2417

20.При регулировании частоты вращения асинхронного двигателя были получены следующие частоты вращения: 1500; 1000; 750 об/мин. Каким способом осуществлялось регулирование частоты вращения:

1) введением в цепь ротора регулировочных сопротивлений;

2) введением в цепь статора сопротивлений;

3) изменением числа пар полюсов двигателя?

21.Как изменится коэффициент мощности асинхронного двигателя при переходе двигателя от режима холостого хода к номинальной нагрузке на валу:

1) не изменится; 2) уменьшится; 3) увеличится?

22.Как зависит коэффициент мощности cosϕ асинхронного двигателя от нагрузки на валу:

1)cosϕ растет с уменьшением нагрузки;

2)cosϕ растет с увеличением нагрузки;

3)cosϕ не зависит от нагрузки?

23. Какому режиму работы двигателя соответствует участок ае на механической характеристике асинхронного двигателя:

б

a M G

де

1)двигательному режиму;

2)режиму динамического торможения;

3)режиму с рекуперацией энергии в сеть;

4)режиму противовключения?

170

24.При какой нагрузке КПД двигателя достигает максимума: 1) номинальной; 2) равной примерно половине номинальной;

3) несколько больше номинальной?

25.Какое из перечисленных уравнений используется для расчета номинального момента асинхронного двигателя:

26. Индуктивное сопротивление фазы обмотки неподвижного ротора асинхронного двигателя XL=1,45 Ом. Вычислить индуктивное сопротивление вращающегося ротора со скольжением s=0,04.

1)0,058 Ом; 2) 36,25 Ом; 3) 1,41 Ом; 4) 1,49 Ом.

27.Ротор асинхронного трехфазного двигателя, подключенного к сети переменного тока частотой 50 Гц, вращается с частотой 1440 об/мин. Чему равны скольжение и частота тока ротора?

1) 0,04; 2 Гц; 2) 0,02; 2 Гц; 3) 0,04; 1 Гц; 4) 0,02; 1 Гц.

28.Скольжение шестиполюсного трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при изменении нагрузки от холостого хода до номинального значения изменяется в пределах 0,1–6%. Определить диапазон изменения частоты вращения ротора, если частота питающего напряжения 50 Гц.

1) 470–499,5 об/мин; 2) 940–999 об/мин; 3) 1880–1998 об/мин; 4) 2820–2997 об/мин.

29.Трехфазный двухполюсный асинхронный двигатель при номинальной нагрузке имеет скольжение S=4%. Чему равна частота вращения ротора, если частота переменного тока, питающего обмотку статора, f=50 Гц:

1) 960 об/мин; 2) 1440 об/мин; 2) 2880 об/мин; 4) 3840 об/мин?

30.Мощность, подводимая к асинхронному двигателю, составляет 20 кВт. Определить КПД двигателя, если суммарные потери мощности составляют 2000 Вт.

1) 0,900; 2) 0,909; 3) 0,959; 4) 0,890.

171

8. ТРЕХФАЗНЫЕ СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

8.1. Назначение и область применения

Как все электрические машины, синхронные машины обратимы: они могут работать и в режиме генератора, и в режиме двигателя. Основное применение синхронные машины нашли как промышленные генераторы для выработки электрической энергии на электростанциях. Единичная мощность современных электрогенераторов достигает 1500 МВА. Синхронные машины применяются также в качестве двигателей большой мощности для крупных насосов, компрессоров, воздуходувок, в металлургии для главных приводов непрерывной прокатки. Единичная мощность синхронных двигателей достигает нескольких десятков мегаватт.

8.2. Устройство трехфазной синхронной машины

Основными частями синхронной машины являются статор и ротор, причем статор не отличается от статора асинхронной машины. Сердечник статора собран из изолированных друг от друга пластин электротехнической стали и укреплен внутри корпуса. В пазах, расположенных с внутренней стороны статора под углом 120° друг относительно друга, размещена трехфазная обмотка.

Ротор содержит обмотку возбуждения (электромагнит) или реже постоянный магнит с числом пар полюсов, равным числу пар полюсов вращающегося магнитного поля статора. Концы обмотки возбуждения присоединяются к двум кольцам, укрепленным на валу ротора. На кольца накладываются щетки, к которым подключается источник постоянного напряжения.

Число пар полюсов р зависит от синхронной частоты вращения ротора n2. У многополюсной синхронной машины ротор имеет р пар полюсов. Токи в обмотке статора образуют тоже р пар полюсов вращающегося магнитного поля (как у асинхронной машины). Ротор должен вращаться с частотой вращения поля, следовательно, его синхронная частота вращения

где f – частота тока, протекающего через обмотку статора.

172

При частоте f=50 Гц наибольшую частоту имеют двухполюсные роторы. На тепловых и атомных электростанциях роторы синхронных генераторов вращаются паровыми турбинами с частотой 3000 и 1500 об/мин. Быстроходные синхронные двигатели на эти частоты называют турбодвигателями. Ротор такой машины имеет цилиндрический сердечник, по длине которого расположены пазы для обмотки возбуждения (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Расположение обмотки в неявнополюсном роторе

Распределенная по пазам обмотка возбуждения закреплена стальными или бронзовыми клиньями. Лобовые части обмотки закрепляются бандажными металлическими кольцами. Такой ротор называется неявнополюсным. Он способен выдерживать большие центробежные усилия (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Внешний вид неявнополюсного ротора: 1 – сердечник; 2 - металлические клинья; 3 – контактные кольца

Тихоходные машины (гидрогенераторы) вращаются относительно медленно. Это вынуждает делать их многополюсными с явными полюсами и в большинстве случаев – с вертикальным валом. Частота вращения ротора этих генераторов составляет от 60 до нескольких сотен оборотов в минуту, чему соответствует несколько десятков пар полюсов. Например, при числе пар полюсов р=36 частота вращения составляет 83,3 об/мин. Вследствие относительно малых частот вра-

173

щения генераторы к гидравлическим турбинам имеют значительно большую массу на единицу мощности(свыше 8 кг/кВА), чем генераторы к паровым турбинам (менее 2,5 кг/кВА).

2

3

1

Рис. 8.3. Явнополюсный ротор: 1 – контактные кольца; 2 – катушка обмотки возбуждения; 3 – полюсы

Явнополюсный ротор представляет собой стальную поковку. К ободу ротора крепятся полюсы, на которые надеваются катушки возбуждения, соединяемые между собой последовательно. Явнополюсный ротор имеет сосредоточенную на катушках обмотку (рис. 8.3).

Рис. 8.4. Условное обозначение на схеме синхронной машины: а – с явнополюсным ротором; б – с неявнополюсным ротором

Условное обозначение синхронной машины на электрической схеме приведено на рис. 8.4.

174

8.3. Принцип действия синхронной машины

Магнитное поле, создаваемое током возбуждения ротора, называется основным. Магнитная цепь машины симметричная (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Устройство магнитной системы синхронной машины с явнополюсным (а) и неявнополюсным (б) роторами

Для получения синусоидальной ЭДС в проводах фазных обмоток статора необходимо, чтобы индукция в воздушном зазоре, создаваемая магнитным полем тока ротора, распределялась по синусоидальному закону вдоль окружности ротора. В явнополюсной машине это достигается увеличением ширины воздушного зазора от середины полюса к краям. В быстроходных машинах с неявными полюсами используется соответствующее распределение обмотки возбуждения вдоль окружности ротора. У синхронной машины обмотки статора и ротора имеют одинаковое число пар полюсов p.

Когда синхронная машина работает в режиме генератора, ротор вращается турбиной или приводным двигателем. При вращении магнитное поле ротора по отношению к неподвижной трехфазной обмотке статора изменяется синусоидально во времени, что вызывает наведение в каждой фазе синусоидальных ЭДС, равных по амплитуде, но сдвинутых по фазе друг относительно друга на одну треть периода. Частота ЭДС пропорциональна частоте вращения ротора

где n2 – частота вращения ротора; об/мин; р – число пар полюсов. Таким образом, синхронный генератор является симметричным

трехфазным источником электроэнергии, т. е. преобразует механиче-

175

скую энергию турбины (приводного двигателя) в электрическую энергию трехфазного тока.

При работе генератора в режиме холостого хода магнитные оси полюсов статора Nc, Sc и полюсов ротора Nр, Sр (рис. 8.6, а) совпадают. При подключении к обмотке статора синхронного генератора трехфазной нагрузки появляются токи статора, которые создают вращающееся магнитное поле. Это поле вращается синхронно с полем ротора, и, следовательно, они неподвижны друг относительно друга. Активная составляющая тока, протекающего через обмотку статора, создает тормозной электромагнитный момент, который должен преодолеваться турбиной или приводным двигателем. Наличие тормозного момента приводит к тому, что магнитная ось статора смещается относительно магнитной оси полюса ротора в сторону отставания тем больше, чем больше активная нагрузка генератора, т.е. чем больше тормозной момент. Угол между магнитными осями полюсов ротора и поля статора называется углом рассогласования θ (см. рис. 8.6, а).

Когда синхронная машина работает в режиме двигателя, обмотка статора подключается к трехфазной сети. При этом, как и в статоре асинхронного двигателя, возникает вращающееся магнитное поле. Частота вращения магнитного поля

а б

Рис. 8.6. Появление угла рассогласования θ синхронного генератора (а) и синхронного двигателя (б): Nc, Sc – полюсы статора; Nр, Sр – полюсы ротора

Обмотка возбуждения ротора подключена к источнику постоянного напряжения и создает постоянное магнитное поле. Таким обра-

176

зом, ротор является постоянным магнитом, находящимся в магнитном поле статора. При этом полюс магнитного поля статора притягивает противоположный полюс ротора, стремясь совместить их магнитные оси, т.е. полюсы вращающегося магнитного поля статора ведут за собой полюсы ротора. При работе двигателя в режиме холостого хода, пренебрегая потерями на трение в подшипниках и вентиляционными потерями, можно считать, что магнитные оси полюсов статора Nc, Sc и полюсов ротора Nр, Sр (рис. 8.6, б) совпадают.

Появление на валу двигателя механической нагрузки приводит к возникновению тормозного момента, в результате чего ось полюсов ротора отстает от оси полюсов вращающегося магнитного поля статора на угол рассогласования θ (см. рис. 8.6, б), величина которого зависит от момента нагрузки на валу двигателя. С увеличением момента нагрузки усиливается торможение ротора, магнитные линии «растягиваются» и увеличивается угол рассогласования.

8.4. Механическая характеристика синхронного двигателя

вращаются синхронно (n2=n1). Таким образом, частота вращения ротора определяется частотой вращения магнитного поля статора и не зави-

сит от момента нагрузки на валу. Механическая характеристика синхронного двигателя представлена на рис. 8.7.

8.5.Особенности пуска синхронного двигателя

Врежиме пуска, когда ротор неподвижен, магнитное поле статора вращается относительно неподвижного ротора с синхронной час-

тотой n1. Ротор обладает значительной массой и моментом инерции. Вращающееся магнитное поле статора действует на неподвижный, возбужденный постоянным током ротор со знакопеременной силой, не создающей момента. При этом ротор остается неподвижным. Для пуска синхронного двигателя его ротор снабжают специальной

177

го двигателя при скольжении S=0).

8.6. Схема замещения и уравнения электрического состояния синхронной машины

Трехфазная электрическая система большой мощности состоит из большого числа трехфазных источников и приемников электрической энергии, работающих параллельно. Можно считать, что частичное изменение числа источников и приемников электрической энергии в системе большой мощности не влияет на режим ее работы. Поэтому напряжение на общих шинах системы и частоту можно считать постоянными величинами.

Приведенные здесь схемы замещения и соответствующие им векторные диаграммы справедливы для неявнополюсных и ненасыщенных машин.

178

Схема замещения одной фазы синхронного генератора изображена на рис. 8.9, а. При вращении ротора с постоянным магнитным полем в каждой фазе обмотки статора наводятся ЭДС, которые определяют напряжения на зажимах обмотки статора генератора. ЭДС одной фазы обмотки статора в схеме замещения представлена идеальным источником ЭДС Е.

При подключении к обмотке статора приемника электроэнергии ZН появляется ток I. Этот ток, протекая через фазу обмотки статора, создает свое магнитное поле, которое наводит в фазе обмотки статора ЭДС самоиндукции. Данное явление отражено в схеме замещения индуктивным элементом с сопротивлением XL1 (см. рис. 8.9, а).

Схема замещения одной фазы синхронного двигателя изображена на рис. 8.9, б. В синхронном двигателе при вращении ротора с постоянным магнитным полем в фазе обмотки статора наводится ЭДС Е, подобно ЭДС синхронного генератора. Эта ЭДС уравновешивает напряжение U источника, подключенного к фазе обмотки статора. Ее называют противоЭДС. Создание противоЭДС в фазе обмотки статора синхронного двигателя отражается в схеме замещения идеальным источником ЭДС Е (см. рис. 8.9, б). Ток статора синхронного двигателя также создает магнитное поле, которое наводит в фазе обмотки статора ЭДС самоиндукции. Это учитывается в схеме замещения индуктивным элементом с сопротивлением XL1.

Так как активное сопротивление фазы обмотки статора пренебрежимо мало, в схемах замещения (см. рис. 8.9, а, б) оно не учитывается.

Схемы замещения позволяют составить уравнения электрического состояния синхронного генератора и синхронного двигателя.

Уравнение электрического состояния синхронного генератора по второму закону Кирхгофа для его схемы замещения (см. рис. 8.9, а) имеет вид

Уравнение электрического состояния синхронного двигателя по второму закону Кирхгофа для схемы его замещения (см. рис. 8.9, б) имеет вид

Схемы замещения и уравнения электрического состояния позволяют анализировать режимы работы синхронных машин.

179