Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Шпоргалки(почти все_111).doc

Скачиваний:

Добавлен:

01.07.2025

Размер:

5.32 Mб

Скачать

☆

1 / 71 2 3 4 5 6 7 > Следующая >>>

1. Конструкция современных трансформаторов(констр. м.проводов и обмоток, современные изоляционные и магнитные материалы, констр. баков, способы охлаждения).

Oпределение: Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования системы переменного тока одних параметров в систему переменного тока с другими параметрами.

Известно, что передача электроэнергии на дальние расстояния осуществляется на высоком напряжении (220, 400, 500 кВ и более), благодаря чему значительно уменьшаются потери энергии в линии. Получить такое высокое напряжение непосредственно в генераторе невозможно, поэтому в начале линии электропередачи устанавливают повышающие трансформаторы, а в конце линии устанавливают понижающие трансформаторы. Таким образом, переменный ток по пути от электростанции до потребителя подвергается трех-, а иногда и четырехкратному трансформированию. В зависимости от назначения трансформаторы разделяются на силовые и специальные. Силовые трансформаторы используются в линиях электропередачи и распределения электроэнергии. К специальным трансформаторам относятся: печные, выпрямительные, сварочные, автотрансформаторы, измерительные, трансформаторы для преобразования частоты и т.д. Трансформаторы разделяются на однофазные и многофазные, из которых наибольшее применение имеют трехфазные. Кроме того, трансформаторы могут быть двухобмоточными (если они имеют по две обмотки) или многообмоточными (если они имеют более двух обмоток). В зависимости от способа охлаждения трансформаторы разделяются на масляные и сухие.

Простейший трансформатор (рис. 12.1) состоит из магнитомягкого замкнутого магнитопровода (сердечника) и двух обмоток.

Магнитопровод служит для концентрации и прохождения магнитного потока. Он должен обладать минимальным сопротивлением магнитному потоку и выполняться из магнитомягкого ферромагнитного материала.

магнитное поле, поток которого намного больше потока катушки.

По конструкции магнитопроводы бывают стержневого (рис. 12.1) и броневого (рис. 12.2) типов.

Д ля уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы набираются из листов электротехнической стали толщиной 0,5 и 0,35 мм горячекатаной прокатки (1411,1511) или холоднокатаной прокатки (3411, 3412, 3413 и др.).

У листов холоднокатаной стали сопротивление R_ по направлению проката меньше.

Сердечники, набранные из листов стали, называются шихтованными.

Шихтованные сердечники изготовляют встык (рис. 12.3, а) и впереплет (рис. 12.3, б). На сердечники, изготовленные встык, упрощается посадка обмотки, их применяют в трансформаторах малой мощности.

Для уменьшения воздушных зазоров используют ленточные сердечники (рис. 12.3, в).

Рис. 12.3. Магнитопроводы уложенные встык (а); впереплет (б); ленточный (в)

Основными частями трансформатора являются его магнитопровод и обмотки. Магнитопровод выполняется из тонких листов электротехнической стали. Перед сборкой листы изолируются друг от друга лаком или окалиной. Это дает возможность в значительной мере ослабить в нем вихревые токи и уменьшить потери на перемагничивание. Трансформаторы бывают стержневыми и броневыми. Наиболее широкое распространение получили стержневые трансформаторы. Трансформаторы броневого типа имеют разветвленный магнитопровод с одним стержнем и ярмами, частично прикрывающими (бронирующими) обмотки. В трехфазном трансформаторе применяют трех стержневой магнитопровод, который похож на броневой, но обмотки на нем расположены на всех трех стержнях.

По способу сочленения стержней с ярмами различают шихтованные магнитопроводы и стыковые. В работе удобнее шихтованные магнитопроводы, т.к. воздушный зазор в местах сочленения у них меньше и они прочнее. Форма поперечного сечения стержней зависит от мощности трансформатора: в небольших - это прямоугольник, а в средних и крупных - ступенчатое сечение.

Обмотки трансформаторов выполняют из медных проводов круглого и прямоугольного сечения, изолированных хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой. По взаимному расположению обмоток ВН и НН и по способу их размещения на стержнях различают обмотки концентрические и дисковые.

В масляных трансформаторах магнитопровод с обмотками помещается в бак, заполненный маслом, которое отбирает от них тепло, передавая его стенкам бака. Кроме того, электрическая прочность масла выше, чем у воздуха, что обеспечивает более надежную работу высоковольтных трансформаторов. Для увеличения охлаждающей поверхности применяются трубчатые баки. При нагревании масло расширяется. Излишек его попадает из общего бака в бак-расширитель, установленный на крышке трансформатора. Для предотвращения аварии у трансформаторов напряжением 1000 кВ и выше на расширителе устраивают выхлопную трубу, закрытую мембраной - стеклянной пластиной. При образовании в баке большого количества газов мембрана выдавливается, и газы выходят наружу.

2. Группы соединения обмоток

Ранее принималось, что и совпадают по фазе (в схемах замещения, на векторных диаграммах). Но это не всегда выполняется, так как на угол сдвига влияют:

– направление намотки катушек;

– маркировка выводов.

Пример.

В однофазном трансформаторе угол сдвига между первичной и вторичной эдс может принимать всего 2 значения:  = 0,  = 180.

В трехфазном трансформаторе угол сдвига между эдс или напряжениями высокой и низкой сторонами может принимать значения от 0 до 360 через 30. Поэтому сдвиг фаз между одноименными линейными эдс принято выражать группой соединений, для чего принимается ряд чисел от 0 до 11 (рис. 16.3).

Рис. 16.3. К понятию о группах трансформаторов

Из 12 групп соединений обмоток трехфазных трансформаторов в России стандартизированы только две:

– группа 11 со сдвигом фаз 330 Y/ – 11, Y₀ / – 11; Y₀ / Z – 11;

– группа 0 со сдвигом фаз 0 (360) Y/Y₀ – 0.

В качестве примера определения группы соединения на рис. 16.4 приведено соединение “звезда – звезда”, а на рис. 16.5 соединение “звезда – треугольник”.

Рис. 16.4. Группа соединения обмоток – 0

Рис. 16.5. Группа соединения обмоток – 11

3 Принцип действия ТР. Режим Х.Х. ЭДС обмоток. Равновесие напряжения на зажимах и ЭДС первичной и вторичной обмоток идеализированного ТР. Трансформация напряжения и ЭДС. ВД.

Принцип действия трансформатора основан на законе электромаг-нитной индукции.

К первичной обмотке трансформатора подключается переменное напряжение u₁, по ней потечет переменный ток i₁, который создаст магнитодвижущую силу (мдс) i₁W₁. Мдс в свою очередь создаст переменный магнитный поток, который, з амыкаясь по магнитопроводу, будет наводить в обеих обмотках электродвижущую силу. В первичной обмотке возникает эдс самоиндукции, а во вторичной – эдс взаимной индукции

u₁  i₁  F₁=W₁i₁  (Ф₀+Ф_б),

где Ф₀ – основной магнитный поток, пересекающий обе обмотки; Ф_б – поток рассеяния, пересекающий только одну обмотку (см. рис. 12.1);

Ф₀		;
Ф₀		.

Режимом холостого хода трансформатора называют режим, когда вторичная обмотка трансформатора разомкнута (Z_н, I₂= 0), а на первичную обмотку подается номинальное напряжение U_1н.

Режим холостого хода осуществляют по схеме, приведенной на рис. 14.1.

Рис. 14.1. Схема опыта холостого хода

По результатам опыта имеем параметры холостого хода:

приложенное первичное напряжение U₁;
вторичное напряжение U₂= E₂;
ток холостого хода I₀;
мощность, потребляемая на холостом ходу P₀.

Полезная мощность трансформатора P₂ = 0, но потребляемая мощность P₀ расходуется на магнитные потери (потери в стали Р_ст от перемагничивания сердечника) и электрические потери в первичной обмотке ; но так как от I_1Н, то этими потерями в обмотке можно пренебречь.

Потери мощности в стали P_ст с изменением нагрузки остаются неизменными.

Потери холостого хода затрачиваются на потери мощности от вихревых токов, наводимых в магнитопроводе, и от перемагничивания петли гистерезиса.

По полученным данным из опыта холостого хода можно рассчитать следующие величины:

коэффициент трансформации ;
коэффициент мощности холостого хода ;
ток холостого хода в процентах ;
полное сопротивление .

Согласно схемы замещения трансформатора на холостом ходу (рис. 14.2)

; ; , (14.1)

где r_M и x_M – активная и реактивная составляющие сопротивления контура намагничивания.

Величины этих составляющих определяются по следующим формулам:

; или (14.2)

; . (14.3)

Как видно из рис. 4.2.1, основной магнитный поток Ф, действующий в магнито-проводе трансформатора, сцепляется с витками обмоток и наводит в них ЭДС:

Предположим, что магнитный поток Ф является синусоидальной функцией, т.е.

Подставим это значение в выражения для ЭДС и, произведя дифференцирование, получим:

где

Из последних формул видно, что ЭДС е₁ и е₂ отстают по фазе от потока Ф на угол /2.

Максимальное значение ЭДС:

Переходя к действующим значениям, имеем

Если Ф_mах выражено в максвеллах, а Е в вольтах, то

Отношение ЭДС обмотки высшего напряжения к ЭДС обмотки низшего напряжения называется коэффициентом трансформации.

Подставив вместо ЭДС Е₁ и Е₂ их значения, получим:

В идеальном трансформаторе U₁= E₁, U₂= E₂, тогда

Мощности обмоток S₁= S₂, U₁ I₁=U₂I₂, откуда .

Таким образом, токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны количеству витков.

В реальном трансформаторе полученные соотношения несколько нарушаются. Но силовые трансформаторы имеют очень высокий кпд ( = 9899 %), у них r₁ и r₂ малы, x_б1 и x_б2 также малы.

4 Режим нагрузки. Закон постоянства МП идеального ТР. Уравнение равновесия МДС первичной и вторичной обмоток. Трансформация токов.

Токи I₁ и I₂, протекающие по обмоткам трансформатора, помимо основного потока Ф создают магнитные потоки рассеяния Ф_Р1 и Ф_Р2 (рис. 4.2.1). Каждый из этих потоков сцепляется только с витками собственной обмотки и индуктирует в них реактивные ЭДС рассеяния Е_Р1 и Е_Р2. Величины этих ЭДС прямо пропорциональны возбуждающим их токам:

где x₁ и x₂ - индуктивные сопротивления рассеяния обмоток. Кроме этого, в каждой обмотке трансформатора имеет место активное падение напряжения, которое компенсируется своей ЭДС:

Рассмотрим действие ЭДС в обмотках трансформатора. В первичной обмотке Е₁ представляет собой ЭДС самоиндукции, а поэтому она направлена против первичного напряжения u₁. В связи с этим уравнение ЭДС для первичной обмотки имеет вид:

Величины j I₁ x₁ и I₁ r₁ представляют собой падение напряжений в первичной обмотке трансформатора. Обычно j I₁ x₁ и I₁ r₁ невелики, а поэтому, с некоторым приближением, можно считать, что подведенное к трансформатору напряжение u₁ уравновешивается ЭДС Е₁:

Во вторичной обмотке Е₂ выполняет роль источника тока, поэтому уравнение ЭДС для вторичной обмотки имеет вид:

где j I₂ x₂ и I₂ r₂ - падение напряжения во вторичной обмотке. При холостом ходе трансформатора первичная обмотка включена на напряжение u₁, а вторичная разомкнута (I₂ = 0). При этих условиях в трансформаторе действует только одна намагничивающая сила первичной обмотки I₁₀ w₁, созданная током I₁₀, которая наводит в магнитопроводе трансформатора основной магнитный поток:

где Rм - магнитное сопротивление магнитопровода потоку. При подключении к вторичной обмотке нагрузки ZН в ней возникает ток I₂. При этом ток в первичной обмотке увеличивается до значения I₁. Теперь поток Ф создается действием двух намагничивающих сил I₁ w₁ и I₂ w₂.

Из выражения

видно, что основной поток Ф0 не зависит от нагрузки трансформатора, при неизменом напряжении u₁. Этот вывод дает право приравнять:

Уравнение равновесия МДС

F_нагр=F₁-F₂F₁₀=F_нагр

I₁*w₁-I₂*w₂=I₁₀*w₁

Если , то F₁₀0, I₁₀0, т.е. для идеального Мпровода I₁w₁=I₂w₂, соответственно I₂/I₁=w₁/w₂=k_тр

5 Режим нагрузки реального ТР. МП реального ТР. Основное Мпи поток рассеяния, индуктивное сопротивление, уравнение равновесия напряжений и ЭДС по контуру 1 и 2 обмоток.

Из выражения

6 Уравнение равновесия МДС 1 и 2 обмоток реального ТР.

В режиме холостого хода (хх) первичная обмотка трансформатора забирает из сети такой ток , который создает мдс , а мдс в свою очередь создает магнитный поток ф₀.

Когда во вторичной обмотке потечет ток , он создаст свою мдс и соответственно свой поток ф₂, направление которого встречное к основному потоку Ф₀. Следовательно, поток Ф₀ уменьшается. Если поток Ф₀ уменьшается, то уменьшается и индуктивное сопротивление x_L₁ в первичной обмотке, а так как неизменно, то увеличится ток в первичной обмотке на величину . Кроме тока холостого хода теперь будет потребляться из сети еще дополнительный ток такой величины, которая создает свою мдс , компенсирующую мдс , т.е. и основной магнитный поток Ф₀ останется таким же, каким он был в режиме холостого хода.

Таким образом, полную мдс первичной обмотки при работе трансформатора под нагрузкой выразим формулой

или, заменив на , получим

, или

. (13.6)

Разделив (13.6) на , получим:

, так как , то

, (13.7)

где – ток вторичной обмотки, приведенный к первичной (подразд. 13.3).

7 понятие о приведенном ТР. Пересчет значений вторичных величин к числу витков первичной обмотки на основе инвариантности мощности системы. Уравнение приведенного ТР.

Так как в общем случае , то и . В соответствии с разными эдс и токами различны и параметры обмоток, т.е. их активные и индуктивные сопротивления. Это затрудняет количественный учет процессов, происходящих в трансформаторе, и построение векторных диаграмм, особенно при больших коэффициентах трансформации.

Чтобы избежать этих затруднений, пользуются способом, при котором обе обмотки трансформатора приводятся к одному числу витков.

Обычно приводят вторичную обмотку к первичной, т.е. новое число витков вторичной обмотки приравнивают к первичной , (в дальнейшем приведенные параметры обозначаем со штрихом), но чтобы не изменилось энергетическое состояние трансформатора поступают следующим образом: имеют в виду, что при новом числе витков изменится и эдс, т.е. , так как , т.е.

. (13.8)

Мощность трансформатора не должна измениться, при этом:

– полная мощность , откуда

т.е. приведенное значение тока

; (13.9)

– активная мощность , откуда

; (13.10)

– реактивная мощность , откуда

; (13.11)

и соответственно

. (13.12)

Уравнение мдс трансформатора (см. подразд. 13.2):

, (13.13)

уравнения эдс трансформатора:

, (13.14)

. (13.15)

Еще одним средством, облегчающим исследование и расчет трансформаторов, является применение электрической схемы замещения приведенного трансформатора.

Уравнения ЭДС и токов для приведенного трансформатора теперь будут иметь вид:

8 Т-образная схема замещения ТР. Физический смысл параметров схемы замещения. Упрощенная схема замещения. ВД.

Действительный приведенный трансформатор имеет схему замещения с магнитной связью, которая показана на рис. 13.2.

Рис. 13.2. Схема замещения приведенного трансформатора с магнитной связью

Согласно этой схеме магнитную связь можно заменить на электрическую.

Так как , то точки A и a, а также X и x на приведенном трансформаторе имеют одинаковые потенциалы, что позволяет электрически соеденить указанные точки, получив Т-образную схему замещения и перейти от магнитной связи обмоток к электрической (рис. 13.3).

Рис. 13.3. Схема замещения приведенного трансформатора с электрической связью

Эта схема удовлетворяет уравнениям эдс и токов приведенного трансформатора [формулы (13.13)–(13.15)].

, (13.13,а)

, (13.14,а)

. (13.15,а)

По схеме замещения и уравнениям приведенного трансформатора можно построить векторную диаграмму (см. подразд. 15.1).

Построение векторной диаграммы удобнее начинать с вектора основного потока Ф. Отложим его по оси абсцисс. Вектор I₁₀ опережает его на угол . Далее строим векторы ЭДС Е₁ и Е₂', которые отстают от потока Ф на 90°. Для определения угла сдвига фаз между E₂' и I₂' следует знать характер нагрузки. Предположим, она - активно-индуктивная. Тогда I₂' отстает от E2' на угол ₂.Получилась так называемая заготовка векторной диаграммы (рис. 4.7.1.). Для того чтобы достроить ее, необходимо воспользоваться тремя основными уравнениями приведенного трансформатора.

Воспользуемся вторым основным уравнением:

и произведем сложение векторов. Для этого к концу вектора E₂' пристроим вектор - j I₂' x₂', а к его концу - вектор - I₂' r₂'. Результирующим вектором U₂' будет вектор, соединяющий начало координат с концом последнего вектора. Теперь используем третье основное уравнение

из которого видно, что вектор тока I₁ состоит из геометрической суммы векторов I₁₀ и - I₂'. Произведем это суммирование и достроим векторную диаграмму. Теперь вернемся к первому основному уравнению:

Чтобы построить вектор - Е₁ , нужно взять вектор +Е₁ и направить его в противоположную сторону. Теперь можно складывать с ним и другие векторы: + j I₁ x₁ и I₁ r₁ . Первый будет идти перпендикулярно току, а второй - параллельно ему. В результате получим суммарный вектор u₁. Построенная векторная диаграмма имеет общий характер. По этой же методике можно осуществить ее построение как для различных режимов, так и для разных характеров нагрузки.

9 Опыты ХХ и КЗ. Номинальное U_кз. Определение параметров схемы замещения.

Режим холостого хода осуществляют по схеме, приведенной на рис. 14.1.

Рис. 14.1. Схема опыта холостого хода

По результатам опыта имеем параметры холостого хода:

приложенное первичное напряжение U₁;
вторичное напряжение U₂= E₂;
ток холостого хода I₀;
мощность, потребляемая на холостом ходу P₀.

Потери мощности в стали P_ст с изменением нагрузки остаются неизменными.

По полученным данным из опыта холостого хода можно рассчитать следующие величины:

коэффициент трансформации ;
коэффициент мощности холостого хода ;
ток холостого хода в процентах ;
полное сопротивление .

Согласно схемы замещения трансформатора на холостом ходу (рис. 14.2)

; ; , (14.1)

где r_M и x_M – активная и реактивная составляющие сопротивления контура намагничивания.

Рис. 14.2. Схема замещения приведенного трансформатора в режиме холостого хода

Величины этих составляющих определяются по следующим формулам:

; или (14.2)

; . (14.3)

И ногда последовательная схема замещения контура намагничивания заменяется на параллельную, как это показано на рис. 14.3.

Переход от одной схемы к другой эквивалентной рассматривается в курсе ТОЭ.

Активная составляющая тока холостого хода идет на покрытие потерь мощности

. (14.4)

Реактивная составляющая тока холостого хода создает основной магнитный поток

; (14.5)

или ; . (14.6)

14.2. Векторная диаграмма холостого хода трансформатора

Векторная диаграмма холостого хода трансформатора приведена на рис. 14.4.

Порядок построения диаграммы:

– проводится произвольно вектор магнитного потока Ф;

– с ним по фазе совпадает реактивная составляющая тока , создающая этот поток;

– под углом 90 из вершины тока проводится вектор , в результате получаем .

От магнитного потока Ф эдс отстают на 90, а вектор повернут на 180 относительно вектора .

Чтобы выполнялось условие уравнения напряжений для первичной обмотки , надо к вектору прибавить вектор падения напряжения , проведя его параллельно току , и вектор под углом 90 к вектору тока .

14.3. Параметры режима короткого замыкания

Режимом короткого замыкания трансформатора называют режим, когда вторичная обмотка замыкается накоротко (z_н= 0), а к первичной подводят такое пониженное напряжение U_K, при котором токи в обмотках должны быть равными номинальным ; . Напряжение U_K составляет всего (5 12)% от номинального первичного напряжения

. (14.7)

Режим короткого замыкания осуществляется по схеме, приведенной на рис. 14.5.

Из опыта короткого замыкания имеем:

– приложенное напряжение U₁_k (U₂_k= 0);

– токи в обмотках I₁_k и I₂_k;

– мощность потребления в режиме короткого замыкания P_k.

Рис. 14.5. Схема опыта короткого замыкания

Магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, находится в прямой зависимости от приложенного напряжения. Но как было отмечено выше, напряжение U₁_k весьма незначительно, поэтому магнитный поток очень мал, что позволяет допустить:

– ток намагничивания I₀ близок к нулю и им можно пренебречь, поэтому в схеме замещения для режима короткого замыкания (рис. 14.6) контур намагничивания отсутствует, а ;

– вся мощность, потребляемая из сети, расходуется на покрытие электрических потерь (потери в меди обмоток P_M).

, (14.7,а)

где – коэффициент загрузки трансформатора;

при , .

Рис. 14.6. Схема замещения приведенного трансформатора в режиме короткого замыкания

По полученным данным из опыта короткого замыкания можно рассчитать следующие величины:

– коэффициент трансформации ;

– коэффициент мощности короткого замыкания

; (14.8)

– напряжение короткого замыкания по формуле (14.7) в процентах;

– полное сопротивление .

Согласно схеме замещения трансформатора в режиме короткого замыкания (см. рис. 14.6)

; (14.9)

; ; . (14.10)

Активная и реактивная составляющие полного сопротивления короткого замыкания

; или (14.11)

; . (14.12)

Напряжение короткого замыкания в процентах можно также определить по следующему выражению

. (14.13)

Тогда активная и реактивная составляющие

, (14.14)

, (14.15)

при этом, не забывая, что .

14.4. Векторная диаграмма короткого замыкания трансформатора

В екторная диаграмма короткого замыкания трансформатора приведена на рис. 14.7.

При построении векторной диаграммы должно выполняться условие (14.9).

Согласно теории приведенного трансформатора и выражениям (14.10)

; .

Тогда ; .

Таким образом, по опытам холостого хода и короткого замыкания можно определить основные параметры трансформатора, что позволяет анализировать работу трансформатора под нагрузкой при помощи векторной диаграммы.

10 Изменение вторичного напряжения ТР при нагрузке. Внешняя характеристика ТР.

Рис. 15.2. Внешние характеристики трансформатора: 1 – нагрузка активно-емкостная; 2 –чисто активная; 3 – активно-индуктивная; 4 – внешняя характеристика сварочного трансформатора

У сварочного трансформатора U_0св 70 В достаточное для зажигания дуги. При сварке U_св= 0, а I₂_K= I_св 300 А. Такая крутопадающая характеристика образуется за счет включения последовательно с вторичной обмоткой реактора (катушки с большой индуктивностью).

11 Виды потерь Эл. Эн. в трансформаторах. КПД ТР. основные формулы КПД. Зависимость КПД ТР от нагрузки.

Коэффициент полезного действия трансформатора определяется по формуле

, (15.1)

где P₂ – мощность, отдаваемая (полезная) вторичной обмоткой; P₁ – мощность подведенная (затраченная) к первичной обмотке.

Разность между подведенной и отдаваемой мощностями является потерями мощности:

. (15.2)

Потери мощности в трансформаторе делятся на магнитные и электрические.

Магнитные потери – это потери мощности в магнитопроводе на гистерезис и на вихревые токи.

– потери холостого хода (постоянные, см. подразд. 14.1).

Электрические потери – это потери, связанные с нагревом обмоток трансформатора:

– переменные потери, так как зависят от силы тока Р_ма (см. 14.7,а),

где  – коэффициент нагрузки.

Полезную мощность можно определить по формуле

, (15.3)

где m – число фаз,

при m = 1 .

Если , то

подставим значения потерь мощности

. (15.4)

Максимальное значение кпд соответствует такой нагрузке, когда магнитные потери равны электрическим потерям ,

откуда . (15.5)

Зависимость коэффициента полезного действия от коэффициента нагрузки  = f() представлена на рис. 15.3.

Рис. 15.3. Зависимость коэффициента полезного действия трансформатора от коэффициента нагрузки

Как правило у трансформаторов кпд очень высокий.

12. Параллельная работа ТР и ее технико-экономические преимущества. Исследование параллельной работы ТР с помощью схемы замещения.

Параллельная работа трансформаторов осуществляется при включении первичных обмоток на общую первичную сеть, а вторичных – на общую вторичную сеть.

Параллельная работа трансформаторов необходима для того, чтобы при увеличении нагрузки включать добавочные трансформаторы, при снижении нагрузки – выключать, менять при ремонте и т.д.

Трансформаторы могут быть включены на параллельную работу только при соблюдении следующих условий.

1. Трансформаторы должны иметь одинаковые коэффициенты трансформации , что дает одинаковые вторичные напряжения.

Если не выполнять это условие, то даже в режиме холостого хода потечет уравнительный ток

, (16.1)

где и – внутренние сопротивления трансформаторов.

Под нагрузкой, если и равны, то трансформатор с меньшим коэффициентом трансформации оказывается перегруженным , а другой – недогруженным .

Так как перегрузка трансформаторов недопустима, то придется снижать общую нагрузку.

Государственные стандарты допускают разницу коэффициентов трансформации, не превышающую 0,5%, т.е.

, (16.2)

где – среднее геометрическое значение коэффициента трансформации.

2. Трансформаторы должны принадлежать к одной группе соединений.

Несоблюдение этого условия ведет к тому, что вторичные эдс окажутся сдвинутыми по фазе, появится разностная эдс и также потечет уравнительный ток.

3. Трансформаторы должны иметь одинаковые напряжения короткого замыкания .

Если при выполнении прочих условий два (или более) трансформатора с разными включены на параллельную работу, то нагрузки и распределятся между ними обратно пропорционально

, (16.3)

где и – мощности, на которые рассчитаны трансформаторы.

Трансформатор с меньшим перегружается, значит надо снижать общую нагрузку, следовательно, один трансформатор также будет недогружен.

Государственные стандарты допускают разницу на 10 % от их среднеарифметического значения.

4. Перед подключением необходимо проверить чередование фаз.

П ри рассмотрении парал. работы ТР удобно пользоваться сх. замещения в виде активного двухполюсника. Возможность такого представления следует из ТОЭ. Согласно метода эквивалентного генератора любую активную цепь с источниками можно заменить относительно любых двух зажимов активным двухполюсником. ЭДС такого двухполюсника равна напряжению ХХ относительно зажимов. Со стороны нагрузки сх. замещения можно представитьв след. виде.

E₂₀- ЭДС вторичной обмотки в ХХ

Z_k- сопротивление кз ТР относительно вторичных зажимов

13 Условие отсутствия уравнительного тока при параллельной работе ТР без нагрузки.

Для простоты предположим, что нагрузка от ТР отключена. Тогда

РИСС 666

Из формулы видно, что уравнительный ток создается разностной ЭДС. Протекание тока неблагоприятно сказывается на работе ТР, т.к. вызывает перегрузку одного ТР и недогрузку другого при работе на нагрузку. Поэтому наиболее благоприятно, когда I_ур=0. Это возможно только тогда, когда Е=0 при условии, что:

-k_тр_I=k_тр_II(E₂₀_I=E₂₀_II) равенство Е по величине

группы ТР одинаковы; равенство ЭДС по фазе

14 Параллельная работа ТР при неодинаковых напряжениях КЗ и при оптимальных условиях.

Для простоты: Е₂₀_I=E₂₀_II, E=0, I_ур=0

При принятых допущениях из схемы видно, что I_I*Z_kI=I_II*Z_kII

Обычно у параллельно работающих ТР аргументы комплексных токов и сопротивлений близки, т.е.

Arg I_IArgI_II ArgZ_kIArgZ_kII

Поэтому для упрощения можно опустить запись в комплексных числах и использовать модули. Указанное выражение перепишем и преобразуем, с тем, чтобы в нем были использованы относительные мощности и напряжения КЗ.

Из полученного выражения видно, что отношение нагрузки ТР обратно пропорционально их их напряжениям КЗ. Оптимальной считается паралл. работа ТР, когда они в % отношении нагружены одинаково. очевидно это возможно тогда, когда U_kI_*=U_kII_*

Однако не все трансформаторы способны работать параллельно. Определим условия, при которых возможно включение трансформаторов на параллельную работу.

1 одинаковые первичные и вторичные напряжения на обмотках.

2 одинаковые схемы и группы соединения.

3 одинаковые напряжения короткого замыкания, указанные в паспорте трансформатора.

4 порядок чередования фаз у параллельно работающих трансформаторов должен быть одинаковым.

5 одинаковые коэффициенты трансформации =0.5%

6 мощности не должны отличаться более чем 1/3 при этом нужно, чтобы ТР меньшей мощности имел большее Uкз

15 Несимметричный режим работы 3-х фазных ТР. Использование метода симметричных составляющих при анализе работы ТР вне сим. режимов.?

Несимметричный режим работы ТР – такой режим, когда 3-х фазная система токов или ЭДС несимметрична. Это обычный режим работы, вызванный тем, что нагрузка редко бывает, сбалансирована по фазам. В общем случае несимметричный режим может быть вызван:

несимметричная нагрузка;
аварийный режим;
не симметрия подведенных напряжений;
не симметрия конструкции ТР.

17. Условия симметрии обмоток (симметрич. составляющие)

Во всякой обмотке есть несколько параллельных ветвей.

Чтобы ЭДС каждой ветви были одинаковы, ветви должны быть симметричны. А для этого следует выполнить три условия.

Число активных сторон по параллельным ветвям должно быть одинаково, то есть

– целое число.

Число реальных пазов, приходящихся на пару параллельных ветвей, должно быть одинаковым, то есть

целое число.

Каждая сторона секции одной параллельной ветви, находящаяся в определенном месте под каким-либо полюсом, должна соответствовать стороне секции другой параллельной ветви, расположенной в том же месте под другим полюсом той же полярности

целое число.

19. Схемы замещения трансформатора

Рис. 13.2. Схема замещения приведенного трансформатора с магнитной связью

Согласно этой схеме магнитную связь можно заменить на электрическую.

Рис. 13.3. Схема замещения приведенного трансформатора с электрической связью

Эта схема удовлетворяет уравнениям эдс и токов приведенного трансформатора [формулы (13.13)–(13.15)].

, (13.13,а)

, (13.14,а)

. (13.15,а)

По схеме замещения и уравнениям приведенного трансформатора можно построить векторную диаграмму.

20. Параметры режима короткого замыкания

. (14.7)

Режим короткого замыкания осуществляется по схеме, приведенной на рис. 14.5.

Из опыта короткого замыкания имеем:

– приложенное напряжение U₁_k (U₂_k= 0);

– токи в обмотках I₁_k и I₂_k;

– мощность потребления в режиме короткого замыкания P_k.

Рис. 14.5. Схема опыта короткого замыкания

– вся мощность, потребляемая из сети, расходуется на покрытие электрических потерь (потери в меди обмоток P_M).

, (14.7,а)

где – коэффициент загрузки трансформатора;

при , .

По полученным данным из опыта короткого замыкания можно рассчитать следующие величины:

– коэффициент трансформации ;

– коэффициент мощности короткого замыкания

; (14.8)

– напряжение короткого замыкания по формуле (14.7) в процентах;

– полное сопротивление .

Согласно схеме замещения трансформатора в режиме короткого замыкания (см. рис. 14.6)

; (14.9)

; ; . (14.10)

Активная и реактивная составляющие полного сопротивления короткого замыкания

; или (14.11)

; . (14.12)

Напряжение короткого замыкания в процентах можно также определить по следующему выражению

. (14.13)

Тогда активная и реактивная составляющие

, (14.14)

, (14.15)

при этом, не забывая, что .

21. Автотрансформатор

В автотрансформаторе (рис. 4.12.2) часть витков в обмотке В.Н. используется в качестве обмотки Н.Н., т.е. в автотрансформаторе имеется всего лишь одна обмотка, часть которой (а Х) принадлежит одновременно сторонам В.Н. и Н.Н.

На участке аХ протекает ток i₁₂ = i₂ - i₁, или переходя к действующим значениям, учитывая, что I₁ и I₂ находятся в противофазе, можно записать

Таким образом, величина тока в общей части обмоток равна разности токов I₁ и I₂. Если коэффициент трансформации близок к единице, то I₁ и I₂ мало отличаются друг от друга, разность между ними будет также небольшой. Это позволит выполнять часть обмотки аХ проводом меньшего поперечного сечения. Мощность, передаваемая первичной обмоткой во вторичную цепь автотрансформатора, будет равна:

Учитывая, что , ее можно записать в виде:

Здесь U₂I₁ = S_Э , есть мощность, поступающая во вторичную цепь электрическим путем, U₂ I₁₂ = S_м - мощность, поступающая во вторичную цепь посредством магнитного потока. Следовательно, в автотрансформаторе посредством магнитного потока передается только часть мощности, что дает возможность уменьшить поперечное сечение магнитопровода. Магнитные потери при этом также уменьшаются. При меньшем поперечном сечении магнитопровода уменьшается средняя длина витка обмотки, следовательно, вновь уменьшается расход обмоточной меди и снижаются электрические потери. Таким образом, автотрансформатор имеет преимущества перед трансформаторами, заключающиеся в меньшем весе, меньших размерах более высоком К.П.Д., меньшей стоимости и. т.д. Однако эти достоинства имеют значение лишь при коэффициенте трансформации k <=2 При большем коэффициенте трансформации имеют место следующие недостатки. Это: большие токи короткого замыкания в случае понижающего автотрансформатора (при замыкании точек а и Х напряжение u₁ окажется на небольшой части витков автотрансформатора, обладающих малым сопротивлением короткого замыкания); электрическая связь стороны В.Н. со стороной Н.Н.; требующая усиления изоляции между обмотками и корпусом и возникающая опасность попадания В.Н. на сторону Н.Н. Автотрансформаторы могут быть повышенными и пониженными, однофазными и трехфазными. Автотрансформаторы применяются в высоковольтных линиях электропередач для пуска асинхронных и синхронных двигателей в лабораторной практике и при испытаниях. Регулировка напряжения осуществляется как переключателями, изменяющими вводимое число витков во вторичной цепи, так и посредством скользящего контакта, перемещающегося непосредственно по виткам обмотки.

22. Электромагнитная, электрическая и проходная мощность. Сравнение автотрансф-ра и двухобмоточного трансформатора.

Учитывая, что , ее можно записать в виде:

Здесь U₂I₁ = S_Э , есть мощность, поступающая во вторичную цепь электрическим путем (электрическая мощность), U₂ I₁₂ = S_м - мощность, поступающая во вторичную цепь посредством магнитного потока (электромагнитнаямощность). Следовательно, в автотрансформаторе посредством магнитного потока передается только часть мощности, что дает возможность уменьшить поперечное сечение магнитопровода. Магнитные потери при этом также уменьшаются. При меньшем поперечном сечении магнитопровода уменьшается средняя длина витка обмотки, следовательно, вновь уменьшается расход обмоточной меди и снижаются электрические потери. Таким образом, автотрансформатор имеет преимущества перед трансформаторами, заключающиеся в меньшем весе, меньших размерах более высоком К.П.Д., меньшей стоимости и. т.д. Однако эти достоинства имеют значение лишь при коэффициенте трансформации k <=2 При большем коэффициенте трансформации имеют место следующие недостатки. Это: большие токи короткого замыкания в случае понижающего автотрансформатора (при замыкании точек а и Х напряжение u₁ окажется на небольшой части витков автотрансформатора, обладающих малым сопротивлением короткого замыкания); электрическая связь стороны В.Н. со стороной Н.Н.; требующая усиления изоляции между обмотками и корпусом и возникающая опасность попадания В.Н. на сторону Н.Н. Автотрансформаторы могут быть повышенными и пониженными, однофазными и трехфазными. Автотрансформаторы применяются в высоковольтных линиях электропередач для пуска асинхронных и синхронных двигателей в лабораторной практике и при испытаниях. Регулировка напряжения осуществляется как переключателями, изменяющими вводимое число витков во вторичной цепи, так и посредством скользящего контакта, перемещающегося непосредственно по виткам обмотки.

Уравнение эдс и напряжений для двигателя:

. (5.5)

Если левую и правую части уравнения умножить на одну и ту же величину , то

– уравнение электрических мощностей

где – подведенная мощность; – потери мощности; – электромагнитная мощность (полезная).

Электромагнитная мощность преобразуется в мощность вращения якоря, то есть в механическую мощность вращения

, (5.6)

где M – электромагнитный момент;  – угловая частота вращения;

, (5.7)

М = С_МФI.

Для перевода М в килограмм-метры выражение (5.7) делят на 9,8 м²/c.

Здесь – постоянная машины по моменту.

24.Типы обмоток и их параметры и конструктивные элементы.

Обмотки якорей подразделяются на петлевые и волновые (рис. 2.3). Существуют так же обмотки, которые представляют собой сочетание этих двух обмоток.

Рис. 2.3. Одновитковая секция: а – петлевой обмотки; б – волновой обмотки

Если число активных проводников обмотки N, то витков всего N/2, а если в секции  витков, то число секций

. (2.4)

Число секций в машине должно быть равно числу коллекторных пластин К и числу элементарных пазов Z_э:

S = K = Z_э. (2.5)

Схемы обмоток бывают:

1) радиальные (вид с торца со стороны коллектора);

2) плоские развернутые.

Рассмотрим построение схемы обмотки плоской развернутой.

Производим разрез якоря и коллектора по аксиальной оси и разворачиваем в плоскость. Имеем 12 пазов, в каждом верхний () и нижний (- - - -) слои обмотки и 12 коллекторных пластин (рис. 3.1).

Порядок выполнения плоской развернутой обмотки при условии, что на схеме  = 1: первую коллекторную пластину соединяем с верхним слоем паза 1; с 1-го паза в 4-й (нижний слой, так как y₁= 3) и на 2-ю коллекторную пластину (так как y_k= 1); с коллекторной пластины 2 в паз 2 (верхний слой), (так как y₂= 2); затем в паз 5` (нижний слой) и на 3-ю коллекторную пластину; далее процесс выполнения обмотки аналогичен.

Расстановку щеток выполняем из условий:

щетка должна собирать эдс или ток;
щетка ставится там, где секция переходит в другую полярность магнитного потока, когда стороны секций находятся на геометрической нейтрали.

Рис. 3.1 Схема простой петлевой обмотки: а – плоская развернутая схема; б – схема параллельных ветвей

Комбинированная обмотка – это сочетание двух обмоток петлевой и волновой, расположенных в одних и тех же пазах и присоединенных к одному коллектору. Здесь уравнительным соединением первого рода для петлевой обмотки является волновая, а для волновой второго рода – петлевая (рис. 4.1).

Сложные обмотки выполняются как две простые, смещенные относительно друг друга. При этом нечетные коллекторные пластины и элементарные пазы принадлежат одной обмотке, а четные – другой (см. рис. 4.2):

y = y_k = m,

где m – кратность обмотки;

y = y₁ – y₂ =  m .

Так как соседние коллекторные пластины принадлежат разным обмоткам, то ширина щетки должна быть такой, чтобы она перекрывала не менее m пластин

2a = 2Рm,

то есть в m раз больше, чем в простой обмотке.

29. Общие сведения и конструкция асинхронного двигателя

Понятие асинхронной машины связано с тем, что ротор ее имеет частоту вращения, отличающуюся от частоты вращения магнитного поля статора.

Буква "а" здесь играет как бы роль отрицания или нестрогого следования ротора за синхронно вращающимся магнитным полем статора.

Создателем этой простой по конструкции, но удобной и надежной в работе машины является русский инженер М.О. Доливо-Добровольский. Асинхронный двигатель, впервые разработанный в 1889 году, практически не подвергся серьезным изменениям до наших дней.

В основу конструкции асинхронного двигателя положено создание системы трехфазного переменного тока принадлежащее этому же автору.

Переменный ток, подаваемый в трехфазную обмотку статора двигателя, формирует в нем вращающееся магнитное поле.

Основными конструктивными элементами асинхронного двигателя являются неподвижный статор и подвижный ротор (рис. 5.1.1). Статор и ротор разделены воздушным зазором от 0,1 мм до 1,5 мм. Пакет статора c целью уменьшения потерь на вихревые токи набирают из штампованных листов электротехнической стали. На внутренней полости статора имеются пазы, в которые укладываются провода обмотки. Листы статора перед сборкой в пакет изолируют слоем лака или окалины, полученной при их отжиге.

В пазы статора укладывают обмотку, которая в простейшем случае состоит из трех катушек - фаз, сдвинутых в пространстве на 120 эл. градусов. Ротор асинхронного двигателя представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали. На поверхности ротора имеются продольные пазы для обмотки. Листы сердечника ротора специально не изолируют, т.к. в большинстве случаев достаточно изоляции от окалины.

В зависимости от типа обмотки роторы двигателей обычного исполнения делятся на короткозамкнутые и фазные.

Обмотка короткозамкнутого ротора представляет собой медные стержни, забитые в пазы. С двух сторон эти стержни замыкаются кольцами. Соединения стержней с кольцами осуществляется пайкой или сваркой (рис. 5.1.2).

Чаще всего короткозамкнутую обмотку выполняют расплавленным, алюминием и литьем под давлением. При этом вместе со стержнями и кольцами отливаются и лопатки вентилятора.

Двигатели большой мощности имеют на роторе фазную обмотку. Конструкция ее аналогична обмотке статора. Концы этой обмотки выведены на контактные кольца. С помощью этих колец и токосъемных щеток к обмотке ротора подключают дополнительные сопротивления.

30. Принцип действия асинхронного двигателя

Вращающееся магнитное поле статора пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них ЭДС. Так как роторная обмотка замкнута, то в проводниках ее возникают токи. Ток каждого проводника, взаимодействуя с полем статора, создает электромагнитную силу - F_эм. Совокупность сил всех проводников обмотки создает электромагнитный момент М, который приводит ротор во вращение в направлении вращающего поля.

Частота вращения ротора n₂ будет всегда меньше синхронной частоты n₁, т.е. ротор всегда отстает от поля статора. Поясним это следующим образом. Пусть ротор вращается с частотой n₂ равной частоте вращающегося поля статора n₁. В этом случае поле не будет пересекать проводники роторной обмотки. Следовательно, в них не будет наводиться ЭДС и не будет токов, а это значит, что вращающий момент М = 0. Таким образом, ротор асинхронного двигателя принципиально не может вращаться синхронно c полем статора. Разность между частотами поля статора n₂ и ротора n₁ называется частотой скольжения n.

Отношение частоты скольжения к частоте поля называется скольжением:

.*)

В общем случае скольжение в асинхронном двигателе может изменяться от нуля до единицы. Однако номинальное скольжение S_н обычно составляет от 0,01 до 0,1 %. Преобразуя выражение *), получим выражение частоты вращения ротора:

Обмотка ротора асинхронного двигателя электрически не связана с обмоткой статора. В этом отношении двигатель подобен трансформатору, в котором обмотка статора является первичной обмоткой, а обмотка ротора - вторичной. Разница состоит в том, что ЭДС в обмотках трансформатора наводится неизменяющимся во времени магнитным потоком, а ЭДС в обмотках двигателя - потоком постоянным по величине, но вращающимся в пространстве. Эффект в том и в другом случаях будет одинаковым. В отличие от вторичной обмотки трансформатора, неподвижной, обмотка ротора двигателя вместе с ним вращается.

ЭДС роторной обмотки, в свою очередь, зависит от частоты вращения ротора. В этом нетрудно убедиться, анализируя процессы, протекающие в асинхронном двигателе.

Синхронная частота вращения магнитного поля статора перемещается относительно ротора с частотой скольжения n. Она же наводит в обмотке ротора ЭДС E₂, частота которой f₂ связана со скольжением S:

Учитывая, что f₁=рn₁/60, f₂=рn₁S/60.

Приняв величину номинального скольжения порядка 0,01-0,1, можно подсчитать частоту изменения ЭДС в роторной обмотке, которая составляет 0,5-5 Гц (при f₁=50 Гц).

31. Реальное магнитное поле асинхронной машины.

32. ЭДС, индуктируемые в обмотках статора и ротора асинхронного двигателя рабочим магнитным потоком и потоком рассеяния. Коэффициент трансформации ЭДС. Индуктивные сопротивления. Уравнения равновесия напряжений и ЭДС по контуру фазы обмотки статора и ротора. Уравнения равновесия МДС обмоток статора и ротора. Коэффициент трансформации токов.

При подключении обмотки статора к сети возникают токи I₁, создающие вращающийся магнитный поток Ф. Большая часть магнитного потока сцепляется с обмотками ротора и статора. Это будет основной поток обмотки статора. Некоторая часть магнитного потока рассеивается в пространстве. Назовем его потоком рассеяния Ф_рс. Он cцепляется только с витками собственной обмотки.

Основной магнитный поток асинхронного двигателя, вращаясь в пространстве, пересекает обмотку статора со скоростью n₁ и обмотку ротора со скоростью n₂, наводя в них основные ЭДС:

где W₁k₁ и W₂k₂ - произведения чисел витков на обмоточные коэффициенты; Е_2s=Е₂S.

Потоки рассеяния Ф_рс1 Ф_рс2 наводят в обмотках ЭДС рассеяния Е_р1 и Е_р2, которые, как в трансформаторе, могут быть выражены через соответствующие токи I₁ и I₂ и индуктивные сопротивления х₁ и х_2s.

где х₁ и х_2s - индуктивные сопротивления рассеяния обмоток статора и ротора.

Помимо названных выше ЭДС, в обмотках статора и ротора имеют место активные падения напряжения, которые компенсируются соответствующими ЭДС E_r1 и Е_r2.

Составим основные уравнения асинхронного двигателя.

Напряжение U₁, приложенное к фазе обмотки статора, уравновешивается основной ЭДС E₁, ЭДС рассеяния и падением напряжения на активном сопротивлении обмотки статора.

В роторной обмотке аналогичное уравнение будет иметь вид:

Но т.к. роторная обмотка замкнута, то напряжение U₂=0, и если учесть еще, что E_2s=SE₂ и x_2s=Sx₂, то уравнение можно переписать в виде:

Уравнение токов асинхронного двигателя повторяет аналогичное уравнение трансформатора:

где

Направление вращения МДС ротора определяется порядком чередования максимумов тока в фазах, т. е. МДС ротора вращается в ту же сторону, что и магнитное поле статора.

Следовательно, при вращении ротора МДС статора F₁ и МДС ротора F₂ вращаются в пространстве с одинаковой частотой в одну и ту же сторону, т. е. относительно друг друга они неподвижны. Таким образом, полученные выше для заторможенного ротора выводы о взаимодействии токов в первичной и вторичной обмотках применимы и для вращающегося ротора.

Из изложенного следует, что в асинхронной машине магнитное поле, вращающееся с частотой n, возникает в результате совместного действия бегущих волн МДС ротора и статора. Оно служит связующим звеном между статором и ротором, обеспечивая обмен энергией между ними, точно так же, как переменное магнитное поле в трансформаторе осуществляет передачу энергии из первичной обмотки во вторичную.

33. Система уравнений приведенного асинхронного двигателя. Схема замещения асинхронного двигателя (Т- и Г-образная). Физический смысл параметров схемы замещения.

Схема замещения позволяет определить токи, потери мощности и падения напряжения в асинхронной машине. При этом нужно учитывать, что в обмотке вращающегося ротора проходит ток, действующее значение и частота которого зависят от частоты вращения.

Схема замещения обмотки ротора. Из электрической схемы замещения ротора при его вращении (рис. 5.14, а) следует, что ток ротора

(5.30)

При вращении ротора [см. (5.13а) и (5.12а)] ЭДС Е₂_s в обмотке ротора и ее частота пропорциональны скольжению s. Следовательно, и индуктивное сопротивление обмотки ротора зависит от скольжения:

(5.31)

где Х₂ – индуктивное сопротивление обмотки заторможенного ротора.

Подставляя значения Е и Х в (5.30), получаем

(5.32)

В числителе и знаменателе (5.32) есть переменная величина s, поэтому преобразуем его к виду

(5.32а)

Уравнению (5.32а) соответствует электрическая схема замещения, показанная на рис. 5.14, б. Здесь ЭДС Е и индуктивное сопротивление Х₂ неизменны, а активное сопротивление R₂/s изменяется в зависимости от скольжения.

С хемы, представленные на рис. 5.14, а, б, с энергетической точки зрения не эквивалентны. Так, в схеме, приведенной на рис. 5.14, а, электрическая мощность ротора Р_p равна электрическим потерям

(5.33)

а мощность, потребляемая в схеме, приведенной на рис. 5.14, б,

(5.33а)

Отношение этих мощностей

Однако поскольку , получим, что Р'_р = Р_эм. Следовательно, электрическая мощность Р'_р в схеме, представленной на рис. 5.14, б, равна всей электромагнитной мощности, подводимой от статора к ротору.

По известным значениям Р_эл2 и Р_эм можно определить и механическую мощность ротора:

(5.34)

Полученный результат наглядно представлен электрической схемой (рис. 5.14, в), в которой активное сопротивление обмотки ротора состоит из двух частей: R₂ и R₂(1–s)/s. Первое сопротивление не зависит от режима работы, и потери в нем равны электрическим потерям реального ротора. Второе сопротивление зависит от скольжения, и мощность, выделяющаяся в нем, численно равна механической мощности двигателя. Таким образом, рассматриваемая схема замещения позволяет заменить реальный вращающийся ротор неподвижным, в цепь обмотки которого включено активное сопротивление, зависящее от частоты вращения ротора.

Т-образная схема замещения. Полная схема замещения асинхронной машины при вращающемся роторе отличается от схемы замещения асинхронной машины с заторможенным ротором только наличием в цепи ротора активного сопротивления, зависящего от нагрузки (рис. 5.15, а). Эту схему замещения называют Т-образной. Следовательно, и в этом случае удается свести теорию асинхронной машины к теории трансформатора. Векторная диаграмма для Т-образной схемы замещения приведена на рис. 5.15, б.

С опротивления R_м и X_м, намагничивающего контура значительно меньше соответствующих значений для схемы замещения трансформатора, так как ток холостого хода асинхронного двигателя гораздо больше, чем у трансформатора. Если при рассмотрении работы трансформатора часто можно пренебречь намагничивающим контуром, то при рассмотрении работы асинхронного двигателя этого сделать нельзя, так как ошибка может получиться значительной.

Г-образная схема замещения. Можно упростить вычисления, преобразовав Т-образную схему замещения в Г-образную, как это показано на рис. 5.16, а. Подобные преобразования изучаются в курсе ТОЭ, поэтому математические выкладки здесь не приводятся.

Для Г-образной схемы замещения (рис. 5.16, а) имеем , где и –токи рабочих контуров для Т- и Г-образной схем замещения.

П оявившийся в этой схеме замещения комплекс практически всегда можно заменить модулем С₁, который для асинхронных двигателей мощностью 10 кВт и выше равен 1,02...1,05. При анализе электромагнитных процессов в машинах общего применения часто полагают С₁1, что существенно облегчает расчеты и мало влияет на точность полученных результатов. Г-образную схему замещения при С=1 называют упрощенной схемой замещения с вынесенным намагничивающим контуром (рис. 5.16, б). В этой схеме ток без большой погрешности можно приравнять току I₀.

34. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя. Соотношение между электромагнитной мощностью и электрическими потерями в роторе.

Э нергетическая диаграмма. При работе асинхронной машины в двигательном режиме (рис. 5.12) к статору из сети подводится мощность

(5.14)

Часть этой мощности затрачивается на покрытие электрических потерь P_эл1 в активном сопротивлении обмотки статора и магнитных потерь P_м1 в статоре. В ротор посредством вращающегося магнитного поля передается электромагнитная мощность

(5.15)

Часть электромагнитной мощности, полученной ротором, тратится на покрытие электрических потерь P_эл2 в его обмотке. В машинах с фазным ротором возникают также потери в щеточных контактах на кольцах, которые обычно включают в потери P_эл2. Оставшаяся часть мощности P_эм превращается в механическую мощность

(5.16)

Магнитные потери P_м2 в стали ротора из-за малой частоты перемагничивания практически отсутствуют. Механическая мощность, за исключением небольших потерь на трение, является выходной полезной мощностью двигателя:

(5-17)

где P_т и P_доб – соответственно потери на трение (механические) и добавочные потери.

Выразим электромагнитную и механическую мощности через электромагнитный вращающий момент М.

(5.18)

где ₁ = 2n₁/60 и ₂ = 2n₂/60 – угловые скорости соответственно магнитного поля и ротора.

Из энергетической диаграммы (рис. 5.12) следует, что

(5.19)

или

(5-20)

Из формулы (5.20) имеем

(5.21)

(5-22)

Формулы (5.21) и (5.22) позволяют произвести анализ важнейших свойств асинхронного двигателя, а именно установить связь между скольжением и КПД, а также зависимость электромагнитного момента от параметров машины и режима ее работы.

35. Аналитическое определение вращающего момента асинхронного двигателя. Механическая характеристика. Максимальный и пусковой моменты. Критическое скольжение. Формула Клосса.

Вращающий момент в асинхронном двигателе создается взаимодействием тока ротора с магнитным полем машины. Вращающий момент математически можно выразить через электромагнитную мощность машины:

где w₁=2pn₁/60 - угловая частота вращения поля.

В свою очередь, n₁=f₁60/Р, тогда

Подставим в формулу M₁ выражение Р_эм=Р_э2/S и, разделив на 9,81, получим:

Отсюда следует, что момент двигателя пропорционален электрическим потерям в роторе. Подставим в последнюю формулу значение тока I₂’:

получим

где U₁ - фазное напряжение обмотки статора.

В последнем выражении для M₁ единственным переменным параметром является скольжение S. Зависимость М=f(S) получило название механической характеристики двигателя (рис. 5.11.1).

В момент пуска двигателя, когда n₂=0, скольжение S=1, тогда:

Под действием момента M_n ротор придет во вращение. В дальнейшем скольжение будет уменьшаться, а вращающий момент увеличиваться. При скольжении S_кр он достигает максимального значения M_max.. Величина критического скольжения

Тогда, подставив его значение в формулу для М, получим:

Дальнейший разгон двигателя будет сопровождаться уменьшением скольжения и, вместе с тем уменьшением вращающего момента. Равновесие наступит, когда величине вращающего момента будет противостоять тормозной момент, вызванный нагрузкой.

При номинальной нагрузке будут номинальный вращающий момент М_н и номинальное скольжение S_н.

Отношение максимального момента к номинальному называется перегрузочной способностью двигателя.

Обычно она составляет величину от 1,7 до 2,5.

Отношение пускового момента к номинальному называется кратностью пускового момента

Эта величина может быть меньше единицы (например, 0,8) и больше ее (до 1,2). При меньшей кратности двигатель следует включать в работу без нагрузки, и лишь после разгона подается нагрузка. Двигатель с кратностью К_п.м.>1 можно включать в сеть с полной нагрузкой.

36. Влияние нагрузки на валу асинхронного двигателя на параметры установившегося режима: скольжение и частоту вращения, ток в обмотке статора, вращающий момент на валу, активную мощность, потребляемую из сети, коэффициент мощности и КПД (рабочие характеристики).

Р абочими характеристиками называют графические зависимости частоты вращения n₂ (или скольжения s), момента на валу М₂, тока статора I₁, коэффициента полезного действия  и cos₁ от полезной мощности P₂ при U₂ = const и f₁ = const. Их определяют экспериментально или путем расчета по схеме замещения или круговой диаграмме.

Примерный вид рабочих характеристик асинхронного двигателя показан на рис.

Частота вращения ротора. При переходе от режима холостого хода к режиму полной нагрузки частота вращения n₂ изменяется незначительно, так как при проектировании двигателей для уменьшения потерь мощности в роторе P_эл2 необходимо, чтобы скольжение при номинальном режиме не превышало 0,02...0,06. Следовательно, скоростная характеристика асинхронного двигателя является «жесткой».

Характеристики n₂ = f(Р₂) и n₂ = f(М) можно построить по круговой диаграмме. Для этого задаются рядом точек на окружности токов и находят соответствующие им значения полезной мощности, электромагнитного момента и скольжения.

Вращающий момент на валу двигателя. Зависимость между моментом М₂ и полезной мощностью Р₂ определяется соотношением

(5.56)

где ₂ – угловая скорость ротора.

Поскольку n₂ изменяется мало, эта зависимость близка к линейной. Чтобы определить момент М₂ на валу двигателя, по круговой диаграмме находят электромагнитный момент М, а затем из него вычитают момент, обусловленный трением в двигателе ( ):

Ток статора. Ток I₁ получают по круговой диаграмме непосредственным измерением отрезков. Активная составляющая тока пропорциональна полезной мощности. Реактивная составляющая в диапазоне рабочих нагрузок изменяется мало, так как она определяется главным образом током холостого хода, который составляет 20...40% от номинального тока.

Коэффициент мощности. При переходе от режима холостого хода к режиму номинальной нагрузки коэффициент мощности возрастает от значения соs₁ = 0,09... 0,18 до некоторой максимальной величины: для двигателей малой и средней мощности (1...100 кВт) имеем соs₁ = 0,7...0,9, а для двигателей большой мощности (свыше 100 кВт) соs₁ = 0,90...0,95. При дальнейшем увеличении нагрузки соs₁ несколько уменьшается. Следовательно, работа асинхронного двигателя при малых нагрузках, когда с соs₁ мал, в энергетическом отношении невыгодна. Величину соs₁ можно определить по круговой диаграмме, если построить на ней дополнительную шкалу.

В двигателях с фазным ротором кривые  и соs₁ располагаются несколько ниже, чем у соответствующих двигателей с короткозамкнутым ротором; На это влияют следующие причины:

а) возникновение дополнительных потерь мощности в результате наличия щеток на контактных кольцах;

б) уменьшение полезной мощности из-за худшего использования объема ротора (обмотку ротора выполняют из изолированного провода, вследствие чего пазы ротора частично заполняются изоляцией);

в) увеличение намагничивающего тока из-за возрастания магнитного сопротивления зубцово-пазового слоя ротора в результате уменьшения поперечного сечения зубцов.

Коэффициент полезного действия. Зависимость  от полезной мощности Р₂ имеет такой же характер, как и для трансформатора. Эта зависимость имеет общий характер для большинства электрических машин.

При изменении нагрузки электрической машины отдельные виды потерь изменяются по-разному: электрические потери P_эл в обмотках статора и ротора, а также добавочные потери P_доб изменяются пропорционально квадрату тока нагрузки; электрические потери в щеточном контакте P_щ.эл изменяются пропорционально току в первой степени; механические P_т и магнитные P_м потери остаются практически постоянными – такими же, как при холостом ходе, если напряжение машины U₁ и частота ее вращения n₂ не изменяются. По этому признаку все виды потерь можно разделить на две группы: постоянные потери P_пост = P_м + P_м и переменные потери P_пер = P_эл + P_щ.эл + P_доб которые можно приближенно считать пропорциональными квадрату тока нагрузки (обычно потери P_щ.эл малы по сравнению с P_эл). Мощность Р₂, отдаваемая машиной (Р_эл в генераторах и Р_мех в двигателях), пропорциональна току нагрузки I в первой степени, поэтому зависимость КПД от тока нагрузки

(5.57)

где А, В, С – постоянные.

Из (5.57) следует, что при изменении нагрузки электрической машины ее КПД изменяется, как показано на рис. При холостом ходе =0, так как полезная мощность Р₂ отсутствует. При увеличении нагрузки КПД возрастает за счет увеличения Р₂, но одновременно быстрее, чем Р₂, возрастают переменные потери P_пер, поэтому при некотором токе I_кр увеличение КПД прекращается и в дальнейшем начинает уменьшаться. Если взять производную d/dt и приравнять ее нулю, то можно получить условие максимума КПД – это наблюдается при такой нагрузке, при которой P_пер =P_пост.

При проектировании электрической машины обычно так распределяют потери мощности, что указанное условие выполняется при наиболее вероятной нагрузке машины, несколько меньшей номинальной. Во вращающихся электрических машинах средней и большой мощности это условие выполняется при нагрузках примерно 60% от номинальной.

При увеличении номинальной мощности относительная величина суммарных потерь уменьшается. Следовательно, должен возрастать и КПД машины. Эта закономерность проявляется во всех типах вращающихся электрических машин и в трансформаторах машины большей номинальной мощности всегда имеют соответственно и больший КПД, и, наоборот, КПД машин малой мощности и микромашин обычно невелик. Так, например, КПД вращающихся электрических машин мощностью свыше 100 кВт составляет 0,92...0,96, мощностью 1...100 кВт – 0,7...0,9, а микромашин – 0,4...0,6. Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя можно определить из круговой диаграммы. Однако для получения более точных результатов КПД рекомендуется определять путем расчета отдельных видов потерь.

37. Асинхронные двигатели с улучшенными пусковыми свойствами (АД с повышенным скольжением, с двойной клеткой, с глубокими пазами на роторе).

С тремление повысить пусковой момент короткозамкнутых асинхронных двигателей без увеличения активного сопротивления обмотки ротора (а следовательно, и потерь энергии в нем) привело к появлению специальных конструкций двигателей, называемых двигателями с повышенным пусковым моментом. К ним относятся двигатели с двойной «беличьей клеткой» и с ротором, имеющим глубокие пазы (глубокопазные двигатели).

Двигатель с двойной «беличьей клеткой». Ротор этого двигателя (рис. 5.32, а) имеет две короткозамкнутые обмотки. Наружная клетка является пусковой; она выполнена из стержней малого поперечного сечения и поэтому обладает повышенным активным сопротивлением R₂_n. Внутренняя клетка является основной рабочей обмоткой двигателя; она выполнена из стержней сравнительно большого поперечного сечения и обладает малым активным сопротивлением R₂_p.

Индуктивные сопротивления клеток определяются значениями потоков рассеяния Ф_₂, сцепленных с их стержнями. Так как пусковая клетка расположена близко к поверхности ротора, то сцепленные с ее стержнями потоки рассеяния Ф_₂ (рис. 5.32,6) сравнительно невелики и она обладает малым индуктивным сопротивлением X₂_n. Рабочая клетка, наоборот, удалена от поверхности ротора, поэтому она имеет большое индуктивное сопротивление X₂_p Увеличение индуктивного сопротивления рабочей клетки, обеспечивается благодаря соответствующему выбору ширины и высоты паза ротора, а также выбору щели и расстоянию между стержнями обеих клеток.

Для повышения активного сопротивления пусковой клетки стержни обычно изготовляют из марганцовистой латуни или бронзы. Стержни рабочей клетки выполняют из меди. Торцовые короткозамыкающие кольца делают медными. В некоторых случаях обе обмотки объединяют и выполняют литыми из алюминия.

В электрическом отношении обе клетки включены параллельно, вследствие чего ток ротора распределяется между ними обратно пропорционально их полным сопротивлениям

В начальный момент пуска, когда s=1 и частота тока f₂ в роторе максимальна, индуктивные сопротивления клеток во много раз больше их активных сопротивлений, т. е. ток ротора проходит в основном через пусковую клетку (рис. 5.31, в), у которой Х_2n<Х₂_p. В то же время эта клетка обладает сравнительно большим активным сопротивлением, а следовательно, создает повышенный пусковой момент.

По мере разгона ротора уменьшается скольжение s и частота f₂, поэтому изменяются индуктивные сопротивления Х₂_n и Х₂_p и распределение тока между клетками. Из (5.60) следует, что ток начинает постепенно переходить из пусковой клетки в рабочую. По окончании процесса разгона величина s становится малой и роль реактивных сопротивлений в токораспределении оказывается незначительной.

Таким образом, в рассматриваемом двигателе ток в начальный момент пуска вытесняется в наружную пусковую клетку, создающую большой пусковой момент, а по окончании процесса пуска проходит по рабочей клетке с малым активным сопротивлением, вследствие чего двигатель работает с высоким КПД. Двигатели с повышенным пусковым моментом часто называют двигателями с вытеснением тока.

З ависимость М=f(s) для двигателей с двойной «беличьей клеткой» можно построить, рассматривая действие пусковой и рабочей обмоток раздельно. Поскольку пусковая обмотка имеет повышенное сопротивление, максимум образуемого ею момента смещен в область больших скольжении (рис. 5.33, и, кривая 1). Характеристики M=f(s), создаваемая рабочей обмоткой (кривая 2), имеет такую же форму, как и характеристика короткозамкнутого двигателя нормального исполнения; у нее максимум момента соответствует скольжению s=0,1 ...0,2. Результирующую характеристику двигателя (кривая 3) можно получить путем суммирования ординат кривых 1 и 2. У двигателя с двойной «беличьей клеткой» пусковой момент значительно больше, чем у короткозамкнутого двигателя нормального исполнения. Кратность пускового момента этого двигателя М_п/М_ном=1,3...1,7, а кратность пускового тока I_п/I_ном=4...6.

Глубокопазный двигатель. Принцип действия этого двигателя основан также на явлении вытеснения тока. «Беличья клетка» выполнена из узких медных или алюминиевых стержней (рис. 5.34, а), заложенных в глубокие пазы ротора, высота которых в 6...12 раз больше ширины. Такие стержни можно рассматривать как проводники, разделенные на большое число слоев. Из рис. 5.34,б видно, что «нижние» слои проводников сцеплены с большей частью потока рассеяния Ф_₂, чем «верхние», и имеют соответственно большую индуктивность.

В начальный момент пуска при s=1 частота изменения тока в роторе большая и распределение тока по параллельным слоям определяется в основном их индуктивным сопротивлением. Поэтому при пуске происходит вытеснение тока в «верхние» слои (плотность тока  по высоте проводника распределяется согласно кривой 1, рис. 5.34,б), что равносильно увеличению активного сопротивления стержня. В результате происходит повышение пускового момента двигателя. При ном частота тока в роторе мала (например, при f=50 Гц и s=0,02 частота f₂ = 1 Гц) и соответственно меньше его индуктивное сопротивление. Вытеснения тока в этом случае не происходит; распределение его происходит приблизительно равномерно по высоте стержня (рис. 5.34, б, кривая 2). При этом резко уменьшается активное сопротивление ротора и потери мощности P_эл одновременно увеличивается поток рассеяния Ф_₂, а следовательно, и сопротивление Х’₂.

Магнитный поток рассеяния ротора двигателя с повышенным пусковым моментом по сравнению с магнитным потоком рассеяния ротора двигателя нормального исполнения увеличен, а поэтому он имеет несколько уменьшенный соsф₁ при номинальном режиме и обладает пониженной перегрузочной способностью.

Явление вытеснения тока при пуске и связанное с этим увеличение активного и уменьшение индуктивного сопротивлений встречается (в меньшей степени) и у двигателей с короткозамкнутым ротором нормального исполнения. Чтобы усилить эффект вытеснения тока в короткозамкнутых двигателях мощностью до 100 кВт, пазам ротора и стержням придают специальную, сильно вытянутую в радиальном направлении форму (см. рис. 5.4, г). В микродвигателях размеры пазов ротора обычно настолько малы, что использование эффекта вытеснения тока оказывается невозможным.

38. Способы пуска и регулирования частоты вращения асинхронных двигателей.

На практике замечено, что ток, потребляемый обмоткой статора в первый момент пуска двигателя, очень большой. В ряде случаев он превышает номинальный ток в 6 - 10 раз.

Такой нагрузки может не выдержать не только питающая сеть, но и сама обмотка статора. Поэтому для пуска крупных асинхронных двигателей применяют специальные устройства, снижающие пусковой ток. На рис. 5.13.1. показаны схемы пуска мощных двигателей с помощью реакторов и автотрансформатора.

Принцип ограничения тока заключается в том, что к статорной обмотке двигателя на период пуска подводится пониженное напряжение. После разгона его дополнительные устройства от двигателя отключаются.

Иногда для снижения напряжения, подаваемого в обмотки статора, изменяют схему переключения обмоток. Например, асинхронный двигатель нормально работает по схеме "треугольник". Если на период пуска его обмотки включить "звездой", то на каждую фазу придется напряжение в раз меньшее.

Двигатели с фазным ротором пускаются в работу с помощью дополнительных сопротивлений. Вводя дополнительные сопротивления в цепь ротора, добиваются ограничения пускового тока.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя определяется формулой:

Здесь возможны три различных способа реализации:

Первый заключается в изменении частоты тока f, подаваемого в обмотки двигателя. Этот способ позволяет осуществлять плавное регулирование частоты вращения двигателя. Регуляторы частоты тока пока еще очень дороги, поэтому они мало применяются.

Второй способ связан с изменением пар полюсов p на статоре.

Укладывая на статоре несколько обмоток, рассчитанных на различные числа пар полюсов (р=1,2,3,4), можно обеспечить различные частоты вращения магнитного поля (соответственно: 3000, 1500, 1000, 750 об/мин). Подключение к сети необходимой обмотки производится специальным переключателем.

Этот способ регулирования ступенчатый, но в ряде металлообрабатывающих станков он нашел самое широкое применение (например, для привода продольно-строгального станка при рабочем и обратном ходе).

Третий способ регулирования частоты вращения возможен лишь для двигателей с фазным ротором. Здесь изменение скольжения S достигается введением в цепь ротора регулировочных сопротивлений. Такие схемы широко используются на грузоподъемных кранах.

К категории регулирования вращения вала двигателя относится так называемое реверсирование, т.е. изменение направления вращения на обратное. Осуществляется оно путем изменения порядка чередования фаз обмотки статора. На рис. 5.13.2. показана схема изменения направления вращения вала двигателя.

Торможение асинхронного двигателя может быть механическим и электрическим.

К механическим относятся торможения муфтами, электромагнитными лентами, колодками и т.д.

Иногда применяют электродинамическое торможение, когда после отключения двигателя от сети переменного тока в его обмотки подается постоянный ток. В этом случае постоянное магнитное поле заметно сокращает выбег ротора.

Чаще используется торможение "противовыключением". После отключения двигателя от сети его кратковременно включают на вращение в обратную сторону. Как только оставшаяся частота вращения ротора n₂ станет равной нулю, двигатель отключается от сети.

Частотное регулирование. Этот способ регулирования частоты вращения позволяет применять наиболее надежные и дешевые асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Однако для изменения частоты питающего напряжения требуется наличие источника электрического тока переменной частоты. В качестве последнего используют либо синхронные генераторы с переменной частотой вращения, либо преобразователи частоты–электромашинные или статические, выполненные на управляемых полупроводниковых вентилях (транзисторах или тиристорах).

В настоящее время статические пребразователи частоты имеют довольно сложную схему и сравнительно высокую стоимость. Однако быстрое развитие силовой полупроводниковой техники позволяет надеяться на дальнейшее совершенствование преобразователей частоты, что открывает перспективы для широкого применения частотного регулирования.

Для получения требуемой характеристики двигателя следует изменять не только частоту питающей сети, но и значение напряжения. Они должны иметь определенную зависимость, при которой обеспечивается устойчивая работа двигателя, не происходит чрезмерной нагрузки его по току и магнитному потоку и т. п. Выбранный закон управления необходимо реализовать посредством достаточно простого и надежного автоматического устройства.

39. Синхронные машины. Классификация. Системы возбуждения. Устройство активных частей.

Синхронные машины используют главным образом в качестве источников электрической энергии переменного тока; их устанавливают на мощных тепловых, гидравлических и атомных электростанциях, а также на передвижных электростанциях и транспортных установках (тепловозах, автомобилях, самолетах). Конструкция синхронного генератора определяется в основном типом привода. В зависимости от этого различают турбогенераторы, гидрогенераторы и дизель-генераторы. Турбогенераторы приводятся во вращение паровыми или газовыми турбинами, гидрогенераторы – гидротурбинами, дизель-генераторы – двигателями внутреннего сгорания. Синхронные машины широко используют и в качестве электродвигателей при мощности 100 кВт и выше для привода насосов, компрессоров, вентиляторов и других механизмов, работающих при постоянной частоте вращения. Для генерирования или потребления реактивной мощности с целью улучшения коэффициента мощности сети и регулирования ее напряжения применяют синхронные компенсаторы.

В электробытовых приборах (магнитофонах, проигрывателях, киноаппаратуре) и системах управления широко применяются различные синхронные микромашины с постоянными магнитами, индукторные, реактивные, гистерезисные, шаговые.

В 1876 г. русский ученый П. Н. Яблочков разработал несколько образцов многофазных синхронных генераторов с электромагнитным возбуждением и электрически не связанными фазами, предназначенных для питания созданных им дуговых электрических ламп (свечи Яблочкова). Первый трехфазный синхронный генератор изобрел известный русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский. Этот генератор имел мощность 230 кВА, приводился во вращение от гидротурбины и обеспечивал электроснабжение международной электротехнической выставки в г. Франкфурте в 1891 г. по четырехпроводной электрической линии трехфазного тока.

Основная электромагнитная схема синхронных машин с тех пор оставалась неизменной, но усовершенствовалось их конструктивное выполнение и возросли электромагнитные нагрузки, что позволило значительно улучшить массогабаритные и энергетические показатели и нагрузочную способность синхронных машин. Особенно большие выгоды в этом отношении дало применение в крупных машинах водородного и водяного охлаждения.

В разработке теории синхронных машин и совершенствовании их конструкции важная роль принадлежит многим советским ученым А. Е. Алексееву, Толвинскому и др. Синхронные генераторы большой мощности разрабатывались на основе работ А. И. Бертинова, А. И. Глебова, Д. Е. Ефремова, В. В. Романова, Г. М. Хуторецкого и др.

В настоящее время советской электропромышленностью для тепловых и атомных электростанций разработана и выпускается серия унифицированных турбогенераторов мощностью 63, 125, 320, 500 и 800 ВМт и уникальные турбогенераторы мощностью 1000 МВт для атомных и 1200 МВт для тепловых электростанций. Для гидроэлектростанций созданы гидрогенераторы мощностью 350, 590 и 640 МВт, а также обратимые генераторы-двигатели для гидроаккумулирующих электростанций мощностью 200...300 МВт. Для высоковольтных линий электропередачи выпускаются синхронные компенсаторы мощностью до 350 МВА.

В синхронной машине обмотку, в которой индуцируется ЭДС и проходит ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения – индуктором. Следовательно, в приведенной машине (рис. 8.1) статор является якорем, а ротор – индуктором. Для принципа действия и теории работы машины не имеет значения вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной конструктивной схемой: обмотку якоря, к которой подключают нагрузку, располагают на роторе, а обмотку возбуждения, питаемую постоянным током – на статоре. Такую машину называют обращенной. Обращенные машины имеют сравнительно небольшую мощность, так как у них затруднен отбор мощности от обмотки ротора.

Синхронная машина может работать автономно в качестве генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, или параллельно с сетью, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т. е. работать генератором или двигателем. При подключении обмотки статора к сети с напряжением U и частотой f₁ проходящий по обмотке ток создает, так же как в асинхронной машине, вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется по (8.2). В результате взаимодействия этого поля с током I_в, проходящим по обмотке ротора, создается электромагнитный момент М, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а при работе в генераторном режиме – тормозным. В рассматриваемой машине в отличие от асинхронной поток возбуждения (холостого хода) создается обмоткой постоянного тока, расположенной обычно на роторе. В установившемся режиме ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается с частотой вращения n1=n2 независимо от механической нагрузки на валу ротора или электрической нагрузки.

Таким образом, для установившихся режимов работы синхронной машины характерны следующие особенности:

а) ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной частотой, равной частоте вращающегося магнитного поля, т. е. n₂=n₁,

б ) частота изменения ЭДС Е, индуцируемой в обмотке якоря, пропорциональна частоте вращения ротора;

в) в установившемся режиме ЭДС в обмотке возбуждения не индуцируется; МДС этой обмотки определяется только током возбуждения и не зависит от режима работы машины.

С инхронные машины выполняют с неподвижным или вращающимся якорем. Машины большой мощности для удобства отвода электрической энергии со статора или подвода ее выполняют с неподвижным якорем (рис. 8.2, а). Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3...2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух колец не вызывает особых затруднений. Синхронные машины небольшой мощности выполняют как с неподвижным, так и с вращающимся якорем. В обращенной синхронной машине с вращающимся якорем и неподвижным индуктором (рис. 8.2,6) нагрузка подключается к обмотке посредством трех колец.

Конструкция ротора.

В синхронных машинах применяют две различные конструкции ротора: неявнополюсную – с неявно выраженными полюсами (рис. 8.3, а) и явно-полюсную–с явно выраженными полюсами (рис. 8.3, б).

Двух- и четырехполюсные машины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1300 и 3000 об/мин, изготовляют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения необходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотку возбуждения в такой машине размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки, и укрепляют немагнитными клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят с помощью стальных массивных бандажей. Для получения приблизительно синусоидального распределения магнитной индукции обмотку возбуждения укладывают в пазы, занимающие полюсного деления.

Явнополюсный ротор обычно используют в машинах с четырьмя полюсами и более. Обмотку возбуждения в этом случае выполняют в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках полюсов и закрепляют с помощью полюсных наконечников. Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготовляют из листовой стали.

В явнополюсных машинах полюсным наконечникам обычно придают такой профиль, чтобы воздушный зазор между полюсным наконечником и статором был минимальным под серединой полюса и максимальным у его краев, благодаря чему кривая распределения индукции в воздушном зазоре приближается к синусоиде.

В полюсных наконечниках синхронных двигателей с явнополюсным ротором размещают стержни пусковой обмотки, выполненной из материала с повышенным удельным электрическим сопротивлением (латуни). Такую же обмотку (типа «беличья клетка»), состоящую из медных стержней, применяют и в синхронных генераторах; ее называют демпферной (успокоительной) обмоткой, так как она обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих в переходных режимах работы синхронной машины. Если синхронная машина выполнена с массивными полюсами, то при пуске и переходных режимах в них возникают вихревые токи, действие которых эквивалентно действию тока в короткозамкнутой обмотке.

Питание обмотки возбуждения. В зависимости от способа питания обмотки возбуждения различают системы независимого возбуждения и самовозбуждения.

При независимом возбуждении в качестве источника для питания обмотки возбуждения служит генератор постоянного тока (возбудитель), установленный на валу ротора синхронной машины, либо отдельный вспомогательный генератор, приводимый во вращение синхронным или асинхронным двигателем.

При самовозбуждении обмотка возбуждения питается от обмотки якоря через управляемый или неуправляемый выпрямитель – обычно полупроводниковый. Мощность, необходимая для возбуждения, сравнительно невелика и составляет 0,3...3% от мощности синхронной машины.

В мощных генераторах кроме возбудителя обычно применяют подвозбудитель – небольшой генератор постоянного тока, служащий для возбуждения основного возбудителя. Основным возбудителем в этом случае может служить синхронный генератор совместно с полупроводниковым выпрямителем. Питание обмотки возбуждения через полупроводниковый выпрямитель, собранный на диодах или на тиристорах, широко применяют как в двигателях и генераторах небольшой и средней мощности, как и в мощных турбо- и гидрогенераторах (тиристорная система возбуждения). Регулирование тока возбуждения I_в осуществляется автоматически специальными регуляторами возбуждения, однако в машинах небольшой мощности применяется регулировка и вручную реостатом, включенным в цепь обмотки возбуждения. При необходимости форсирования возбуждения генератора повышают напряжение возбудителя и увеличивают выходное напряжение выпрямителя.

В современных синхронных генераторах применяют так называемую бесщеточную систему возбуждения. При этом в качестве возбудителя используют синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу.

Обмотка возбуждения возбудителя получает питание от подвозбудителя, снабженного регулятором напряжения. При таком способе возбуждения в цепи питания обмотки возбуждения генератора отсутствуют скользящие контакты, что существенно повышает надежность системы возбуждения.

40. Принцип действия синхронного генератора (при работе на автономную нагрузку).

С татор синхронной машины по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя. В пазах статора размещается трехфазная, двухфазная или однофазная обмотки. Заметное отличие имеет ротор, который принципиально представляет собой постоянный магнит или электромагнит. Это налагает особые требования на геометрическую форму ротора. Любой магнит имеет полюса, число которых может быть два и более. На рис. 6.1.1 приведены две конструкции генераторов, с тихоходным и быстроходным ротором.

Быстроходными бывают, как правило, турбогенераторы. Количество пар магнитных полюсов у них равно единице. Чтобы такой генератор вырабатывал электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц, его необходимо вращать с частотой

На гидроэлектростанциях вращение ротора зависит от движения водяного потока. Но и при медленном вращении такой генератор должен вырабатывать электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц. Поэтому для каждой гидроэлектростанции конструируется свой генератор, на определенное число магнитных полюсов на роторе.

Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, которое, пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС. При подключении к генератору нагрузки генератор будет являться источником переменного тока.

41. Реакция якоря неявнополюсного синхронного генератора при работе на автономную нагрузку.

Р еакцией якоря называется воздействие поля обмотки якоря на поле обмотки возбуждения. Реакция якоря, т.е. характер действия поля обмотки возбуждения зависит от характера нагрузки. Рассмотрим для простоты частные виды нагрузки (чисто активную 0, чисто емкостную - 90, чисто индуктивную 90).

Когда ЭДС и ток якоря совпадают по фазе, магнитная ось поля реакции якоря Ф_а направлено под 90 по отношению к магнитному полю возбуждения. В теории СМ часто используются сист. корд. жестко связанная с ротором, ось напр. По оси полюсов обозначается буквой d напр. вдоль оси полюсов наз. продольной, а ось проход. между полюсами – поперечной. Поэтому реакцию якоря при чисто активной нагрузке наз. поперечной.

Из рис. видно что при поперечной реакции якоря магнитное поле якоря под одним краем полюса напр. согласно, а под другим краем встречно. Если магнитное система генератора ненасыщенна, то суммарный магнитный поток полюсов не изменяется. При насыщенной магнитной системе суммарный магнитный поток полюсов несколько уменьшается.

При чисто индуктивной нагр. магн. поле якоря направленно встречно обмотке возб. поскольку ток отстает от ЭДС в обм. возб. на 90.

Т.о. при чисто инд. нагр. поле реакции якоря напр. вдоль оси dd и поэтому явл. продольной, при этом она имеет размагничивающий характер, уменьшается магн. поток в генераторе.

Можно показать что при чисто емкостной нагрузке реакция якоря также явл. продольной, но поле реакции якоря направленно согласно с полем обмотки возбуждения.

42. Реальное магнитное поле неявнополюсной синхронной машины. Уравнение равновесия напряжений и ЭДС неявнополюсного синхронного генератора (=const) по контуру фазы обмотки якоря. Схема замещения. Векторная диаграмма.

Реальное магн. поле СГ создается токами, обтекающими обмотку якоря и обмотку возбуждения.

В установившемся режиме работы на процессы протекающие в генераторе оказывает влияние:

1. Магн. поток обмотки возбуждения Ф₀.

2. Магн. поток реакции якоря Ф_а.

3. Магн. поток рассеяния якоря Ф__а.

Д еление магн. потока созд. обмоткой якоря на поток реакции и поток рассеяния аналогичен делению магн. потока обмотки статора на поток рассеяния и основной поток. Поток рассеяния Ф__а в свою очередь можно разбить на несколько составляющих: дифферен., лобового, фазового рассеяния.

Магн. поток возб. индуктирует в обмотке якоря основную ЭДС Е₀. Потоки рассеяния изменяются во времени и поэтому индуктируются соответствующие ЭДС:

Ф_аЕ_а, Ф__а Е__а.

По второму закону Кирхгофа:

U = E₀ + E_a + Е__а – rI,

E_a = -jx_aI,

E__a = -jx__aI,

U = E₀ – jx_aI – jx__aI – rI,

x_c = x_a + x__a – синхронное индуктивное сопротивление.

U = E₀ – jx_сI – rI, - уравнение электрического равновесия.

Для простоты пренебрегают rI,.

43. Реакция якоря явнополюсного синхронного генератора. Метод двух реакций (Блонделя). Реакция якоря при смешанной нагрузке. Уравнение равновесия напряжений и ЭДС (=const) по контуру фазы обмотки якоря. Векторная диаграмма.

Подобна реакции якоря неявнополюсной машины. Зазор между статором и ротором неравномерный. Под полюсами минимальный, а в междуполюсном пространстве достаточно большой. Это приводит к тому что поле реакции якоря зависит от характера нагрузки. При одной и той же МДС обмотки якоря магн. поле при продольной реак. якоря значительно больше чем при поперечной. Это приводит к тому, что индуктивное сопротивление реак. якоря х_а зависит от характера нагрузки.

Метод предлагаемый Блонделем:

Предполагался что результирующий магн. поток реак. якоря состоит их двух независимых составляющих продольной и поперечной Ф_а = Ф_da + Ф_qa.

В соответствии с этим считали что каждая из составляющих состоит из двух составляющих F_a = F_d + F_q. I = I_d + I_q.

В соответствии с методом двух реакций, каждая составляющая потока наводит собственную ЭДС.

Ф_daE_da , Ф_q_aE_q_a.

Действе ЭДС изменяется падением напряжения

E_da = jx_daI , E_qa = jx_qaI.

x_da – продольное индуктивное сопротивление реакции якоря,

x_qa – поперечное индуктивное сопротивление реакции якоря.

U = E₀ – jx_daI – jx_qaI – jx__aI – rI,

x_d = x_da + x__a – продольное синхронное индуктивное сопротивление,

x_q = x_qa + x__a – поперечное синхронное индуктивное сопротивление.

U = E₀ – jx_dI – jx_qI – rI, - уравнение электрического равновесия явнополюсного СГ. Аналогично пренебрегаем rI.

44. Характеристики синхронного генератора при работе на автономную нагрузку.

Общими условиями для снятия характеристик:

1. Постоянство частоты вращения n = n_п = const.

2. при снятии характеристик характер нагрузки не должен меняться  = const.

а ) Характеристика ХХ. Зависимость Е₀ = f(I_в). I_a = 0. Поэтому U_xx = E₀.

Имеет вид характерный для большинства типов генераторов. Поскольку ЭДС Е₀~Ф_от, то характеристика ХХ по виду аналогична характеристике намагничивания генератора Ф_от = f(I_в). При I_в = 0 будет Е₀ = Е_ост. При повышении I_в, Е₀ изменяется вначале по линейному закону, а затем рост ЭДС Е₀ замедляется. Замедление обуславливается насыщением магн. системы генератора Е_ост = (1,52,5%U_н).

б) Внешняя характеристика генератора. Наз. зависимость U = f(I). При условии, что I_в = const. Обычно снимается семейство характеристик при различных характерах нагрузки.

Изменение напряжения зависит от характера нагрузки. Рассмотрим для примера акт.-инд. нагрузку. С ростом I напряжение падает. Это вызвано:

1. Размагничивающим действием реакции якоря.

2. Падение напряжения на активном и индуктивном сопротивлении рассеяния. U% = 2030.

в) Регулировочные характеристики I_в = f(I) наз. зависимостью тока возбуждения от тока якоря при изменении нагрузки при условии, что напряжение постоянно. Вид регулировочной характеристики определяется видом внешних характеристик. Для того чтобы напряжение поддерживать постоянным, с ростом тока якоря, необходимо увеличивать ток возбуждения.

U = E₀ – jx_dI – jx_qI – rI,

46. Характеристика трехфазного КЗ синхронного генератора. Отношение короткого замыкания.

Зависимость I_кз = f(I_в) при условии U = 0(КЗ)

В режиме КЗ.

U = E₀ – jx_dI = 0,

Характеристика КЗ имеет вид прямой, в отличии от характеристики ХХ.

По характеристике КЗ можно определить ненасыщенное значение x_d = Е’₀/I_к.

Е’₀ – значение ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря полем возбуждения, соответствует спрямленной характеристике ХХ.

Е’₀ соответствует ненасыщенному состоянию магнитопровода.

По характеристике можно определить весьма важный параметр, который наз. отношением КЗ.

Отношением КЗ наз. коэф. К_озк = I_кн/I_н равен отношению тока короткого замыкания соответствующего току возбуждения, при котором Е’₀ = U_ном, к номинальном току якоря. Выразим ОКЗ через параметры генератора используя систему относительных единиц.

U_н и I_н – базовые значения.

Z_б = U_н/I_н –базисное сопротивление.

К_озк = I_кн/I_н = (I_кн/I_н)(U_н/U_н) = Z_б(I_кн/U_н) = Z_б(1/x_d) = 1/x_d_*.

x_d_* - относительное значение x_d.

x_d_* = 0,51,6.

47. Параллельная работа синхронного генератора на сеть большой мощности. Условия включения. Методы синхронизации.

В этом случае можно принять, что генератор работает параллельно с сетью бесконечно большой мощности, т. е., что напряжение сети U_с и ее частота f_с являются постоянными, не зависящими от нагрузки данного генератора.

В рассматриваемом режиме необходимо обеспечить возможно меньший бросок тока в момент присоединения генератора к сети. В противном случае возможны срабатывание защиты, поломка генератора или первичного двигателя.

Ток в момент подключения генератора к сети будет равен нулю, если удастся обеспечить равенство мгновенных значений напряжений сети u_с и генератора u_г :

U_cmsin(w_ct-_c)=U_г_msin(wt-_г)

Н а практике выполнение этого условия сводится к выполнению трех равенств: равенства напряжений сети и генератора U_cm=U_г_m или U_c=U_г ; частот w_c=w_г или f_c=f_г ; их начальных фаз _c=_г (совпадение по фазе векторов U_c и U_г).Кроме того для трехфазных генераторов нужно согласовать порядок чередования фаз.

Совокупность операций, проводимых при подключении к сети, называют синхронизацией. Практически при синхронизации генератора сначала устанавливают номинальную частоту вращения ротора, что обеспечивает приближенное равенство частот f_cf_г, а затем, регулируя ток возбуждения, добиваются равенства напряжений U_c=U_г. Совпадение по фазе векторов напряжений сети и генератора (_c=_г) контролируется специальными приборами – ламповыми и стрелочными синхроноскопами.

Ламповые синхроноскопы применяют для синхронизации генераторов малой мощности, поэтому обычно их используют в лабораторной практике. Этот прибор представляет собой три лампы, включенные между фазами генератора и сети. Лампы мигают с частотой f. При f_cf_г разность u изменяется медленно, вследствие чего лампы постепенно загораются и погасают.

О бычно генератор подключают к сети в тот момент, когда разность напряжений u=u_c-u_г на короткое время становится близкой к нулю, т. е. В середине периода погасания ламп. В этом случае выполняется условие совпадения по фазе векторов U_c и U_г. Для более точного определения этого момента часто применяют нулевой вольтметр, имеющий растянутую шкалу в области нуля. После включения генератора в сеть дальнейшая синхронизация частоты его вращения, т. е. обеспечение условия n₂=n₁, происходит автоматически.

Г енераторы большой мощности синхронизируют с помощью стрелочных синхроноскопов, работающих по принципу вращающегося магнитного поля. В этих приборах при f_c=f_г стрелка вращается с частотой, пропорциональной разности частот f_c-f_г, в одну или другую сторону в зависимости от того, какая из этих частот больше. При f_c=f_г стрелка устанавливается на нуль; в этот момент и следует подключать генератор к сети. На электрических станциях обычно используют автоматические приборы для синхронизации генераторов без участия обслуживающего персонала.

Довольно часто применяют метод самосинхронизации, при котором генератор подключают к сети при отсутствии возбуждения (обмотка возбуждения замыкается на активное сопротивление). При этом ротор разгоняют до частоты вращения, близкой к синхронной (допускается скольжение до 2%), за счет вращающего момента первичного двигателя и асинхронного момента, обусловленного индуцированием тока в демпферной обмотке. После этого в обмотку возбуждения подают постоянный ток, что приводит к втягиванию ротора в синхронизм. При методе самосинхронизации в момент включения генератора возникает сравнительно большой бросок тока, который не должен превышать 3.5I_а
ном.

49. Режимы работы синхронной машины при параллельной работе с сетью. Регулирование активной мощности синхронной машины.

П осле включения генератора в сеть его напряжение U становится равным напряжению сети U_c. Относительно внешней нагрузки напряжения U и U_c совпадают по фазе, а по контуру «генератор–сеть» находятся в противофазе, т.е. U=-U_c (рис. 8.23, а). При точном выполнении указанных трех условий, необходимых для синхронизации генератора, его ток I_a после подключения машины к сети равняется нулю. Рассмотрим, какими способами можно регулировать ток I_a при работе генератора параллельно с сетью на примере неявнополюсного генератора.

Ток, проходящий по обмотке якоря неявнополюсного генератора, можно определить из уравнения (8.23):

I _a =(E₀-U)/(jX_сн)=-j(E₀-U)/X_сн (8.28)

Так как U=U_c=const, то силу тока I_a можно изменять только двумя способами–изменяя ЭДС Е₀ по величине или по фазе.

Е сли к валу генератора приложить внешний момент, больший момента, необходимого для компенсации магнитных потерь мощности в стали и механических потерь, то ротор приобретает ускорение, вследствие чего вектор E₀ смещается относительно вектора U на некоторый угол  в направлении вращения векторов (рис. 8.23,6). При этом возникает некоторая небалансная ЭДС Е, приводящая, согласно (8.28), к появлению, тока I_a. Возникающую небалансную ЭДС E=E₀-U=E₀+U_c= jI_aX_сн можно показать на векторной диаграмме (рис. 8.23,). Вектор тока I_a отстает от вектора Е на 90°, поскольку его величина и направление определяются индуктивным сопротивлением Х_сн.

При работе в рассматриваемом режиме генератор отдает в сеть активную мощность Р=mUI_acos и на вал его действует электромагнитный тормозной момент, который уравновешивает вращающий момент первичного двигателя, вследствие чего частота вращения остается неизменной. Чем больше внешний момент, приложенный к валу генератора, тем больше угол , а следовательно, ток и мощность, отдаваемые генератором в сеть.

Е сли к валу ротора приложить внешний тормозной момент, то вектор E₀ будет отставать от вектора напряжения U на угол  (рис. 8.23, в). При этом возникают небалансная ЭДС АЁ и ток /д, вектор которого отстает от вектора E на 90°. Так как угол >90°, активная составляющая тока находится в противофазе с напряжением генератора. Следовательно, в рассматриваемом режиме активная мощность Р=mUI_acos забирается из сети, и машина работает двигателем, создавая электромагнитный вращающий момент, который уравновешивает внешний тормозной момент; частота вращения ротора при этом снова остается неизменной.

Т аким образом, для увеличения нагрузки генератора необходимо увеличивать приложенный к его валу внешний момент (т. е. вращающий момент первичного двигателя), а для уменьшения нагрузки–уменьшать этот момент. При изменении направления внешнего момента (если вал ротора не вращать, а тормозить) машина автоматически переходит из генераторного в двигательный режим.

50. Регулирование реактивной мощности. U-образные характеристики.

Если в машине, подключенной к сети и работающей в режиме холостого

х ода (рис. 8.24, а), увеличить ток возбуждения I_В то возрастет ЭДС Е₀ (рис. 8.24,6), возникнет небалансная ЭДС E=- jI_aX_сни по обмотке якоря будет проходить ток I_a, который, согласно (8.28), определяется только индуктивным сопротивлением X_сн машины. Следовательно, ток I_a реактивный: он отстает по фазе от напряжения U на угол 90° или опережает на тот же угол напряжение сети U_c. При уменьшении тока возбуждения ток I_a изменяет свое направление; он опережает на 90° напряжение

U (рис. 8.24, в) и отстает на 90° от E и напряжения U_c. Таким образом, при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока I_a, т. е. реактивная мощность машины Q. Активная составляющая тока I_a в рассматриваемых случаях равна нулю. Следовательно, активная мощность Р=0, и машина работает в режиме холостого хода.

При работе машины под нагрузкой создаются те же условия: при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока I_a, т. е. реактивная мощность машины Q. Режим возбуждения синхронной машины с током I_В.П при котором реактивная составляющая тока I_a равна нулю, называют режимом полного или нормального возбуждения. Если ток возбуждения I_в, больше тока I_в.п , при котором имеется режим полного возбуждения, то ток I_a содержит отстающую от U реактивную составляющую, что соответствует активно-индуктивной нагрузке генератора. Такой режим называют режимом перевозбуждения. Если ток возбуждения I_в, меньше тока I_в.п, то ток I_a, содержит реактивную составляющую, опережающую напряжение U, что соответствует активно-емкостной нагрузке генератора. Такой режим называют режимом недовозбуждения.

Перевозбужденная синхронная машина, работающая в режиме холостого хода, относительно сети эквивалентна емкости. Машину, специально предназначенную для работы в таком режиме, называют синхронным компенсатором и используют для повышения коэффициента мощности

электрических установок и стабилизации напряжения в электрических сетях. Не-довозбужденная синхронная машина, работающая в режиме холостого хода, относительно сети эквивалентна индуктивности.

В озникновение реактивной составляющей тока I_a физически объясняется тем, что при работе синхронной машины на сеть бесконечно большой мощности суммарный магнитный поток, сцепленный с каждой из фаз ,

не зависит от тока возбуждения и при всех условиях остается неизменным, так как

U =E₀+E_a+E__a=-U_c=const. (8.29)

Следовательно, если ток возбуждения I_в больше тока, требуемого для полного возбуждения, то возникает отстающая составляющая тока I_a, которая создает размагничивающий поток реакции якоря Ф_a; если ток I_в меньше тока, необходимого для полного возбуждения, то возникает опережающая составляющая тока I_a, которая создает подмагничивающий поток реакции якоря Ф_a. Во всех случаях суммарный поток машины автоматически поддерживается неизменным.

Зависимость тока якоря от тока возбуждения, называемая U-образной характеристикой, представлена на рис. 8.25. Для каждой мощности имеется вполне определенный ток возбуждения, которому соответствует минимум тока якоря. Чем больше мощность, тем больше ток возбуждения, соответствующий минимальному току якоря. Штриховая кривая, проведенная через минимумы токов, соответствует режимам работы генератора с сos=1.

48.Зависимость электромагнитной мощности и электромагнитного момента синхронной машины от угла нагрузки. Угловая характеристика. Статическая устойчивость синхронной машины.

Чтобы установить, как зависит активная мощность Р синхронной машины от угла нагрузки , рассмотрим упрощенные векторные диаграммы, построенные при R_a=0.

Активная мощность. Из диаграммы, приведенной на рис. 8.26, а для неявнополюсной машины, можно установить, что общая сторона треугольников ОАВ и АСВ АВ= OАsin=ACcos или с учетом модулей соответствующих векторов

Следовательно, активная мощность синхронной машины

Векторная диаграмма для явнополюсной машины приведена на рис. 8.26, б. Так как =-, то активная мощность

Ч тобы определить токи I_d и I_q спроецируем модули векторов ЭДС E₀, напряжения U, падений напряжений jI_dX_d и –jI_aX_a на оси–параллельную и перпендикулярную вектору E₀. Тогда Ео=Ucos+jI_dX_d; Usin= I_qX_q, откуда

Подставляя значение I_d и I_q в (6.32), получаем

или, используя формулу sin2=2sincos,

Электромагнитный момент. В синхронных машинах большой и средней мощности потери мощности в обмотке якоря P_аэл=mI_а²R_а малы по сравнению с электрической мощностью Р, отдаваемой (в генераторе) или потребляемой (в двигателе) обмоткой якоря. Следовательно, если пренебречь величиной P_аэл, то можно считать, что электромагнитная мощность машины P_эм=Р. Электромагнитный момент пропорционален мощности и P_эм, поэтому для неявнополюсной и явнополюсной машин соответственно

П ри неявнополюсной машине зависимость М=f() представляет собой синусоиду, симметричную относительно осей координат (рис. 8.27). При явнополюсной машине из-за неодинаковой магнитной проводимости по различным осям (X_d=X_q) возникает реактивный момент ,

О н появляется в результате стремления ротора ориентироваться по оси результирующего поля, что несколько искажает синусоидальную зависимость М=f(). Реактивный

момент возникает даже при отсутствии тока возбуждения (когда Ео=0);

он пропорционален sin2.

Так как электромагнитная мощность Р_эм, пропорциональна моменту, то приведенные на рис. 8.27 характеристики в другом масштабе представляют собой зависимости Р_эм=f() или при принятом предположении (Р_аэл =0) – зависимости Р=f(). Кривые М=f() и Р_эм=f() называют угловыми характеристиками.

Физически полученная форма кривой М=f()

о бусловлена тем, что потоки Ф_в и сдвинуты между собой на тот же угол , на который сдвинуты векторы E₀ и U (векторы Ф_в и опережают Е и U на 90°). Поэтому если угол =0 (холостой ход), то между ротором и статором существуют только силы притяжения f, направленные радиально, и электромагнитный момент равен нулю.

При  > 0 (генераторный режим) ось потока возбуждения Ф_в (полюсов ротора) под действием вращающего момента М_вн опережает ось суммарного потока на угол  , вследствие чего электромагнитные силы, возникающие между ротором и статором, образуют тангенциальные составляющие, которые создают электромагнитный тормозной момент М. Максимум момента соответствует значению  = 90°, когда ось полюсов ротора расположена между осями «полюсов» суммарного потока . При  < 0 (двигательный режим) ось потока возбуждения под действием тормозного момента нагрузки М_вн отстает от оси суммарного потока, вследствие чего тангенциальные составляющие электромагнитных сил, возникающие между ротором и статором, создают электромагнитный вращающий момент М.

54. Синхронные компенсаторы. Область применения. Работа в режиме компенсации реактивной мощности и в режиме стабилизации напряжения.

С инхронный 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 соs или в режиме стабилизации напряжения.

О бычно электрическая сеть, питающая электроэнергией промышленные предприятия, нагружена током I_н, отстающим по фазе от напряжения сети U_c (рис. 8.42, а). Это объясняется тем, что от сети получают питание асинхронные двигатели, у которых реактивная составляющая тока довольно велика. Для улучшения соs сети синхронный компенсатор должен работать в режиме перевозбуждения.. При этом ток возбуждения регулируется так, чтобы ток якоря I_a синхронного компенсатора опережал на 90°напряжения сети U_c (рис. 8.42, а) и был примерно равен реактивной составляющей I_нр тока нагрузки I_н. В результате сеть загружается только активным током нагрузки I_с =I_на

При работе в режиме стабилизации напряжения ток возбуждения синхронного компенсатора устанавливается постоянным, причем такого значения, чтобы электродвижущая сила компенсатора Е₀ равнялась номинальному напряжению сети U_с.ном (рис. 8.42,6). В сети при этом имеется некоторый ток I_н, создающий падение напряжения UI_нR_сcos+I_нX_сsin, где R_с и Х_с–активное и индуктивное сопротивления сети; –угол сдвига фаз между векторами напряжения и тока сети.

Е сли напряжение сети в точке подключения синхронного компенсатора несколько понижается из-за возрастания тока нагрузки I_н и становится меньше U_с
ном то синхронный компенсатор начинает забирать из сети реактивный опережающий ток I_a (рис. 8.42, в). Это уменьшает падение напряжения в ней на величину U_к=I_aX_с. При повышении напряжения в сети, когда U_c > U_с.ном' синхронный компенсатор загружает сеть реактивным отстающим током I_a (рис. 8.42, г), что приводит к увеличению падения напряжения на величину U_к=I_aX_с. 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.

53. Способы пуска синхронных двигателей.

Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока электромагнитный момент будет дважды изменять свое направление, т. е. средний момент за период равняется нулю. При этих условиях двигатель не сможет прийти во вращение, так как его ротор, обладающий определенной инерцией, не может быть в течение одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

М етод асинхронного пуска. В настоящее время чаще всего применяют метод асинхронного пуска. При этом методе синхронный двигатель пускают как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой, выполненной по типу «беличья клетка». Чтобы увеличить сопротивление стержней, клетку изготовляют из латуни. При включении трехфазной обмотки статора в сеть образуется вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с током I_п в пусковой обмотке (рис8.38,а), создает электромагнитные силы F и увлекает за собой ротор. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм.

Применяют две основные схемы пуска синхронного двигателя. При схеме, изображенной на рис. 8.38, б, обмотку возбуждения сначала замыкают на гасящий резистор, сопротивление которого R_доб превышает в 8... 12 раз активное сопротивление R_в обмотки возбуждения. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной (при s0,05), обмотку возбуждения отключают от гасящего резистора и подключают к источнику постоянного тока (возбудителю), вследствие чего ротор втягивается в синхронизм. Осуществить пуск двигателя с разомкнутой обмоткой возбуждения нельзя, так как во время разгона ротора при s>0 в ней вращающимся магнитным полем индуцируется электродвижущая сила Е=4,44f₂w_вФ_m==4,4f₁sw_вФ_m; где f₂=f₁s –частота изменения тока в обмотке

возбуждения; w_в–число витков обмотки возбуждения;

Ф_m–амплитуда магнитного вращающегося поля.

В начальный момент пуска при s=1 из-за большого числа витков обмотки возбуждения ЭДС Е_в может достигать весьма большого значения и вы'-звать пробой изоляции.

При схеме, изображенной на рис. 8.38, в, обмотка возбуждения постоянно подключена к возбудителю, сопротивление которого по сравнению с сопротивлением R_в весьма мало, поэтому эту обмотку в режиме асинхронного пуска можно считать замкнутой накоротко. С уменьшением скольжения до 5 =0,3... 0,4 возбудитель возбуждается и в обмотку возбуждения подается постоянный ток, обеспечивающий при s0,05 втягивание ротора в синхронизм.

Различие пусковых схем обусловлено тем, что не во всех случаях может быть применена более простая схема с постоянно подключенной к возбудителю обмоткой возбуждения (рис. 8.38, в), так как она имеет худшие пусковые характеристики, чем более сложная, схема, приведенная на рис. 8.38,6. Главной причиной ухудшения пусковых характеристик являетя возникновение одноосного эффекта–влияние тока, индуцируемого в обмотке возбуждения при пуске, на характеристику пускового момента.

Наличие пусковой обмотки на роторе существенно уменьшает обратное магнитное поле и создаваемый им момент. Однако этот момент, складываясь с асинхронным м оментом пусковой обмотки (кривая 1), создает в кривой результирующего пускового момента провал при частоте вращения, равной половине синхронной (кривая 4). Этот провал тем больше, чем больше ток в обмотке возбуждения. Очевидно, что включение гасящего сопротивления в цепь обмотки возбуждения (см. рис. 8.38,6) на период пуска уменьшает ток в этой обмотке и улучшает форму кривой пускового момента.

Следует отметить, что если обмотку возбуждения при пуске не отключить от возбудителя, то по якорю возбудителя в период пуска проходит переменный ток, что может вызвать искрение щеток. Поэтому такую схему пуска применяют в случае небольшого нагрузочного момента–не более 50% от номинального, при сравнительно небольшой мощности двигателя.

59.Составляющие тока якоря трехфазного синхронного генератора при внезапном симметричном коротком замыкании. Ударный ток короткого замыкания. Возможные последствия ВКЗ.

Р ассмотрим трехфазное короткое замыкание явнополюсного синхронного генератора, работавшего предварительно в режиме холостого хода. Осциллограммы тока якоря i_к в одной из фаз генератора, тока возбуждения i_в и тока i_д в демпферной обмотке показаны на рис. 8.43. Ток якоря при переходном процессе имеет периодическую и апериодическую составляющие:

i_к = i_к.п +I_к.а (8.49)

При коротком замыкании генератора с течением времени постепенно уменьшается амплитуда периодической составляющей тока генератора (рис. 8.44); в итоге она становится равной амплитуде установившегося тока короткого замыкания:

Быстрому уменьшению ЭДС Е и потока Ф_рез препятствует

появление переходного тока в обмотке возбуждения (рис. 8.43, б) вследствие того, что в ней индуцируется ЭДС

e_в=-w_вdФ_рез /dt.

Переходный ток в обмотке возбуждения имеет максимум в начальный период короткого замыкания и постепенно затухает, уменьшаясь до установившегося значения тока, предшествующего короткому замыканию. В соответствии с этим снижаются поток Ф_рез и амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания. Наибольшее значение этой амплитуды

I_уст_m=E_m/X_d’ (8.51)

X_d –продольное переходное индуктивное сопротивление обмотки якоря;

Поскольку амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания постепенно затухает, приближаясь к установившемуся значению I_к_m, и индуктивное сопротивление синхронной машины значительно больше активного, т. е. угол _к=arctg(X_к/R_к)/2, то периодическая составляющая

Апериодические составляющие токов в фазах якоря создают неподвижное в пространстве магнитное поле, которое пересекает вращающийся ротор. Вследствие этого в обмотках ротора возникают периодические ЭДС и токи. Так как по продольной и поперечной осям ротор несимметричен (из-за разных величин воздушного зазора в явнополюсных машинах и из-за того, что по продольной оси имеется обмотка возбуждения), то в апериодическом токе якоря появляется переменная составляющая двойной частоты:

Значение тока к. з. максимально в той фазе, где _о=0 (примерно через полпериода после начала короткого замыкания); это значение называют ударным током. Если в формуле (8.57) пренебречь затуханием тока, то

Поскольку постоянные времени T’’_d и T’_d малы, некоторое затухание все же происходит. По ГОСТу значение ударного тока

где коэффициентами 1,8 и 1,05 учитываются соответственно затухание и возможность работы при повышенном напряжении. Значение ударного тока не должно превышать амплитуду номинального тока якоря более чем в 15 раз. Так как значения T’’_d и T’_d сравнительно малы, то для ограничения ударного тока в цепь якоря иногда ставят 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 МДС возбуждения. В наиболее неблагоприятных случаях мгновенные значения этого момента достигают 10-кратного значения по сравнению с номинальным значением, что необходимо учитывать при механических расчетах деталей машины и надежности ее крепления к фундаменту.

55. Переходные процессы 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 объектов, получающих питание от генератора, или прекращением работы электроприводов с синхронными двигателями. Поэтому необходимо иметь общее представление о физических процессах, возникающих при переходных режимах, и установить хотя бы приближенно значение аварийных токов, возникающих при коротком замыкании.

В незапное короткое • замыкание генератора. Рассмотрим трехфазное короткое замыкание явнополюсного синхронного генератора, работавшего предварительно в режиме холостого хода. Осциллограммы тока якоря i_к в одной из фаз генератора, тока возбуждения i_в и тока i_д в демпферной обмотке показаны на рис. 8.43. Ток якоря при переходном процессе имеет периодическую и апериодическую составляющие:

i_к = i_к.п +I_к.а (8.49)

Быстрому уменьшению ЭДС Е и потока Ф_рез препятствует

появление переходного тока в обмотке возбуждения (рис. 8.43, б) вследствие того, что в ней индуцируется ЭДС

e_в=-w_вdФ_рез /dt.

I_уст_m=E_m/X_d’ (8.51)

X_d –продольное переходное индуктивное сопротивление обмотки якоря;

Резкие изменения нагрузки. При резких изменениях нагрузки синхронной машины, работающей параллельно с сетью,

возникают колебания ротора около установившегося значения угла 9, называемые качаниями. Допустим, что машина работает при некоторой нагрузке и развивает электромагнитный момент М₁=М_вн1, соответствующий углу  (рис. 8.45, а, б). Если резко увеличить внешний момент, приложенный к валу ротора, до значения М_вн2, при котором возрастает отдаваемая машиной электрическая (в генераторе) или механическая (в двигателе) мощность, то угол  будет постепенно увеличиваться до значения ₂, соответствующего новому значению электромагнитного момента М₂=М_вн2- Однако из-за инерции ротора угол , увеличиваясь, достигает значения ₃>₂, а затем под действием синхронизирующего момента начинает уменьшаться до

з начения ₄₂. В результате возникают колебания угла  вокруг установившегося значения ₂, которые сопровождаются колебаниями частоты вращения ротора (качаниями). Опасность таких качаний заключается в том, что из-за инерции ротора угол  может существенно превысить 90°, и машина выпадает из синхронизма.

Частота собственных колебаний синхронных машин невелика (9,5 ...2,9 Гц), что объясняется большим моментом инерции ротора. Так как изменения угла  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 нагрузки, 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.

Уменьшения амплитуды качаний и ускорения их затухания достигают путем применения на роторе короткозамкну-той обмотки, называемой демпферной или успокоительной. Успокоительное действие демпферной обмотки при качаниях объясняется тем, что в ее стержнях при изменении частоты вращения ротора индуцируется ЭДС, по ним проходит ток и возникают потери энергии. Действие этой обмотки 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 имеют маховик. Генераторы и электродвигатели должны в этом случае иметь достаточно мощную демпферную обмотку.

51. Синхронные двигатели. Область применения. Устройство.

Синхронная машина, работающая параллельно с сетью, автоматически переходит в двигательный режим, если к валуротора приложен тормозной момент. При этом машина начинает потреблять из сети активную мощность и возникает электромагнитный вращающий момент. Частота вращения ротора остается неизменной, жестко связанной с частотой сети по соотношению n₁=n₂=60f₁/p, что является важнейшим эксплуатационным свойством синхронных двигателей.

Синхронные машины используют главным образом в качестве источников электрической энергии переменного тока;

их устанавливают на мощных тепловых, гидравлических и атомных электростанциях, а также на передвижных электростанциях и транспортных установках (тепловозах, автомобилях, самолетах). Конструкция синхронного генератора определяется в основном типом привода. В зависимости от этого различают турбогенераторы, гидрогенераторы и дизель-генераторы. Турбогенераторы приводятся во вращение паровыми или газовыми турбинами, гидрогенераторы–гидротурбинами, дизель-генераторы –двигателями внутреннего сгорания. Синхронные машины широко используют и в качестве электродвигателей при мощности 100 кВт и выше для привода насосов, компрессоров, вентиляторов и других механизмов, работающих при постоянной частоте вращения. Для генерирования или потребления реактивной мощности с целью улучшения коэффициента мощности сети и регулирования ее напряжения применяют синхронные компенсаторы.

В электробытовых приборах (магнитофонах, проигрывателях, киноаппаратуре) и системах управления широко применяются различные синхронные микромашины–с постоянными магнитами, индукторные, реактивные, гистерезисные, шаговые.

Принцип действия. Статор 1 синхронной машины (рис. 8.1, а) выполнен так же, как и асинхронной: на нем расположена трехфазная (в общем случае многофазная) обмотка 3. Обмотку ротора 4, питаемую от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, так как она создает в машине магнитный поток возбуждения. Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец 5 и щеток 6 (рис. 8.1, б). При вращении ротора 2 с некоторой частотой n₂ поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуцирует в ее фазах переменную ЭДС Е, изменяющуюся с частотой

f₁=pn₂/60 (8.1)

Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то проходящий по этой обмотке многофазный ток I_a создает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого

n₁=60 f₁/p

Из (8.1) и (8.2) следует, что п₁=п₂, т.е. что ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. Поэтому рассматриваемую машину называют синхронной. Результирующий магнитный поток Ф синхронной машины создается совместным действием МДС обмотки возбуждения и обмотки статора, и результирующее магнитное поле вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор.

В синхронной машине обмотку, в которой индуцируется ЭДС и проходит ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения,–индуктором. Следовательно, в приведенной машине (рис. 8.1) статор является якорем, а ротор–индуктором. Для принципа действия и теории работы машины не имеет значения–вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной конструктивной схемой: обмотку якоря, к которой подключают нагрузку, располагают на роторе, а обмотку возбуждения, питаемую постоянным током,–на статоре. Такую машину называют обращенной. Обращенные машины имеют сравнительно небольшую мощность, так как у них затруднен отбор мощности от обмотки ротора.

Синхронная машина может работать автономно в качестве генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, или параллельно с сетью, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т. е. работать генератором или двигателем. При подключении обмотки статора к сети с напряжением U и частотой f₁ проходящий по обмотке ток создает, так же как в асинхронной машине, вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется по (8.2). В результате взаимодействия этого поля с током I_в, проходящим по обмотке ротора, создается электромагнитный момент М, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а при работе в генераторном режиме –тормозным. В рассматриваемой машине в отличие от асинхронной поток возбуждения (холостого хода) создается обмоткой постоянного тока, расположенной обычно на роторе. В установившемся режиме ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается с частотой вращения п₁=п₂ независимо от механической нагрузки на валу ротора или электрической нагрузки.

Таким образом, для установившихся режимов работы синхронной машины характерны следующие особенности:

а) ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной частотой, равной частоте вращающегося магнитного поля, т. е. п₁=п₂,

б) частота изменения ЭДС Е, индуцируемой в обмотке якоря, пропорциональна частоте вращения ротора;

60. Область применения машин постоянного тока

Машина постоянного тока как и любая электрическая машина обратима: может работать как генератор и как двигатель. Причем двигатели нашли большее применение, чем генераторы. Эл. Машины пост. тока нашли широкое применение в различных областях промышленности. Достоинство двигателей постоянного тока заключается в возможности плавно регулировать частоты вращения и получения больших пусковых моментов, что очень важно для тяговых двигателей на электрическом транспорте, а так же для привода различного технологического оборудования. Генераторы пост. тока входят в состав систем электропитания специального оборудования, например в радиотехнических установках, при зарядке аккумуляторов, для питания электролитических ванн. Общий недостаток у мешин пост. тока – сложность конструкции, искрение в коллекторно- щеточном аппарате.

Машина постоянного тока конструктивно состоит из неподвижной части - статора и вращающейся - ротора. Статор имеет станину, на внутренней поверхности которой крепятся магнитные полюсы с обмотками (рис. 7.1.6).

Ротор машины чаще называется якорем. Он состоит из вала, цилиндрического сердечника, обмотки и коллектора (рис. 7.1.7).

Магнитные полюсы и сердечник якоря набираются из отдельных листов электротехнической стали. Листы покрываются изолированной бумагой или лаком для уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи. Коллектор набирают из медных пластин, имеющих сложную форму (рис. 7.1.8). Пластины друг от друга изолированы специальной теплостойкой прокладкой. Такая же изоляция имеется между коллектором и валом двигателя. Набор коллекторных пластин образует, цилиндр-коллектор.

К внешней поверхности коллектора прилегают токосъемные щетки, которые выполнены из спрессованного медного и угольного порошка. Щетка помещается в металлическую обойму и прижимается к коллектору пружинами (рис. 7.1.9).

61. Обмотки кольцевого якоря и их недостатки

На начальном этапе электромашиностроения использовался кольцевой якорь. Это полый цилиндр, по внешней и внутренней поверхности которого наматываются витки обмотки; каждый виток соединен с коллекторной пластиной.

Недостатки такого якоря:

а) плохое использование меди, ибо активной частью витка является та часть его, которая расположена на внешней поверхности якоря;

б) невозможно механизировать процесс намотки;

в) завышенные габариты (внутренние слои в несколько витков).

1 / 71 2 3 4 5 6 7 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

#
12.05.2015220.83 Кб16ЧМ-1.pdf
#
12.05.2015275.3 Кб16ЧМ-2.pdf
#
12.05.2015192.76 Кб14чм-зад информатика кгасу 2 курс задания.pdf
#
01.05.202576.29 Кб0Школы менеджмента.doc
#
11.05.201564.16 Кб26шпора строймат 2 курс 1семестр .docx
#
01.07.20255.32 Mб0Шпоргалки(почти все_111).doc
#
01.05.202535.36 Mб4Шпоры по гос экз.docx
#
18.09.2019230.91 Кб6шпоры по праву.doc
#
11.05.2015211.46 Кб96шпоры по химии.doc
#
01.03.2025123.94 Кб1шпоры философия кратко.docx
#
11.05.2015160.69 Кб102Штукатурные и малярные работы_Текст справки.RTF