poles 90010 90009 φ is Flux per pole in Webers 90010 90009 N is the speed in revolution per minute (r.p.m) 90010 90009 f be the frequency in Hertz 90010 90009 Z 90018 ph 90019 is the number of conductors connected in series per phase 90010 90009 T 90018 ph 90019 is the number of turns connected in series per phase 90010 90009 K 90018 c 90019 is the coil span factor 90010 90009 K 90018 d 90019 is the distribution factor 90010 90033 90002 Flux cut by each conductor during one revolution is given as 90003 Pφ 90004 Weber. Time taken to complete one revolution is given by 90003 60 / N 90004 sec 90005 90002 Average EMF induced per conductor will be given by the equation shown below 90005 90002 90043 90005 90002 Average EMF induced per phase will be given by the equation shown below 90005 90002 90048 90005 90002 The average EMF equation is derived with the following assumptions given below.90005 90008 90009 Coils have got the full pitch. 90010 90009 All the conductors are concentrated in one stator slot. 90010 90033 90002 90003 Root mean square 90004 (R.M.S) value of the EMF induced per phase is given by the equation shown below. 90005 90002 90003 E 90018 ph 90019 = Average value x form factor 90004 90005 90002 Therefore, 90005 90002 90071 90005 90002 If the coil span factor K 90018 c 90019 and the distribution factor K 90018 d, 90019 are taken into consideration than the Actual EMF induced per phase is given as 90005 90002 90080 90005 90002 Equation (1) shown above is the EMF equation of the Synchronous Generator.90005 90002 Coil Span Factor 90005 90002 The Coil Span Factor is defined as the ratio of the induced emf in a coil when the winding is short pitched to the induced emf in the same coil when the winding is full pitched. 90005 90002 Distribution Factor 90005 90002 Distribution factor is defined as the ratio of induced EMF in the coil group when the winding is distributed in a number of slots to the induced EMF in the coil group when the winding is concentrated in one slot. 90005 .