Синхронные машины. Машины постоянного тока
Принцип действия и структура синхронных машин, основные элементы и их взаимодействие, сферы и особенности применения. Устройство и методика использования машин постоянного тока, их разновидности, оценка Э.д.с., электромагнитного момента этого типа машин.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | учебное пособие |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 23.12.2009 |
| Размер файла | 7,3 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Для того чтобы двигатель работал при соsц = 1, вектор тока Эа должен опережать вектор э. д. с. Л0 на угол в0, который в зависимости от нагрузки составляет 30-60°. Пусковой момент вентильного двигателя максимален при в0 = 0, поэтому в электроприводах с тяжелыми условиями пуска сначала регулирование ведут при в0 = 0, а с ростом частоты вращения начинают задавать некоторый угол опережения.
При необходимости питания вентильного двигателя от сети трехфазного тока могут применяться преобразователи частоты с непосредственной связью, т.е. без промежуточного выпрямления (рис. 1.52, а). Преимуществом таких преобразователей является отсутствие узлов принудительной коммутации, так как тиристоры перестают проводить ток после изменения направления напряжения в соответствующей фазе. Однако достаточно хорошее приближение формы выходного напряжения к синусоиде и четкое прекращение тока (в необходимый момент) может быть получено только в том случае, если источник трехфазного тока имеет частоту, в два-три раза большую, чем выходная частота преобразователя (рис. 1.52, б).
Рис. 1.52 - Принципиальная схема питания вентильного двигателя от преобразователя частоты с непосредственной связью (а) и форма кривой выходного напряжения преобразователя (б)
Рис. 1.53 - Схема электротрансмиссии автомобиля с вентильными двигателями
В качестве примера рассмотренного способа питания вентильного двигателя на рис. 1.53 приведена принципиальная схема электротрансмиссии мощного автомобиля. Дизель Д вращает вал трехфазного синхронного генератора СГ повышенной частоты (800 Гц) примерно с постоянной частотой. Напряжение генератора СГ, величина которого регулируется изменением тока возбуждения подается на тиристорный преобразователь частоты ПЧ, от которого пониженная частота подается к вентильным тяговым двигателям ВД, каждый из которых вращает ось соответствующего колеса. Частота тока на выходе преобразователя при этом регулируется в пределах от 0 до 400 Гц.
Рис. 1.54 - Принципиальная схема питания вентильного двигателя от однофазной сеги (а) и графики изменения э. д. с. и тока в фазе двигателя (б)
На рис 1.54, а приведена схема питания вентильного двигателя от однофазной сети, разработанная для мощных электровозов переменного тока. Однофазный трансформатор электровоза имеет две вторичные обмотки: а1 - х1 и а2 - х2, средние точки которых соединены между собой через дроссель L. К каждой вторичной обмотке подключены шесть тиристоров Т, которые позволяют питать обмотку якоря двигателя трехфазным током, создавая вращающееся магнитное поле. При малой частоте вращения, когда частота выходного напряжения (машинная частота) не превосходит 10 Гц коммутация тиристоров (их запирание) происходит под действием'напряжения сети. При повышенных частотах коммутация осуществляется за счет э.д.с, индуктируемых в фазах якоря двигателя, так как включение тиристора, питающего очередную фазу производится с опережением- в момент времени t1 (рис. 1.54, б). Иными словами, включение тиристора произойдет раньше, чем э д с в этой фазе приблизится к значению, при котором происходит естественная коммутация вентилей, включенных в соседние фазы (момент времени t2). Разность э.д.с. по контуру двух фаз, замкнутых накоротко включенными тиристорами одной полярности, обеспечивает закрытие тиристора, питающего ту фазу, в которой индуктируется большая э. д. с. Для нормального закрытия тиристоров практически приходится делать угол опережения в0 равным 30-60°, так как индуктивность фаз довольно велика и ток в тиристорах нарастает и спадает плавно.
Использование рассмотренного способа коммутации тиристоров вентильного двигателя дает возможность обеспечить работу при частоте, равной частоте питающей сети или даже большей ее (при так называемых «сверхсинхронных частотах вращения»). Для того чтобы при повышенных частотах вращения форма кривой тока в фазах двигателя была близка к прямоугольной, между вторичными обмотками трансформатора включают мощный дроссель L, обтекаемый током одного направления. Недостатками рассмотренной схемы питания вентильного двигателя являются сложность системы управления и пониженный к. п. д. (из-за наличия большого дросселя).
Следует отметить, что все типы вентильных двигателей не обладают еще достаточно высокой надежностью из-за сложности преобразователей частоты и их схем управления, которые имеют большое количество вентилей и других элементов, весьма чувствительных к перегрузкам. Тем не менее вентильные двигатели, как и асинхронные двигатели с частотным регулированием, являются весьма перспективными и в будущем можно ожидать широкое применение их в электроприводе. В настоящее время происходит быстрое совершенствование мощных тиристоров, интегральных схем и других полупроводниковых приборов, которое позволит обеспечить надежную работу преобразователей частоты.
1.16 Синхронный компенсатор
Синхронный компенсатор представляет собой синхронный двигатель, работающий без нагрузки на валу; при этом по обмотке якоря проходит практически только реактивный ток. Синхронный компенсатор может работать в режиме улучшения соsц или в режиме стабилизации напряжения.
Обычно электрическая сегь, питающая электроэнергией промышленные предприятия, нагружена током Iн отстающим по фазе от напряжения сети Uc (рис. 1.55, а). Это объясняется тем, что от сети получают питание асинхронные двигатели, у которых реактивная составляющая тока довольно велика. Для улучшения cosц сети синхронный компенсатор должен работать в режиме перевозбуждения. При этом ток возбуждения регулируется так, чтобы ток якоря Эа синхронного компенсатора опережал на 90° напряжение сети Щс (рис. 1.55, а) и был примерно равен реактивной составляющей Эн.р тока нагрузки Эн. В результате сеть загружается только активным током нагрузки Эс = Эн.а.
При работе в режиме стабилизации напряжения ток возбуждения синхронного компенсатора устанавливается постоянным, причем такой величины, чтобы э. д. с. компенсатора Е0 была равна номинальному напряжению сети Uс.ном (рис. 1.55, б). В сети при этом имеется некоторый ток Iн создающий падение напряжения
,
где rс и хс-активное и индуктивное сопротивления сети; ц-угол сдвига фаз между векторами напряжения и тока сети.
Рис. 1.55 - Векторные диаграммы синхронного компенсатора:
а-в режиме улучшения cos ф сети; б, в, г-в режиме стабилизации напряжения
Если напряжение сети в точке подключения синхронного компенсатора несколько понизится из-за возрастания тока нагрузки Iн и станет меньше Uс.ном, то синхронный компенсатор начнет забирать из сети реактивный опережающий ток Эа (рис. 1.55, в). Это уменьшает падение напряжения в ней на величину ДUк = Iaxc. При повышении напряжения в сети, когда Uc > Uс.ном, синхронный компенсатор загружает сеть реактивным отстающим током Эа (рис. 1.55, г), что приводит к увеличению падения напряжения на величину ДUк = Iaxc. При достаточной мощности синхронного компенсатора колебания напряжения в сети не превышают 0,5 - 1,0%. Недостатком указанного метода стабилизации напряжения является то, что синхронный компенсатор загружает линию реактивным током, увеличивая потери в ней.
1.17 Однофазная синхронная машина
Однофазная синхронная машина может работать в качестве генератора и двигателя. При этом на статоре машины укладывают обмотку якоря (рис. 1.56, а), занимающую примерно 2/3 его окружности. Располагать обмотку якоря по всей окружности статора нецелесообразно, так как при этом расход меди увеличится в 1,5 раза, а мощность повысится незначительно - примерно на 15%. Это объясняется тем, что по мере увеличения числа пазов уменьшается обмоточный коэффициент, который для машины с равномерно распределенной обмоткой якоря составляет около 0,64. Однако из-за уменьшения числа пазов, заполненных обмоткой, мощность однофазной машины примерно в 1,4 раза меньше мощности трехфазной машины с одинаковым диаметром статора и при одинаковых потерях мощности в его обмотке.
Рис. 1.56 - Схематический разрез однофазной синхронной машины (а) и векторная диаграмма м. д. с. и э. д. с, создаваемых обратным полем (б): 1-статор, 2-обмотка якоря, 3 - ротор, 4 - обмотка возбуждения
При протекании однофазного тока по обмотке якоря возникает как прямое Фпр, так и обратное Фобр магнитные поля. Прямое поле относительно ротора неподвижно; обратное же вращается с угловой скоростью 2щ1 и индуктирует в обмотке возбуждения э. д. с, частота которой в два раза больше частоты э. д. с. в обмотке якоря. Протекающий при этом ток двойной частоты может вызвать искрение на щетках возбудителя и ряд других нежелательных последствий. Для устранения этих явлений на роторе однофазной машины обязательно размещают короткозамкнутую демпферную обмотку типа беличьей клетки. В стержнях демпферной обмотки обратное поле индуктирует э. д. с. двойной частоты, вследствие чего создаваемая этой обмоткой м. д. с. Fд будет вращаться с той же частотой и в том же направлении, что и обратное поле, созданное м. д. с. Fобр обмотки статора. Векторная диаграмма (рис. 1.56, б), иллюстрирующая взаимодействие этих м. д. с, сходна с векторной диаграммой трансформатора тока. Так же как и в трансформаторе тока, м. д. с. Fд оказывает размагничивающее действие на м. д. с. Fобр, при этом результирующая м. д. с. Fрез и создаваемый ею поток Фрез, а также э. д. с. Ед в демпферной обмотке и э. д. с. Ев в обмотке возбуждения резко уменьшаются. Таким образом, при наличии демпферной обмотки обратное поле почти полностью гасится и через обмотку возбуждения переменный ток практически не проходит.
1.18 Понятие о переходных процессах в синхронных машинах
Процессы, возникающие в синхронных машинах при переходных режимах, например при внезапном коротком замыкании или резком изменении нагрузки, весьма сложны, что вызывает значительные
трудности при их точном количественном расчете. Однако поведение синхронной машины при указанных режимах имеет очень большое практическое значение, так как переходные процессы могут вызвать повреждение машины, а следовательно, и значительные убытки, связанные с перерывом энергоснабжения промышленных предприятий. Поэтому необходимо иметь общее представление о физических процессах, возникающих при переходных режимах, и установить хотя бы приближенно величину аварийных токов, имеющих место при коротком замыкании.
Рис. 1.57. Графики изменения токов в обмотках якоря (а), возбуждения (б) и демпферной (в) при коротком замыкании
Внезапное короткое замыкание синхронного генератора. Рассмотрим трехфазное короткое замыкание синхронного генератора, работающего предварительно в режиме холостого хода.
Осциллограмма тока якоря в одной из фаз генератора показана на рис. 1.57. На первый взгляд изменение тока якоря напоминает закон изменения тока трансформатора при коротком замыкании, описываемый формулой (2-98):
,
где iк.п и iк.а - периодическая и апериодическая составляющие тока короткого замыкания; Iуст m-амплитуда установившегося тока короткого замыкания; б0 - начальная фаза напряжения при t = 0, т.е. в момент начала короткого замыкания; rк и Lк - сопротивление и индуктивность трансформатора при коротком замыкании.
Однако более подробный анализ показывает, что процесс короткого замыкания в синхронном генераторе значительно сложнее, чем в трансформаторе.
Рис. 1.58 - График изменения тока в обмотке якоря при коротком замыкании
При коротком замыкании генератора с течением времени постепенно уменьшается амплитуда периодической составляющей Iк, п тока генератора (рис. 1.58) и в конце концов она становится равной амплитуде установившегося тока короткого замыкания:
.
В первом полупериоде амплитуда периодической составляющей в 5-8 раз превышает величину Iкm. Это происходит из-за того, что в начальный момент процесса короткого замыкания э. д. с. синхронного генератора близка к э. д. с. холостого хода Е0 и только через 0,6-1,5 с становится равной
.
Быстрому уменьшению э. д. с. Е и потока Фрез препятствует появление переходного тока в обмотке возбуждения (рис. 1.57, б), который возникает из-за того, что в обмотке возбуждения индуктируется э. д. с.
. (1.52)
Переходный ток в обмотке возбуждения имеет максимум в начальный период короткого замыкания и постепенно затухает, уменьшаясь до установившегося значения тока, предшествовавшего короткому замыканию. В соответствии с уменьшением тока возбуждения снижаются результирующий поток, э. д. с. генератора и амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания. Наибольшее значение этой амплитуды
. (1.53)
где x'd-продольное переходное индуктивное сопротивление обмотки якоря.
Поскольку амплитуда тока постепенно затухает, приближаясь к установившемуся значению тока короткого замыкания Iкm, периодическая составляющая тока короткого замыкания может быть представлена в виде
, (1.54)
так как индуктивное сопротивление синхронной машины значительно больше активного и цк ? arctg (хк/rк) ? р/2.
Переходная постоянная времени T'd обусловлена не только параметрами обмотки якоря, но и главным образом параметрами обмотки возбуждения и составляет 0,4 - 3,0 с.
Обычно величина продольного переходного индуктивного сопротивления в относительных единицах x'd* = 0,2 ч 0,5.
Еще большей бывает амплитуда тока короткого замыкания, если машина имеет успокоительную (демпферную) обмотку, в которой также возникает переходный ток, замедляющий уменьшение результирующего потока. При наличии успокоительной обмотки
, (1.55)
где x"d-сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси. Обычно x"d* = 0,12 ч 0,35.
Затухание тока якоря, соответствующее затуханию переходного тока в демпферной обмотке, определяется сверхпереходной постоянной времени T"d = 0,03-=-0,15 с, которая зависит в основном от параметров демпферной (успокоительной) обмотки.
С учетом сказанного периодическая составляющая тока короткого замыкания принимает вид
. (1.56)
Поскольку э. д. с. в фазах обмотки статора сдвинуты по времени, начальный угол б0 для них различен, а следовательно, различны и токи фаз в переходном процессе.
Апериодические составляющие тока якоря создают неподвижное в пространстве магнитное поле, которое пересекает вращающийся ротор. Вследствие этого в обмотках ротора возникают периодические э. д. с. и токи. Так как по продольной и поперечной осям ротор несимметричен (из-за разных величин воздушного зазора в явнополюсных машинах; из-за того, что по продольной оси имеется обмотка возбуждения, а успокоительные обмотки по этим осям могут также иметь различие), то в апериодическом токе якоря iка появляется переменная составляющая двойной частоты. При этом
, (1.57)
где x"q - поперечное сверхпереходное индуктивное сопротивление обмотки якоря; Та = (х"d + х"q)/(щrа) - постоянная времени апериодического тока якоря.
При наличии успокоительной обмотки x"q обычно мало отличается от x"d и тогда
. (1.58)
- Полный ток короткого замыкания
- . (1.59)
- Значение тока короткого замыкания будет максимальным в той фазе, где б0 = 0, примерно через полупериод после начала короткого замыкания (см. рис. 1.58). Эту величину называют ударным током. Если в формуле (1.59) пренебречь затуханием тока, то
- .
- Поскольку постоянные времени T"d, T'd и Та малы, некоторое затухание все же происходит.
- По ГОСТу значение ударного тока определяется по формуле
- ,
- где коэффициентами 1,8 и 1,05 учитывается соответственно затухание и возможность работы при повышенном напряжении.
- Величина ударного тока не должна превышать амплитуду номинального тока якоря более чем в 15 раз. Так как значения x"d и x'd сравнительно малы, то для ограничения величины ударного тока в цепь якоря иногда приходится ставить специальный реактор.
- При коротком замыкании синхронного генератора возникает также знакопеременный момент на валу ротора, который образуется в результате взаимодействия неизменного по направлению магнитного поля, создаваемого апериодической составляющей тока якоря, с м.д. с. возбуждения. В наиболее неблагоприятных случаях мгновенные значения этого момента достигают 10-кратной величины по сравнению с номинальным значением, что необходимо учитывать при механических расчетах деталей машины и ее крепления к фундаменту.
- Гашение магнитного поля. При коротких замыканиях во внешней цепи срабатывает релейная защита, которая отключает синхронный генератор от присоединенной к нему нагрузки или от сети. Однако при внутренних коротких замыканиях в генераторе отключение его от внешней цепи не ликвидирует режим короткого замыкания, так как в обмотке якоря индуктируется э.д.с. и по ней продолжает протекать большой ток. Для устранения режима короткого замыкания в этом случае требуется резко уменьшить магнитный поток машины, для чего следует прекратить протекание тока по ее обмотке возбуждения. Операции, необходимые для прекращения протекания тока по обмотке возбуждения синхронной машины при аварийных режимах, называют гашением магнитного поля.
Рис. 1.59 - Схемы возбуждения синхронных генераторов с устройствами гашения поля:
а - с гасящим резистором; б - с автоматом гашения поля и дугогасительной решеткой:
1-регулировочный реостат, 2 - обмотка возбуждения возбудителя,
3-якорь возбудителя, 4, 5, 10 - контакты автомата гашения поля,
6 - гасящий резистор, 7-обмотка возбуждения генератора,
8 - якорь генератора, 9~~выключатель в цепи якоря,
11 - дугогасительная решетка автомата гашения поля
Гашение магнитного поля в принципе возможно путем быстрого размыкания цепи обмотки возбуждения с помощью соответствующего контакта автоматического выключателя (автомата гашения поля). Однако при этом в обмотке возбуждения индуктируется э.д. с. самоиндукции ев = - Lвdiв/dt. Так как обмотка возбуждения имеет значительную индуктивность Lв, то э. д. с. ев может создавать большие перенапряжения, опасные для изоляции обмотки.
По этой причине приходится применять способы гашения магнитного поля, обеспечивающие уменьшение тока возбуждения с некоторой ограниченной скоростью, при которой не возникают чрезмерные перенапряжения.
В настоящее время применяют две схемы гашения поля. В одной из них (рис. 1.59, а) обмотка возбуждения отключается автоматом гашения поля от возбудителя и замыкается на гасящий резистор, сопротивление которого в 4-5 раз больше сопротивления обмотки возбуждения. При такой величине сопротивления резистора ток короткого замыкания не создает в генераторе значительных внутренних повреждений, а возникающие перенапряжения находятся в допустимых пределах. Гасящий резистор должен быть рассчитан на длительный ток, равный 0,2 Iв.ном для турбогенераторов и 0,05 Iв.ном для гидрогенераторов. В другой схеме (рис. 1.59, б) скорость уменьшения тока возбуждения ограничивается удлинением времени горения дуги в автомате гашения поля, который размыкает цепь обмотки возбуждения. Этот автомат имеет кроме главных контактов 4 специальные дугогасительные контакты 10, при размыкании которых возникающая дуга выдувается на дугога-сительную решетку и гасится в ней. Соответствующим выбором конструкции дугогасительной камеры удается получить умеренную скорость уменьшения тока. При использовании указанных схем гашения поля требуется усиливать изоляцию обмотки возбуждения, на которую в нормальных условиях подается напряжение порядка 50-400 В.
Гашение поля мало сказывается на характере переходного процесса нарастания тока якоря при коротких замыканиях, так как этот ток достигает максимального значения Iуд примерно через полпериода (при частоте 50Гц через 0,01 с), а за это время защита не успевает сработать. Оно лишь уменьшает время, в течение которого по обмотке якоря проходит ток короткого замыкания и, следовательно, снижает вероятность повреждения машины этим током.
Резкие изменения нагрузки. При резких изменениях нагрузки синхронной машины, работающей параллельно с сетью, возникают колебания ротора около установившегося значения угла и, называемые качаниями. Допустим, что машина работает при некоторой нагрузке и развивает электромагнитный момент М1 = Мвн1, соответствующий углу и1 (рис. 1.60). Если резко увеличить внешний момент, приложенный к валу ротора, до величины Мвн2, при которой возрастает отдаваемая машиной электрическая (в генераторе) или механическая (в двигателе) мощность, то угол и будет постепенно увеличиваться до величины и2, соответствующей новому значению электромагнитного момента М2 = Мвн2. Однако из-за инерции ротора угол и, увеличиваясь, достигнет значения и3 > и2, а затем под действием синхронизирующего момента начнет уменьшаться до величины и4 < и2. В результате возникают колебания угла и вокруг установившегося значения и2, которые сопровождаются колебаниями угловой скорости вращения ротора (качаниями). Опасность таких качаний заключается в том, что из-за инерции ротора угол и может существенно превзойти 90°, и машина выпадет из синхронизма.
Частота собственных колебаний синхронных машин невелика (0,5-2,0 Гц), что объясняется большим моментом инерции ротора. Так как изменения угла и сопровождаются изменениями мощности машины и тока якоря, на наличие колебаний в машине указывают колебания стрелок приборов (амперметра и вольтметра), включенных в цепь якоря. Собственные колебания в синхронных машинах наблюдаются не только при резких изменениях нагрузок, но и в стационарных режимах, так как у машин, работающих параллельно с сетью, всегда имеются небольшие возмущения. Особенно часто такие колебания возникают при холостом ходе, когда на валу нет внешнего момента.
Рис. 1.60 - Угловая характеристика синхронного генератора при качаниях ротора
Уменьшения амплитуды качаний и ускорения их затухания достигают применением на роторе короткозамкнутой обмотки, называемой демпферной или успокоительной. Успокоительное действие демпферной обмотки при качаниях объясняется тем, что в ее стержнях при изменении частоты вращения ротора индуктируется э. д. с. и по ним проходит ток, что сопровождается потерей энергии. Эта обмотка получила свое название потому, что ее действие подобно действию механического демпфера, потери на трение в котором успокаивают колебания механизма (например, сельсина).
Колебания ротора синхронной машины могут быть вынужденными, если на него действует периодически изменяющийся внешний момент. Такие колебания образуются в синхронных генераторах, приводимых во вращение от поршневых машин, например от двигателей внутреннего сгорания, а также в синхронных двигателях, служащих для привода поршневых компрессоров. Поэтому для уменьшения неравномерности вращающего момента двигатели внутреннего сгорания, предназначенные для вращения синхронных генераторов, и поршневые компрессоры часто снабжают маховиками. Генераторы и электродвигатели должны в этом случае иметь достаточно мощную демпферную обмотку.
1.19 Несимметричные режимы работы синхронных генераторов
Работа генератора при несимметричной нагрузке. Наличие однофазных нагрузок (осветительной сети, тяговых трансформаторов электрифицированных железных дорог и т.п.) вызывает несимметрию фазных токов синхронных генераторов. Анализ несимметричных режимов, как и для трехфазных трансформаторов, производится методом симметричных составляющих, при котором трехфазная несимметричная система токов IА, IB и IC разлагается на системы токов прямой, обратной и нулевой последовательностей.
Система токов прямой последовательности ЭA1, ЭB1, ЭC1 создает в трехфазной синхронной машине м.д.с. якоря, вращающуюся синхронно с ротором, т.е. неподвижную относительно обмоток ротора. Этот режим подробно рассмотрен в предшествующих параграфах настоящей главы. Индуктивное сопротивление фазы для токов прямой последовательности хпр=хсн.
Система токов обратной последовательности ЭА2, ЭВ2, ЭC2 создает м.д.с. якоря, вращающуюся в сторону, противоположную вращению ротора, так как имеет место чередование максимумов тока в фазах, обратное по отношению к токам прямой последовательности. Следовательно, магнитное поле токов обратной последовательности пересекает обмотки ротора с двойной частотой и индуктирует в обмотке возбуждения и демпферной обмотке э. д. с, имеющую в два раза большую частоту, чем э. д. с. обмотки якоря. Наличие э.д. с. и токов двойной частоты в обмотках ротора заставляет при расчете токов обратной последовательности пользоваться сверхпереходными (или переходными) индуктивными сопротивлениями. Другими словами, для потоков обратной последовательности короткозамкнутая демпферная клетка играет ту же роль, что и короткозамкнутая обмотка ротора асинхронной машины по отношению к вращающемуся потоку.
Поток обратной последовательности равномерно пересекает то продольную, то поперечную ось ротора. Вследствие этого среднее значение индуктивного сопротивления машины для токов обратной последовательности можно принять равным
. (1.60)
Если демпферная обмотка расположена по всей окружности якоря, то можно считать, что
. (1.61)
Сопротивления для токов обратной последовательности можно получить экспериментально, если включить синхронную машину в сеть и вращать ротор с синхронной частотой против направления вращения поля.
Токи двойной частоты, возникающие в демпферных обмотках и массивном роторе, вызывают дополнительные потери, из-за которых может возникнуть опасный нагрев ротора и снижение к. п. д. машины. Увеличение сечения стержней демпферной обмотки с целью снижения активного сопротивления и потерь не всегда дает положительный эффект, так как при двойной частоте сильно сказывается эффект вытеснения тока. Взаимодействие м. д. с. возбуждения ротора и потока обратной последовательности статора создает знакопеременный колебательный момент, вызывающий вибрацию машины и шум.
Система токов нулевой последовательности IА0, IB0, IC0 создает во всех трех фазах м. д. с, совпадающие по времени, так как
ЭA0= ЭВ0 = ЭC0 (1.62)
На рис. 1.61 показаны магнитные поля, образуемые этими токами в каждой из фаз якоря для простейшего случая сосредоточенной обмотки. Легко заметить, что для основной гармоники магнитный поток в воздушном зазоре от токов нулевой последовательности равен нулю. Вследствие этого токи нулевой последовательности могут создавать только потоки рассеяния Фу0 и пульсирующие потоки гармоник, кратных трем.
Рис. 1.61 - Потоки рассеяния, образуемые токами нулевой последовательности в обмотках якоря
При диаметральной обмотке якоря потоки рассеяния токов нулевой последовательности замыкаются так же, как потоки рассеяния для токов прямой последовательности, а поэтому приблизительно равны и соответствующие индуктивные сопротивления х0 = xsa. При укорочении шага обмотки индуктивное сопротивление уменьшается и достигает минимума при шаге обмотки, равном 2/3 полюсного деления, так как в этом случае во всех пазах проводники нижнего и верхнего слоев принадлежат разным фазам.
Следовательно, при y= (2/3)ф полный ток нулевой последовательности каждого из пазов будет равен нулю, а индуктивное сопротивление будет определяться потоком лобовых частей. При рекомендуемом для синхронных машин шаге y = 0,8ф индуктивное сопротивление х0 уменьшается почти в три раза по сравнению с его значением при диаметральной обмотке. Таким образом, обычно 0,3xsa < х0 < xsa.
Экспериментально величину х0 можно определить, если включить все фазы обмотки якоря последовательно и присоединить их к источнику однофазного переменного тока. Обмотку возбуждения при этом нужно замкнуть накоротко, а ротор привести во вращение с номинальной частотой. В этом опыте U = 3I0x0, откуда x0 = U/(3I0). Наличие короткозамкнутой обмотки возбуждения на роторе уменьшает дифференциальный поток рассеяния, а вращение ротора выравнивает фазные сопротивления, которые при неподвижном роторе оказались бы различными из-за различия в положении проводников отдельных фаз относительно оси обмотки возбуждения. Если на роторе имеется мощная демпферная обмотка, то обмотка возбуждения оказывает незначительное влияние на величину х0, т.е. ее можно не замыкать накоротко л не приводить во вращение.
Несимметричные установившиеся короткие замыкания. Простейшим примером несимметричной нагрузки является однофазное короткое замыкание. Этот режим помимо методического имеет и большое практическое значение, так как его результаты можно использовать при определении токов аварийного короткого замыкания.
При однофазном коротком замыкании (рис. 1.62, а)
; и .
Из условия (2-108) получим для этого режима
. (1.63)
Следовательно, в данном случае во всех трех фазах возникают токи прямой, обратной и нулевой последовательностей, хотя и имеют место условия ЭВ1 + ЭВ2 + ЭВ0 = ЭВ = 0 и ЭС1 + ЭС2 + ЭСо =ЭС = 0.
Вращающийся магнитный поток возбуждения индуктирует во всех фазах э.д.с. только прямой последовательности Л1 = Л0. Пренебрегая активными сопротивлениями, для фазы А- X можно написать
(1.64)
или с учетом (1.63)
EA = jiA(xnp + x2 + x0)/3, (1.65)
откуда установившийся ток однофазного короткого замыкания
. (1.66)
Рис. 1.62 - Схема однофазного короткого замыкания (а) и векторная диаграмма токов и напряжений при этом режиме (б)
Сравнивая (1.66) с величиной установившегося тока трехфазного короткого замыкания Iкз = Е0/хсн, получаем, что Iк1 > Iкз, так как xпр = xсн; х2 < хсн и х0 < хсн. Величину напряжений для фаз В-Y и С-Z определим из уравнений:
UB = EB-jIBlxnv-jiBix2-jIB0x0; (1.67)
Uc = Ec-jiclxnv-jiC2x2-jiC0x0. (1.68)
На рис. 1.62, б показана векторная диаграмма, построенная по (1.64), (1.67) и (1.68) для всех трех фаз. Построение начинается с вектора ЛА и отстающего от него по фазе на 90° вектора ЭА. Векторы ЭA1, ЭA2 и ЭА0 совпадают с вектором ЭA по фазе и составляют ? от него по величине. Остальные векторы симметричных составляющих соответственно ориентируются по току в фазе А - X. Дальнейшие построения производятся обычным порядком с учетом того, что векторы фазных э. д. с. сдвинуты относительно друг друга на 120°.
Двухфазное короткое замыкание, например, фаз А - X и В-Y (рис. 1.63, а) характеризуется следующими соотношениями: ЭС = 0; ЩAB = 0; ЩA=ЩB в силу симметрии схемы и ЭА = - ЭВ, так как при положительном направлении тока в фазе А - X (например, от конца фазы к началу), в фазе В-Y ток будет иметь отрицательное направление. Токи нулевой последовательности в данном режиме равны нулю, так как
. (1.69)
Рис. 1.63 - Схема двухфазного короткого замыкания (а) и векторные диаграммы токов и напряжений при этом режиме (б, в)
Так как в фазе С-Z сумма токов прямой и обратной последовательностей равна нулю
. (1.70)
и для нее ЭС1 = - ЭС2, то, очевидно, во всех фазах токи прямой и обратной последовательностей будут равны по модулю (рис. 1.63, б). Для определения установившегося тока двухфазного короткого замыкания Эк2 будем исходить из фазных напряжений:
(1.71)
При этом линейное напряжение
Из векторной диаграммы (рис. 1.63, б) следует, что
. (1.72)
Откуда
. (1.73)
Следовательно,
. (1.74)
Так как ЭА-ЭВ = 2ЭА = (ЭА1-ЭВ1) +(ЭА2-ЭВ2) = 2ЭАВ1 получаем
. (1.75)
Векторная диаграмма напряжений при двухфазном коротком замыкании изображена на рис. 1.63, в.
Внезапное (аварийное) короткое замыкание. При одно- и двухфазном внезапных коротких замыканиях ток короткого замыкания больше, чем при трехфазном аварийном коротком замыкании, в соответствии с тем, что при установившемся режиме ток при двух- и однофазном коротких замыканиях больше, чем при трехфазном. В случае аварийных несимметричных коротких замыканий возникают, так же как при трехфазном коротком замыкании, апериодическая и периодическая составляющие тока. Начальное действующее значение периодической составляющей тока I'уст.макс можно определять по формулам (1.66) или (1.75), подставляя вместо хпр величину х"d или x'd. При этом индуктивные сопротивления х2 и х0 остаются практически одинаковыми как для установившихся, так и для переходных режимов. В остальном определение тока короткого замыкания при несимметричных режимах производится так же, как и при трехфазном коротком замыкании.
1.20 Синхронные машины с постоянными магнитами
Машины с постоянными магнитами позволяют уменьшить потери в машине, а также (при полюсах, расположенных на роторе) избавиться от подвода тока через контактные кольца к обмотке возбуждения. Недостатком постоянных магнитов с высокой коэрцитивной силой является их чрезвычайно высокая стоимость. Однако в настоящее время появились первые образцы электрических машин с дешевыми ферритно-бариевыми магнитами. Типичная кривая намагничивания ферритно-бариевого магнита изображена на рис. 1.64. Остаточная индукция такого магнита Вг ? 0,35 Т, коэрцитивная сила Hс ? 250 кА/м. Но чтобы получить хорошее использование материалов в машине и пре-емлемые габариты машины, индукция в воздушном зазоре должна составлять 0,5-1,0Т, как это обычно имеет место в машинах с электромагнитным возбуждением.
Рис. 1.64 - Кривая намагничивания феррито-бариевого магнита
Для повышения индукции в воздушном зазоре и зубцах машины применяют различные концентраторы магнитного потока. Принцип устройства концентратора состоит в том, что площадь поперечного сечения магнита берется больше площади воздушного зазора (рис. 1.65, а). При этом индукция в воздушном зазоре определяется равенством
, (1.76)
где Sм - площадь сечения воздушного зазора для постоянного магнита; Sу-площадь сечения воздушного зазора, через которое замыкается магнитный поток машины.
Выполняя машину с отношением Sм/Sу ? 2 ч 3, получают желаемую индукцию в воздушном зазоре.
Рис. 1.65 - Принцип устройства концентратора магнитного потока (а) и конструктивная схема генератора с постоянными магнитами (б): 1-статор, 2 - ротор, 3 - постоянные магниты
Особенно выгодно применение машин с концентраторами магнитного потока при высоких частотах вращения и повышенной частоте тока. На рис. 1.65, б изображена конструктивная схема две-надцатиполюсного генератора мощностью 20 кВт на частоту 300 Гц при частоте вращения 3000 об/мин.
Недостаток такого генератора заключается в том, что невозможно регулировать его выходное напряжение. Однако изменение напряжения под нагрузкой не очень велико, так как отношение короткого замыкания весьма значительно: kо.к.з ? 3,5.
Можно ожидать, что мощные синхронные машины с постоянными магнитами в ближайшие годы найдут широкое применение в комбинации с полупроводниковыми преобразователями не только в качестве генераторов, но и двигателей.
2. Машины постоянного тока
2.1 Принцип действия машины постоянного тока
Машина постоянного тока (рис. 2.1) имеет обмотку возбуждения, расположенную на явно выраженных полюсах статора. По обмотке возбуждения проходит постоянный ток Iв, который создает магнитное поле возбуждения Фв. На роторе размещена двухслойная обмотка, в которой при вращении ротора индуктируется э. д.с. Таким образом, ротор машины постоянного тока является якорем, а конструкция машины сходна с конструкцией обращенной синхронной машины.
При заданном направлении вращения якоря направление э. д. с, индуктируемой в проводниках, зависит только от того, под каким полюсом находится проводник. Поэтому во всех проводниках, расположенных под одним полюсом, направление э.д.с. одинаковое и сохраняется таким независимо от частоты вращения.
Другими словами, картина, изображающая направление э.д.с. на рис. 2.1, неподвижна во времени: в проводниках, расположенных выше горизонтальной оси симметрии, которая разделяет полюсы (геометрическая нейтраль), э.д.с. всегда направлена в одну сторону; в проводниках, лежащих ниже геометрической нейтрали, э.д.с. направлена в противоположную сторону.
Рис. 2.1 - Электромагнитная схема машины постоянного тока: 1-обмотка возбуждения, 2 - главные полюсы, 3 - якорь, 4-обмотка якоря, 5-щетки, 6 - корпус (станина)
При вращении якоря проводники обмотки перемещаются от одного полюса к другому; э.д.с, индуктируемая в них, меняет знак, т.е. в каждом проводнике наводится переменная э.д.с. Однако количество проводников, находящихся под каждым полюсом, остается неизменным. При этом суммарная э.д.с, индуктируемая в проводниках, которые находятся под одним полюсом, также неизменна по направлению и приблизительно постоянна по величине. Эта э.д.с. снимается с обмотки якоря при помощи скользящего контакта, включенного между обмоткой и внешней цепью.
На рис. 2.2 показана эквивалентная электрическая схема обмотки якоря двухполюсной машины постоянного тока. Обмотка якоря выполняется замкнутой, симметричной. При отсутствии внешней нагрузки ток по обмотке не проходит, так как э.д.с. Е, индуктируемые в различных частях обмотки, взаимно компенсируются.
Рис. 2.2 - Эквивалентная электрическая схема обмотки якоря двухполюсной машины постоянного тока
Если расположить щетки, осуществляющие скользящий контакт с обмоткой якоря, на геометрической нейтрали, то при отсутствии внешней нагрузки к щеткам будет приложено напряжение U, равное э. д. с. Е, индуктированной в каждой из половин обмотки. Это напряжение практически неизменно, хотя и имеет некоторую переменную составляющую, обусловленную изменением положения проводников в пространстве. При большом количестве проводников пульсации напряжения весьма незначительны.
Если к щеткам подключить сопротивление нагрузки rн то через обмотку якоря будет проходить постоянный ток Iа, направление которого определяется направлением э.д.с. Е. В обмотке якоря ток Iа разветвляется и проходит в данном случае по двум параллельным ветвям (токи ia).
Для обеспечения надежного токосъема щетки скользят не по проводникам обмотки якоря (как это было на заре электромашиностроения), а по коллектору, который выполнен в виде цилиндра, набираемого из медных пластин, изолированных друг от друга. К каждой паре соседних коллекторных пластин присоединяют часть обмотки якоря, состоящую из одного или нескольких витков. Эту часть называют секцией обмотки якоря.
Если машина работает в генераторном режиме, то коллектор вместе со скользящими по его поверхности щетками является механическим выпрямителем. В двигательном режиме, когда к якорю подводится питание от источника постоянного тока и он преобразует электрическую энергию в механическую, коллектор со щетками можно рассматривать как преобразователь частоты, связывающий сеть постоянного тока с обмоткой, по проводникам которой проходит переменный ток.
Таким образом, главной особенностью машины постоянного тока является наличие коллектора и скользящего контакта между обмоткой якоря и внешней электрической цепью.
2.2 Устройство машины постоянного тока
Машина постоянного тока (рис. 2.3) по конструктивному исполнению подобна обращенной синхронной машине, у которой обмотка якоря расположена на роторе, а обмотка возбуждения - на статоре. Основное отличие заключается в том, что машина постоянного тока имеет на якоре коллектор, а на статоре, помимо главных полюсов с обмоткой возбуждения-добавочные полюсы, которые служат для уменьшения искрения под щетками.
Статор. На статоре расположены главные полюсы с катушками обмотки возбуждения и добавочные полюсы (на рис. 2.3 не показаны) с соответствующими катушками, служащие для обеспечения безыскровой работы щеток. Полюсы крепят болтами к стальному корпусу (станине), который является частью магнитной цепи машины. Главные полюсы (рис. 2.4) выполняют шихтованными (из стальных штампованных листов), а добавочные - массивными или также шихтованными. Стальные листы спрессовывают под давлением и скрепляют заклепками, головки которых утоплены в нажимные щеки, установленные по краям каждого полюса. Шихтованными требуется изготовлять только наконечники главных полюсов, так как при вращении зубчатого якоря из-за пульсации магнитного потока в воздушном зазоре в них возникают вихревые токи и потери мощности. Однако по технологическим соображениям чаще всего выполняют шихтованным весь полюс. Полюсы крепят к станине болтами; нарезку резьбы для болтов выполняют непосредственно в шихтованном сердечнике полюса (рис. 2.4, а) либо в массивных стальных стержнях (рис. 2.4, б), которые вставляют в выштампованные отверстия в полюсах.
Рис. 2.3 - Устройство электрической машины постоянного тока:
1 - коллектор, 2 - щетки, 3 - сердечник якоря, 4 - главный полюс,
5 - катушка обмотки возбуждения, 6 - корпус (станина), 7 - подшипниковый щит,
8 - вентилятор, 9 - обмотка якоря
Катушки главных и добавочных полюсов изготовляют из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения.
Рис. 2.4 - Главные полюсы электрической машины постоянного тока:
1 - полюсный наконечник, 2 - сердечник полюса, 3 - установочный болт,
4 - заклепки, 5 - установочный стержень, 6 - нажимные щеки
Катушки машин малой мощности выполняют из тонкой проволоки; последовательные катушки обмоток возбуждения и добавочных полюсов изготовляют из полосовой меди (рис. 2.5). Расположенную на полюсе обмотку иногда разбивают на несколько катушек (секций) для лучшего ее охлаждения. При секционном выполнении катушек между отдельными секциями устанавливают дистанционные шайбы из изоляционного материала, посредством которых образуются вентиляционные каналы.
Рис. 2.5 - Катушки полюсов:
а - главных: 1 - главный полюс, 2 - катушка обмотки возбуждения;
б - добавочных: 1 - обмотка добавочных полюсов, 2 - добавочный полюс, 3 - опорный угольник
Якорь. Сердечник якоря (рис. 2.6, а), так же как в синхронной машине, собирают из изолированных листов электротехнической стали (рис. 2.6, б). Обмотку якоря изготавливают из провода круглого или прямоугольного сечения; обычно она состоит из отдельных, заранее намотанных якорных катушек (рис. 2.7, а), которые обматывают изоляционными лентами и укладывают в пазы сердечника якоря. Обмотку выполняют двухслойной; в каждом пазу размещают две стороны различных якорных катушек - одну поверх другой (рис. 2.7, б) Каждая якорная катушка включает в себя несколько секций, концы которых припаивают к соответствующим коллекторным пластинам; секции могут быть одно- и многовитковыми.
Коллектор. Обычно коллектор выполняют в виде цилиндра (рис. 2.8), собранного из клинообразных пластин твердотянутой меди; между пластинами располагают изоляционные прокладки из миканита Узкие края коллекторных пластин имеют форму «ласточкина хвоста»; после сборки коллектора эти края зажимают между корпусом и нажимным фланцем (рис. 2.8, а) и изолируют от этих деталей манжетами из миканита Секции обмотки якоря впаивают в прорези, имеющиеся в выступающей части коллекторных пластин. В машинах малой и средней мощности широко применяют коллекторы, в которых медные пластины и миканитовые прокладки запрессованы в пластмассу (рис. 2.8, б). Поверхность собранного коллектора обтачивают на токарном станке и тщательно шлифуют. Чтобы миканитовые прокладки при срабатывании коллектора не выступали над пластинами и не вызывали вибрации щеток, их профрезеровывают на 0,8-1,5 мм ниже поверхности коллектора
Рис. 2.6 - Сердечник якоря (а) и процесс его сборки (б):
1, 3 - нажитые шайбы (обмоткодержатели), 2 - выточки для наложения бандажа,
4 - место для запрессовки коллектора, 5- изоляционная пленка, 6 - стальной лист
Подобные документы
Принцип работы и устройство генератора постоянного тока. Типы обмоток якоря. Способы возбуждения генераторов постоянного тока. Обратимость машин постоянного тока. Двигатель параллельного, независимого, последовательного и смешанного возбуждения.
реферат [3,6 M], добавлен 17.12.2009Роль и значение машин постоянного тока. Принцип работы машин постоянного тока. Конструкция машин постоянного тока. Характеристики генератора смешанного возбуждения.
реферат [641,0 K], добавлен 03.03.2002Конструкция и принцип действия машины постоянного тока. Характеристики генератора независимого возбуждения. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения. Принцип обратимости машин постоянного тока. Электромагнитная обмотка якоря в машине.
презентация [4,1 M], добавлен 03.12.2015Конструкция и принцип действия электрических машин постоянного тока. Исследование нагрузочной, внешней и регулировочной характеристик и рабочих свойств генератора с независимым возбуждением. Особенности пуска двигателя с параллельной системой возбуждения.
лабораторная работа [904,2 K], добавлен 09.02.2014Принцип работы и устройство генераторов постоянного тока. Электродвижущая сила и электромагнитный момент генератора постоянного тока. Способы возбуждения генераторов постоянного тока. Особенности и характеристика двигателей различных видов возбуждения.
реферат [3,2 M], добавлен 12.11.2009Принцип действия генератора постоянного тока. Якорные обмотки и процесс возбуждения машин постоянного тока. Обмотка с "мертвой" секцией. Пример выполнения простой петлевой и волновой обмотки. Двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением.
презентация [4,9 M], добавлен 09.11.2013Генераторы синхронные с самовозбуждением. Описание работы корректора напряжения. Принцип действия электродвигателя постоянного тока типа ПГ1500/225.ОМ4. Предназначение и состав электроэнергетической системы. Устройство и работа рулевой машины.
реферат [37,3 K], добавлен 12.03.2012Основные определения и технические данные электрических машин. Электрические двигатели постоянного тока: устройство, краткие теоретические основы. Электрические генераторы постоянного тока. Обеспечение безыскровой коммутации. Электрическое равновесие.
реферат [37,4 K], добавлен 24.12.2011Принцип действия и область применения электрических машин постоянного тока. Допустимые режимы работы двигателей при изменении напряжения, температуры входящего воздуха. Обслуживание двигателей, надзор и уход за ними, ремонт, правила по безопасности.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 25.02.2010Изучение процесса пуска электрической машины постоянного тока при различных режимах работы и схемах включения обмотки возбуждения и добавочных реостатов в цепи. Исследование пусковых характеристик двигателя. Осциллограммы для схемы и электродвигателя.
лабораторная работа [1,6 M], добавлен 01.12.2011
