Do przetwarzania energii mechanicznej na elektryczną stosuje się trójfazowe prądnice synchroniczne, przy czym prądnice z tzw. utajonymi biegunami nazywają się turbogeneratorami - z uwagi na napęd turbinami parowymi, natomiast prądnice z jawnymi biegunami - stosowane w elektrowniach wodnych - hydrogeneratorami. Turbogeneratory najczęściej są budowane jako dwubiegunowe.
Do najważniejszych parametrów pracy prądnicy synchronicznej należą:
- moc pozorna - S [MVA],
- napięcie stojana - U [kV],
- prąd stojana - I [kA],
- współczynnik mocy - cos φ,
- prędkość obrotowa - n [obr/min],
- napięcie wzbudzenia - Uw [V],
- prąd wzbudzenia - Iw [A]
Turbogeneratory są to prądnice szybko obrotowe (3000, 1500 obr/min przy 50Hz), budowane z wirnikiem cylindrycznym o mocy od kilkuset kVA do największych mocy przekraczających 1000MVA. Są one napędzane turbinami parowymi. Turbogeneratory są instalowane w elektrowniach cieplnych zawodowych i przemysłowych jako podstawowe jednostki prądotwórcze zasilające system elektroenergetyczny.
Przemysł krajowy produkuje następujące typy prądnic synchronicznych:
§ Seria GT2 - turbogeneratory dwubiegunowe (n = 3000 obr/min) z chłodzeniem powietrznym w obiegu zamkniętym, o mocy od 7,5 do 40 MVA na napięcie 6,3 i 10 kV. Tego typu generatory produkują: Dolnośląskie Zakłady Wytwórcze maszyn elektrycznych ''DOLMEL'' (obecnie Dozamel).
§ Seria GT4 - turbogeneratory czterobiegunowe (n = 1500 obr/min) z chłodzeniem powietrznym, o mocy od 0,63 do 2,5 MVA na napięcie 400V oraz o mocy od 1 do 6,3 MVA na napięcie 6,3 kV.
§ Turbogeneratory dwubiegunowe (n = 3000 obr/min) dużej mocy dla energetyki zawodowej typu GTH z chłodzeniem wodorowym oraz GTHW z chłodzeniem wodorowym i wodnym uzwojeń stojan o mocy od 78,8 do 1250 MVA na napięcia 10,5-27 kV.
Do największych producentów generatorów synchronicznych zaliczamy: General Electric (USA), ABB, Śkoda (Czechy), Alstom (Francja).
Wyżej wymienione firmy produkują turbozespoły od kilku MW do kilkuset, a nawet powyżej 1000 MW.
W celu ograniczenia wartości prądu zaczęto budować generatory na większe napięcia. Dla obecnie budowanych generatorów z uwagi na ograniczenie właściwości materiałów izolacyjnych napięcie nie przekracza 27 kV. Moc czynną oddawaną przez generator reguluje się przez zmianę strumienia masy czynnika dopływającego do turbiny.
Na wartość napięcia, współczynnika mocy (mocy biernej) prądnicy wpływa się przez zmianę prądu wzbudzenia. Częstotliwość napięcia generatora pracującego samotnie zależy od prędkości obrotowej turbiny napędzającej, a przy pracy równoległej wartość napięcia na zaciskach i częstotliwość są określone przez warunki pracy systemu energetycznego, do którego jest przyłączony generator.
Generator synchroniczny pracujący samotnie (np. zasilający wydzieloną grupę odbiorników) może wirować z różnymi prędkościami, zależnymi od tego, z jaką prędkością obrotową wiruje maszyna napędowa przy danym momencie obrotowym, równoważącym moment obrotowy generatora synchronicznego, powstający przy danym obciążeniu tego generatora. Ze zmiana prędkości obrotowej, zgodnie z zależnością: f = pn/60, zmienia się jednak częstotliwość napięcia indukowanego w generatorze.
Dla uzyskania stałej żądanej częstotliwości, musi być utrzymana stała prędkość obrotowa generatora synchronicznego. Osiąga się to przez odpowiednią regulację prędkości obrotowej maszyny napędowej.
Przy przyłączeniu generatora synchronicznego do tzw. sieci sztywnej, tj. zasilanej innymi dużymi generatorami synchronicznymi, częstotliwość napięć indukowanych w uzwojeniach rozpatrywanego generatora jest równa częstotliwości napięcia w sieci i nie może ulegać zmianom. Wtedy zmiana momentu obrotowego maszyny napędowej nie zmienia w stanie ustalonym prędkości obrotowej generatora, lecz wywołuje zmianę jego obciążenia.
Generatory pracujące na sieć tzw. elastyczną mogą wirować z prędkością obrotową zależną od potrzeb sieci elastycznej tzn. zwiększać lub zmniejszać obroty w zależności od żądanej częstotliwości.
Zasada działania generatora
Wirnik generatora, którego uzwojenie wzbudzenia jest zasilane prądem stałym (prądem wzbudzenia Iw) tworzy magneśnicę. Przepływ prądu przez uzwojenia wirnika wytwarza strumień magnetyczny, który obracając się wraz z uzwojeniem wirnika z jednakową prędkością względem uzwojenia stojana indukuje w uzwojeniu stojana napięcie Ew.
Prąd I płynący w uzwojeniu stojana wytwarza strumień oddziaływania twornika sprzęgający oba uzwojenia, oraz strumień rozproszenia twornika względem uzwojenia wzbudzenia. Strumieniom tym odpowiadają reaktancje: oddziaływania twornika Xad i rozproszenia twornika Xs tworząc reaktancję synchroniczną Xd.
Xd = Xad + Xs
Jeżeli w tworniku jest uzwojenie trófazowe, to indukuje się w nim układ napięć trójfazowych. Trójfazowy układ prądów twornika tworzy strumień wirujący z prędkością:
f = pn/60
tj. z prędkością identyczną do prędkości obrotowej wirnika.
