Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические основы электротехники. Курс лекций
.pdf
ЛЕКЦИЯ 10. ПОЛУЧЕНИЕ КРУГОВОГО ВРАЩАЮЩЕГО ПОЛЯ В ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЯХ.
ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ АСИНХРОННЫХ И СИНХРОННЫХ МАШИН
однако они характеризуются значительными потерями энергии в роторе, а следовательно, нагреванием даже при незначительных нагрузках. Определенный интерес представляет машина с полым ротором.
Фазный ротор асинхронной машины (рис. 10.5) имеет, как правило, трехфазную обмотку 1, соединенную в звезду и выведенную
на контактные кольца 2, установленные на вал машины 3.
1
2
3
4
Рис. 10.5. Конструкция фазного ротора машины
С помощью контактно-щеточного аппарата к этим кольцам подключают пусковой (пускорегулирующий) реостат 4, выполняющий
функцию дополнительного сопротивления в цепи обмотки с целью
ограничения тока. Изменяя пусковой ток, добиваются увеличения
пускового момента. Такой режим предусмотрен для привода механизмов с большой нагрузкой или требующих плавного регулирования скорости.
10.3. Принцип работы и основные характеристики
синхронных машин
В синхронной машине частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля статора. Статор такой машины (иногда его называют якорем) выполнен точно так же, как у асинхронной машины,
121
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
поэтому на статоре формируется круговое вращающееся магнитное
f
Ч60
поле с числом оборотов
n
=
стат
Ротор (или индуктор) состоит
.
p
из полюсов — электромагнитов постоянного тока. Индукторы могут
быть выполнены явнополюсными и неявнополюсными. Неявнополюсные индукторы являются гладкоствольными и характерны для высокоскоростных машин, например, для турбогенераторов электрических станций, где скорость турбины может составлять, как правило
3000 об/мин или 1500 об/мин. Явнополюсные индукторы применяются в гидрогенераторах, скорость вращения которых может быть
в десятки раз меньше (50–600 об/мин). В любом случае сердечники статора и ротора выполнены из электротехнической шихтованной стали с повышенным содержанием кремния с целью увеличения ее электрического сопротивления и уменьшения вихревых токов.
Синхронная машина обратима, т. е. может работать в режимах
двигателя и генератора.
В двигательном режиме подвижная часть машины требует разгона до частоты, близкой к частоте вращения магнитного поля статора, а затем ротор автоматически «втягивается в синхронизм» за счет
взаимодействия магнитных полей.
Разгон может быть выполнен от постороннего источника механической части энергии (разгонного двигателя) с помощью частотного пуска, однако для многих машин этого типа применяется так
называемый асинхронный режим пуска, при котором обмотку ротора (индуктора) замыкают накоротко, или на сопротивление, отключив от источника постоянного тока. За счет вращающего магнитного поля статора, взаимодействующего с проводниками ротора,
добиваются скорости ротора, близкой к скорости вращения магнитного поля статора, а затем подключают обмотку возбуждения к источнику постоянного тока, добиваясь «входа в синхронизм». Иногда на одном валу этих крупных машин ставят небольшой генератор
постоянного тока или переменного тока с выпрямителем, который
получил название «возбудитель», и его основная функция — подача
постоянного тока в цепи обмотки возбуждения.
В синхронных двигателях необходимо учитывать угол нагрузки
122
ЛЕКЦИЯ 10. ПОЛУЧЕНИЕ КРУГОВОГО ВРАЩАЮЩЕГО ПОЛЯ В ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЯХ.
ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ АСИНХРОННЫХ И СИНХРОННЫХ МАШИН
q — электрический угол отставания или опережения поля возбуждения по отношению к полю якоря (статора). Этот угол не должен превышать 90°, так как в дальнейшем машина выходит из синхронизма
и останавливается, если вал перегружен значительным тормозным
моментом, или уходит на повышенные обороты, если машина работает в режиме генератора и недогружена электрической нагрузкой.
В современных машинах q = 20–30°, а коэффициент перезагрузки —
KП=»ё
1
sin.q
23
Известно, что синхронные двигатели в зависимости от тока возбуждения могут менять угол j, например с емкостного характера на индуктивный. Поэтому синхронные двигатели на холостом ходу в режиме
перевозбуждения используют в качестве синхронных компенсаторов
с емкостным характером, что позволяет изменить cosj на входе потребителей, сократив путь колебания реактивной мощности. Синхронные двигатели обычно применяют в промышленности при мощности
более 300 кВт. Для меньших мощностей проще и надежнее применять
асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.
Генераторный режим синхронной машины предназначен для преобразования механической энергии с вала ротора в электрическую
промышленной частоты. Если придать машине определенную скорость вращения и подключить обмотку возбуждения ротора через
специальные кольца к источнику постоянного тока, то в трехфазной
обмотке якоря (статора) будет индуцироваться синусоидальная ЭДС
с фазовым сдвигом 120°. При определенных условиях, если эта ЭДС
превысит напряжение внешней сети, появится переменный трехфазный синусоидальный ток.
Контрольные вопросы:
1. Получение пульсирующего магнитного поля.
2. Получение кругового вращающего поля.
3. Принцип работы асинхронной трехфазной машины.
4. Принцип работы синхронной трехфазной машины.
5. Основные характеристики синхронных и асинхронных машин.
123
Лекция 11
НЕЛИНЕЙНЫЕ МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ
С ПОСТОЯННЫМИ НАМАГНИЧИВАЮЩИМИ СИЛАМИ
План лекции
11.1. Основные допущения и законы, применяемые при расчете
нелинейных магнитных цепей.
11.2. Методика расчета неразветвленных магнитных цепей.
11.3. Методика расчета разветвленных магнитных цепей.
11.1. Основные допущения и законы,
применяемые при расчете нелинейных магнитных цепей
Расчетная схема нелинейной магнитной цепи с постоянными на-
магничивающими силами приведена на рис. 11.1.
l
2
Ф
0
I
l
3
U
w
l
1
F
l
4
d
Рис. 11.1. Расчетная схема
При расчете подобных цепей принимают ряд допущений; при-
нято считать:
124
ЛЕКЦИЯ 11. НЕЛИНЕЙНЫЕ МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ
С ПОСТОЯННЫМИ НАМАГНИЧИВАЮЩИМИ СИЛАМИ
а) что весь магнитный поток, созданный током I катушки с числом витков W, замыкается только в сердечнике, т. е. магнитный поток рассеяния отсутствует. Это допущение особенно актуально в разветвленных магнитных цепях, для которых становится возможным
применение первого закона Кирхгофа для магнитных узлов
n
Ф
=
е
=01
i
;
i
б) силовые линии магнитного поля сердечника равномерно распределены в его поперечном сечении. Это допущение возможно, так
как в постоянных магнитных полях отсутствует эффект вытеснения
магнитного поля. Данное допущение позволяет перейти к использованию средней силовой магнитной линии (показана пунктирной
линией), которая учитывает протяженность магнитных полей;
в) на границе разнородных магнитных материалов (например,
ферромагнетик — воздух) отсутствует эффект искривления силового магнитного поля в виде магнитной индукции
B.
Это допущение
возможно, так как линия вектора магнитной индукции непрерывна. С учетом этого поперечные сечения воздушного зазора и магнитопровода на каком-то участке считаются равными.
11.2. Методика расчета неразветвленных магнитных цепей
Здесь возможны задачи двух типов.
Прямая задача предполагает, что известны параметры сердечника (сечение, длина), намагничивающая сила F = IW (рис. 11.1), кривая намагничивания B = f(H), заданная в виде графика (рис. 11.2)
или таблицы.
По итогам расчета необходимо определить значения магнитного
потока Ф, магнитных индукций Bi на отдельных участках цепи, напряженность магнитного поля Hi.
Решение задачи подобного типа можно отнести к графоаналитическим методам и предполагает следующую методику.
125
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
B, Тл
B
max
H, А/м
Рис. 11.2. Кривая намагничивания сердечника
1. Намечают среднюю силовую линию и уточняют геометрические размеры каждого участка с одинаковыми свойствами, например, участок l1, с поперечным сечением S1, участок с поперечным
сечением S2 и т. д.
2. Определяют направление намагничивающей силы F = IW
по правилу правой руки и составляют уравнение по второму закону
Кирхгофа или по закону полного тока
Hdl IW Hl Hl Hl Hl H IW
Ч= + + + + = *
т
l
или
11 2 2 33 4 4 d
d ().
Последнее уравнение считается нелинейным, так как прямой пропорциональной зависимости между напряженностью поля и магнитной индукцией нет (рис. 11.2), поэтому переходят к графической части расчета.
3. Составляют таблицу вебер-амперной характеристики Ф = f(UM),
где UM — расчетное значение магнитного напряжения контура.
Значения магнитного потока в интервале 0 ё Ф
разбивают
max
на 10–12 значений, затем для каждого значения заполняют соответствующую строку.
Ф, Вб В1, Тл В2, Тл … Н1, А/м Н1, А/м … Н1l1, А Н2l2, А … UM, А
0
…
>0
126
ЛЕКЦИЯ 11. НЕЛИНЕЙНЫЕ МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ
С ПОСТОЯННЫМИ НАМАГНИЧИВАЮЩИМИ СИЛАМИ
Необходимо учесть следующие факторы:
магнитный поток Ф
удобнее определять по формуле
max
где B
S
= B
Ф
max
— максимальное значение индукции (см. рис. 11.2);
max
— минимальное из сечений расчетных участков магнитной
min
max
· S
min
,
цепи.
Этот вариант позволяет в полной мере использовать свойства кри-
вой намагничивания.
На участке с воздушным зазором расчет напряженности магнит-
ного поля выполняют по формуле
BB
H
dd
==
d
mm
0
-
7
p
ЧЧ
410 1
»Ч Ч
+
6
0810,,
B
d
где Bd — значение магнитной индукции на смежном участке магнитной цепи, например для рис. 11.1 Bd = B3.
Расчет магнитных индукций на отдельных участках выполняют
по формуле
B
=Ф,
i
S
i
где Si — поперечное сечение расчетного участка с магнитной индукцией Bi.
Строят график вебер-амперной характеристики и находят поло-
жение расчетной точки.
На рис. 11.3 показаны возможные графики в зависимости от зазора. Как правило, при наличии воздушного зазора вебер-амперная
характеристика становится практически линейной (кривая 2). Если
F = IW задано, то графическим путем определяем Ф
, а затем опре-
расч
деляем остальные параметры магнитной цепи.
Обратная задача, для которой обычно заданы геометрические
размеры, кривая намагничивания и какой-то из магнитных параметров, например, Ф или Bi, имеет аналитический вариант решения уравнения (*).
127
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Ф, Вб
без зазора
(1)
при наличии
зазора
Ф
расч
(2)
, A
U
M
IW
Рис. 11.3. Вебер-амперные характеристики магнитной цепи
11.3. Методика расчета разветвленных магнитных цепей
Рассмотрим подробнее прямую задачу на примере схемы рис. 11.4
и эскиза рис. 11.5.
ў
l
1
Ф
I
1
w
Ф
1
1
ў
l
2
2
Ф
I
3
w
3
3
a
1
a
bb
2
a
3
c
l
d
d
c
l
1
l
2
l
3
Рис. 11.4. Схема разветвленной Рис. 11.5. Эскиз сердечника
магнитной цепи
Характеристика намагничивания стали задана в виде таблицы
и приведена в числе других исходных данных. При расчете магнитной цепи принимают во внимание отсутствие потоков рассеяния,
равномерность распределения магнитного поля в сердечнике и т. п.
Расчет магнитной цепи следует начинать с уточнения геометрических
128
ЛЕКЦИЯ 11. НЕЛИНЕЙНЫЕ МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ
С ПОСТОЯННЫМИ НАМАГНИЧИВАЮЩИМИ СИЛАМИ
параметров сердечника. Для этого намечают среднюю магнитную силовую линию (рис 11.4) и определяют длину, сечение ярма и стержней магнитопровода. Например, при принятых обозначениях можно записать
= l + c; l2 = l + c – d; l3 = l + c.
l
1
aa
ж
з
и
12
22
ў
2
=Ч + +
lb
3
ц
;;
ч
ш
ж
ў
2
=Ч + +
lb
3
з
и
a
a
3
2
22
ц
ч
ш
s1 = a1 · d; sў1 = c · d; s3 = a3 · d; sў3 = c · d; s2 = a2 · d
где l1, l2, l3 — высоты соответствующих стержней;
ў
ў
l
, l
— длины ярем (горизонтальных участков магнитопровода);
1
2
s1, s2, s3 — поперечное сечение соответствующих стержней;
sў1, sў3 — поперечное сечение ярма соответствующих участков.
Следует заметить, что практически l1 = l2 = l3 = l + c, так как обыч-
но воздушный зазор имеет малое значение.
После уточнения размеров сердечника составляют уравнения по закону Ома для каждой магнитной ветви. Для этого необходимо задать
положительные направления магнитных потоков, намагничивающих сил I1 · w1 и I2 · w2; можно записать для каждой магнитной ветви
ў
ь
п
,
э
п
ю
где H1 и H
()
UIwHlHl
1
()
2
()
3
ў
— соответственно напряженность магнитного поля в стерж-
1
=Ч- Ч-ўЧ
1 1 11 11
маб
UНlH
=Ч+Ч=d
маб в
UH
маб
22
ЧЧ +ўЧў-Ч
lHlIw
33333
3
не и ярме первой ветви;
H2 и Нв — соответственно напряженность магнитного поля в стерж-
не и воздушном зазоре второй магнитной ветви;
ў
H3 и H
— соответственно напряженность магнитного поля в стерж-
3
не и ярме третьей магнитной ветви.
Для других схем магнитных цепей уравнения составляются аналогично.
По первому закону Кирхгофа для узла «а» можно записать уравнение
129
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Ф1 = Ф2 + Ф3.
В связи с нелинейностью магнитных характеристик решение
уравнений в данной работе выполняется графически. Для этого необходимо задать 10–12 значений магнитного потока, а затем рассчитать магнитную индукцию в отдельных участках магнитопровода по формулам
Ф
1
B
=
1
S
1
Ф
1
ў
B
=
и т.д.;
1
ў
S
1
Максимальное значение магнитного потока можно определить
по данным поперечного сечения сердечника магнитной цепи и максимальной индукции применяемой стали. Так, например, если
B
= 1,75 Тл; S1 = S
max
ў
= 40 · 10–4 м2,
1
то
Ф
= 7,3 · 10–3 Вб = 7,3 мВб.
1max
Задавая значения Ф1 в интервале (0…7,3) 10–3 Вб, можно получить значения магнитной индукции, а по кривой намагничивания —
и напряженности магнитного поля. Результаты расчета рекомендуется внести в таблицу.
По данным таблиц вебер-амперных характеристик графики приведены на рис. 11.6.
Следует иметь в виду, что при отсутствии воздушного зазора
в стержне вебер-амперная характеристика в ином масштабе повторяет форму кривой намагничивания B = f(H) и имеет смещение,
вызванное намагничивающей силой катушки I · w в стержне. При
наличии воздушного зазора вебер-амперная характеристика приобретает практически линейный вид, что показано на примере графика Ф2 = f(U
). Графическое решение уравнения предусматривает
mab
сложение кривых Ф2 и Ф3, что показано на рис. 11.2. Очевидно, точка пересечения результирующей кривой с графиком Ф1 = f(U
mab
) дает
возможность вычислить искомые величины Ф1, Ф2, Ф3, определить
значение магнитного напряжения U
mab
.
130
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]