книги из ГПНТБ / Лебедев, Н. Н. Электротехника и электрооборудование учеб. пособие [для монтаж. и строит. спец. техникумов]

Работу двух или более генераторов на одну и ту же сеть называют параллельной работой. Порядок включения синхронных генераторов на параллельную работу рассматривается в §7.12.

§7.12. Понятие о передвижных электростанциях

иих применение на строительстве

Вместах, где отсутствуют районные электрические сети, к которым можно присоединять потребителей электроэнергии строительных пло­ щадок, электроснабжение последних до устройства в районе строитель­ ства постоянной системы электроснабжения производят от передвиж­ ных электростанций.

Передвижные электростанции в зависимости от их мощности под­ разделяют на три основные группы:

1)малой мощности от 4 до 50 кВт обычно с карбюраторными двига­ телями внутреннего сгорания мощностью до 12 кВт и дизельными от

24 до 75 кВт.;

2) средней мощности с дизельными двигателями мощностью свыше

100 до 500 кВт; 3) крупные электростанции мощностью свыше 500 до 1000 кВт,

также с двигателями внутреннего сгорания.

Кроме того, для временного электроснабжения применяют наибо­ лее крупные передвижные электростанции — паротурбинные энерго­ поезда мощностью от 1000 до 5000 кВт. Из них в качестве примера мож­ но указать дизельные электростанции типа АД-50 и АД-75 мощностью соответственно 50 и 75 кВт, автоматоризированный дизель — электри­ ческий агрегат «Нева» мощностью 500 кВт.

Все электростанции имеют синхронные электрогенераторы, обычно жестко соединенные с двигателем.

Синхронный генератор энергопоезда работает от паровой турбины, жестко соединенной с генератором.

Передвижные электростанции малой мощности смонтированы на раме или на автоприцепе и приспособлены для работы как в помещении, так и вне помещений, независимо от времени года. Станции мощностью до 12 кВт имеют напряжение 220 В, а свыше 12 кВт — 400/230 В при соединении обмоток генератора звездой с выведенной нулевой точкой. Такая схема соединения обмоток позволяет устраивать четырехпровод­ ные электросети с тремя линейными и одним нулевым проводом. К ли­ нейным проводам подключаются потребители электроэнергии, рассчи­ танные на 380 В, например электродвигатели, а между линейным и ну­ левым проводом — однофазные нагрузки, рассчитанные на 220 В. На той же раме, на которой смонтированы генератор и двигатель внутрен­ него сгорания, установлен распределительный щит с измерительными приборами, а также рубильники с предохранителями для 2—3 отходя­ щих линий. Передвижные электростанции малой мощности отличаются малым весом и простотой устройства, что позволяет транспортировать их на автомобилях к месту установки, а также использовать в качестве аварийного резерва.

120

Передвижные электростанции мощностью 200—400 кВт, смонтиро­ ванные на раме, по устройству несколько сложнее электростанций малой мощности. На общей раме, кроме дизель-генераторной установки, монтируются радиаторы водяного и масляного охлаждения, пульт уп­ равления дизелем, насосы и другое оборудование. Распределительный щит устанавливается отдельно. Большой вес и габаритные размеры таких станций снижают их мобильность, поэтому они используются для более длительных сроков эксплуатации на одном месте.

Более крупные передвижные электростанции выпускаются про­ мышленностью в закрытых железнодорожных вагонах или в специаль­ ных фургонах с дизельными или газотурбинными двигателями.

Энергопоезда представляют собой комплектную паротурбинную электростанцию, размещенную в специальных железнодорожных ва­ гонах нормальной колеи. Количество вагонов в зависимости от мощ­ ности станций от Здо 12. Котельная занимает от 1 до 3 вагонов, под тур­ богенератор отводится 1 вагон, под градирню — от 1 до 3 вагонов; остальные вагоны предназначаются под мастерскую и для жилья об­ служивающего персонала. Напряжение электрогенераторов 6300 В.

а иногда средней мощности, вызывает резкое понижение напряжения на зажимах генератора, а следовательно, и в сети, в результате чего электродвигатель не идет в ход, если его мощность превышает V3 мощ­ ности генератора. Это объясняется пусковыми токами электродвигате­ лей, которые в 5—6 раз превышают номинальные токи полной нагруз­ ки. Во избежание подобных случаев целесообразно применять совмест­ ную работу нескольких электростанций на общую сеть, т. е. п а р а л- л е л ь н у ю работу генераторов. В этом случае к сети возможно под­ ключение сравнительно крупных строительных машин, с приводом от электродвигателей с короткозамкнутым ротором.

чающейся в том, что для присоединения генератора к сети, питаемой другими генераторами, необходимо, чтобы э. д. с. подключаемого гене­ ратора и напряжение сети были одинаковы и имели одинаковую часто­ ту; чередование фаз генератора должно соответствовать чередованию фаз сети; для машин небольшой мощности рекомендуется способ само­ синхронизации, проводимый вручную без автоматики.

Самосинхронизация заключается в том, что генератор, включаемый на параллельную работу, раскручивается двигателем до скорости, близкой к синхронной, и без возбуждения включается в сеть, затем ему дается возбуждение и он втягивается в синхронизм. После подачи воз­ буждения производится постепенная загрузка включенного генератора, воздействуя на его двигатель. Распределять нагрузки между параллель­ но работающими генераторами можно только увеличением или умень­ шением вращающего момента на валу их первичных двигателей, а не регулированием напряжения электрических генераторов.

Кроме вышеупомянутого способа синхронизации генераторов, при­ меняется способ синхронизации с помощью фазоиндикаторных ламп

121

и нулевого вольтметра, а для генераторов большой мощности с по­ мощью специальных приборов — синхроноскопов. В последнем слу­ чае применяется также автоматическая синхронизация и самосинхро­

низация.

§ 7.13. Синхронные электродвигатели

По своему устройству синхронный двигатель аналогичен синхрон­ ному генератору, но он имеет дополнительную пусковую обмотку. Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии полюсов вращающегося магнитного поля, созданного обмоткой стато­ ра, обтекаемой трехфазным током, с магнитными полюсами ротора, об­ мотки которого питаются постоянным током. Скорость вращения син­ хронного двигателя постоянна независимо от нагрузки и равна ско­ рости вращения магнитного поля; по этой причине двигатель получил название синхронного; вращение ротора у него совпадает (синхронно) с вращением магнитного поля статора. Механическая характеристика двигателя, т. е. скорость его вращения, зависящая от нагрузки, яв­ ляется абсолютно жесткой, при которой число оборотов постоянно.

Пуск двигателя в ход производится после предварительного его раз­ гона по скорости, равной не менее 0,95 номинального числа оборотов, что осуществляется наличием специальной пусковой обмотки типа бе­ личьего колеса, как у асинхронного двигателя. Такой способ пуска на­ зывается а с и н х р о н н ы м . После разгона двигателя включается постоянный ток в обмотку ротора, полюса которого входят в синхро­ низм с полюсами вращающегося магнитного поля. Некоторые типы синхронных двигателей пускают в ход с помощью других двигателей.

При холостом ходе оси полюсов ротора и вращающего поля статора двигателя совпадают. При увеличений нагрузки двигателя происходит сдвиг оси полюсов ротора относительно полюсов поля статора на угол Ф и при некоторой максимальной нагрузке двигатель выпадает из синхронизма и останавливается в результате слабого взаимодействия между полюсами ротора и статора, обусловленного значительным рас­ стоянием между ними. Максимальный (опрокидывающий) момент син­ хронного двигателя в 2,5—3 раза превышает номинальный его момент при нормальном токе возбуждения. Изменение угла между осями полю­ сов ротора и статора приводит к изменению угла сдвига фаз между на­ пряжением и электродвижущей силой синхронного двигателя.

Преимущество синхронных двигателей заключается в возможнос­ ти работать с высоким коэффициентом мощности cos ф.

Регулирование cos ф синхронного двигателя достигается измене­ нием величины постоянного тока возбуждения машины, при определен­ ной величине которого можно получить значение коэффициента мощ­ ности, равное единице.

В отличие от двигателей постоянного тока, у которых при измене­ нии тока возбуждения изменяется скорость вращения, у синхронных двигателей скорость остается постоянной, не зависящей от тока воз­ буждения. Однако при этом в больших пределах может изменяться ток статора синхронного двигателя при постоянной нагрузке на его валу

122

ГЛАВА ВОСЬМАЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Машины постоянного тока по сравнению с машинами переменного используются в народном хозяйстве страны, ограниченно главным об­ разом там, где необходимо регулировать число оборотов в широких пределах. Например, двигатели постоянного тока применяют для подъемных устройств, в электрической тяге, для приведения в действие прокатных станов, гребных винтов судов и в других видах регулируе­ мого электропривода. Генераторы постоянного тока мы встречаем в тех областях техники, где нужен постоянный ток для технологических целей: электролиз, электрическая сварка, когда требуется получить более устойчивую по сравнению с переменным током электрическую ду­ гу, а также для питания двигателей постоянного тока.

Постоянный ток необходим на строительстве. Его применяют для электропривода мощных экскаваторов, зарядки аккумуляторов и в ред­ ких случаях электрической сварки.

§ 8.1. Устройство машин постоянного тока

Основными частями машины постоянного тока (рис. 8.1) являются: неподвижная часть — станина, вращающийся ротор-якорь и два под­ шипниковых щита. Станина — из литой стали; с внутренней ее сторо-

. Рис. 8.1. Разрез четырехполюсной машины постоянного тока:

ны укреплены сердечники полюсов электромагнитов, выполненные из тонких листов стали, изолированных друг от друга лаковой пленкой или тонкими листами бумаги. На сердечники надеты катушки из изоли­

рованной медной проволоки, являющиеся обмоткой возбуждения ма­ шины.

124

Станина машины служит замыкающей частью — ярмом магнитопровода.

Ротор машины, называемый в машинах постоянного тока якорем (рис. 8.2), представляет собой цилиндрическое тело, собранное (так же как фазный ротор асинхронных двигателей) из тонких штампованных

ее припаивают к пластинам коллектора.

На внешнюю поверхность коллектора накладываются щетки, при­ крепленные при помощи траверсы к неподвижной части машины. При вращении якоря вращается также и коллектор, а щетки скользят по его поверхности, оставаясь неподвижными. Вал якоря вращается в под­ шипниках, закрепленных в щитах,

На упрощенной схеме рис. 8.3 изображен между двумя магнитами вращающийся виток обмотки якоря 3. Нетрудно уяснить назначение и принцип действия коллектора. Концы обмотки якоря соединены с двумя пластинами коллектора 1, по которому скользят две щетки 2. При вращении якоря в его проводниках будет наводиться синусоидаль­ ная электродвижущая сила. При коллекторе с верхней щеткой все вре­ мя оказывается соединенным проводник, движущийся под северным полюсом электромагнита, а с нижней — проводник, движущийся под южным полюсом. В результате этого между щетками будет действо­ вать напряжение, изменяющееся во времени, как показано кривой рис. 8.4. Все ее точки расположены выше нулевой линии (напряжение

125

все время будет сохранять один знак). Таким образом коллектор вы­

прямляет переменное напряжение.

Но напряжение, представленное кривой рис. 8.4, еще не является постоянным, так как его величина за один оборот якоря два раза пре­ терпевает изменения от нулевого значения до максимального.

Если намотать на якорь обмотку, состоящую не из одного, а из двух битков, и расположить их на якоре перпендикулярно один другому, то э. д. с, которые наводятся в них при вращении якоря, будут отли­ чаться друг от друга по фазе. В тот момент, когда в одном витке э. д. с. будет равна нулю, в другом она будет иметь максимальную величину. Графически это можно изобразить двумя кривыми (рис. 8.5, а).

Рис. 8.6. Кривая выпрямления коллектором переменного напряжения при двух катушках на якоре генератора

С помощью коллектора, состоящего из четырех раздельных частей, можно получить в двух витках два выпрямленных напряжения ег и е2, показанных на рис. 8.5, б. При соответствующем соединении витков наводимые в них э. д. с. будут складываться и на щетках машины полу­ чится суммарное напряжение, которое имеет значительно меньшие ко­ лебания по величине (рис. 8.5, в).

В выпускаемых ныне машинах постоянного тока обмотки якоря имеют значительно большее число катушек и пластин коллектора. Чем больше будет катушек в обмотке якоря и пластин на коллекторе, тем более ровным, т. е. приближающимся к постоянной величине, будет выпрямляемое коллектором напряжение. Соответственным увеличением чнсЛа катушек обмотки и пластин коллектора получают суммарное на­ пряжение на щетках (выводах) генератора с весьма малыми колеба­ ниями по величине.

Машины постоянного тока производят обычно не двухполюсными, а с большим числом полюсов — 4—6. Полюса чередуются попеременно между собой, Количество щеток равно числу полюсов: например, у че­ тырехполюсной машины должно быть четыре щетки.

§ 8.2. Классификация машин постоянного тока по способу возбуждения

Рабочие свойства машин постоянного тока зависят в значительной мере от способа соединения обмотки возбуждения с якорем постоянного тока. Они подразделяются на: машины с параллельным возбуждением (шунтовые), машины с последовательным возбуждением (сериесные)

123

и машины со смешанным возбуждением (компаундные) (рис. 8.6). Ма­ шины с параллельным и смешанным возбуждением применяют и в ка­ честве генераторов, и в качестве двигателей, а с последовательным воз­ буждением — только в качестве двигателей.

В машинах с параллельным возбуждением обмотка возбуждения при­

/? — н а г р у з к а

ные на прохождение через них полного тока генератора, выполняют из проводов большого сечения.

Соединение обмотки возбуждения с обмоткой якоря производится в коробке выводов генератора при помощи болтовых зажимов. Стан­ дартом установлены следующие обозначения зажимов: обмотки якоря или, что то же, выводов генераторов — Ях и Я2, параллельной обмот­ ки — Шх и Ш2, последовательной обмотки — Q и С2.

Кроме основных полюсов в машинах постоянного тока применяют дополнительные полюсы, располагаемые между основными полюсами на станине машины. Обмотка дополнительных полюсов включается по­ следовательно с обмоткой якоря машины. Назначение обмотки допол­ нительных полюсов — устранить искрение на коллекторе.

§ 8.3. Генераторы постоянного тока

Напряжение, которое развивает любой генератор постоянного тока, прямо пропорционально числу его оборотов и величине магнитного по­ тока, создаваемого полюсами; магнитный же поток зависит от тока в обмотке возбуждения. Отсюда следует, что регулировать напряжение генератора постоянного тока можно либо изменением числа его оборо­ тов, либо изменением величины тока возбуждения.

Генераторы, у которых питание обмоток возбуждения производит­ ся от постороннего источника постоянного тока, т. е. с независимым возбуждением, применяют редко. Как правило, применяют генераторы с самовозбуждением, у которых обмотка возбуждения во время работы генератора получает питание от его якоря. При пуске же генератора э. д. с. в обмотке возбуждения якоря начинает наводиться за счет неко­ торого остаточного магнетизма полюсов станины, так как намагничен-

127

ная сталь сердечника любого электромагнита сохраняет магнитные свойства и после прекращения тока в его обмотке. Под влиянием сла­ бого поля остаточного магнетизма в якоре машины наводится неболь­ шая э. д. с., под действием которой в обмотке возбуждения полюсов начинает проходить электрический ток, усиливающий магнитное поле, а следовательно, и э. д. с. генератора, постоянно доводя ее до номи­ нальной величины.

Для правильной эксплуатации электрической машины необходи­ мо знать ее номиналные величины: мощность Ра, напряжение (/„, ток / н, число оборотов пни др., которые обычно даны на щитке машины.

в электрическую сеть. Для получения такой мощности двигатель, вра­ щающий якорь машины, должен покрывать потери энергии, затрачен­ ные на нагревание обмоток возбуждения и якоря генератора, а также магнитные и механические потери. Следовательно, номинальная мощ­ ность двигателя должна превышать номинальную мощность генерато­ ра на величину этих потерь. Поэтому при работе машин вращающий мо­ мент на валу двигателя должен быть больше тормозящего момента ге­ нератора.

При работе машины в режиме холостого хода магнитное поле соз­ дает только обмотка возбуждения, так как в проводниках якоря тока нет (рис. 8.7, а). В нагруженной машине ток, проходящий йо про-

128

водникам якоря, создает собственное магнитное поле, поле якоря (рис. 8.7, б). Магнитное поле якоря, накладываясь на поле, создавае­ мое обмоткой возбуждения, будет искажать его (рис. 8.7, в). Влияние, которое оказывает магнитное поле якоря на результирующее поле ма­

и проходящая через ось вала якоря, называется геометрической ней­ тралью п — п '.

В нагруженной машине, вследствие наложения поля якоря на основ­

В результате при коммутации* щетка будет замыкать накоротко секцию обмотки, в которой индуктируется некоторая э. д. с., а послед­ няя будет создавать в контуре «щетка — короткозамкнутая секция» значительный ток. Это вызовет сильное искрение под щеткой и выгора­ ние пластин коллектора. Для избежания искрения щетки должны на­ ходиться на физической нейтрали. Вследствие реакции якоря физи­ ческая нейтраль у генераторов смещается по направлению вращения, а у двигателей — против направления вращения якоря.

На рис. 8.8 приведена схема включения генератора парал-лельного возбуждения.

§ 8.4. Электродвигатели постоянного тока, схемы их включения

Принцип действия электродвигателей постоянного тока основан на динамическом воздействии магнитного поля на проводники, через ко­ торые протекает ток (см. § 3.3). В конструктивном отношении электро­ двигатели постоянного тока ничем не отличаются от генераторов по­ стоянного тока.

Электродвигатель начинает вращаться, если обмотки якоря и воз­ буждения присоединены к напряжению внешней сети. При вращении якоря его обмотки пересекают магнитные линии поля и в них индукти­ руется э. д. с. Если определить с помощью правила правой руки на­ правление э. д. с., то оно окажется противоположным направлению

Противоэлектродвижущая сила во время работы электродвигателя ограничивает ток в якоре, который определяют разностью между вели­ чиной напряжения и противоэлектродвижущей силой, деленной на со­ противление якоря:

где / я — ток в обмотке якоря, А; U — напряжение сети, В;

Е— противоэлектродвижущая сила, В;

*Под коммутацией понимают явления, происходящие в секциях обмотки якоря при замыкании их щеткой накоротко.