Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические машины. Учебно-методическое пособие
.pdf
= U
. На рис. 1.6, а показаны две ветви характеристики. Одна полу-
ном
чена при увеличении тока возбуждения (намагничивании индуктора)
при условии, что магнитопровод синхронной машины не был намагничен. Вторая – при уменьшении тока возбуждения (размагничивании индуктора). Электродвижущая сила Е
создается остаточным
ост
магнитным потоком индуктора при IВ = 0.
Внешние характеристики – это зависимости напряжения якоря
генератора от нагрузки: U = f(I
минальной частоте вращения (n = n
) – снимаются при постоянной но-
наг
= const) и неизменном токе
ном
возбуждения (IВ = const) (рис. 1.6, б). Эти характеристики показывают степень стабильности напряжения генератора при изменении величины и характера нагрузки. Различие в характеристиках, приведенных на рис. 1.6, б, определяется влиянием реакции якоря, зависящей
от характера нагрузки (R – активная нагрузка; RL – активноиндуктивная; RC – активно-емкостная). На характеристике R коэффициент мощности cos φ = 1. На характеристике RL cos φ < 1, – отстающий. На характеристике RC cos φ < 1, – опережающий.
Регулировочные характеристики – зависимости тока индуктора
от тока нагрузки: IВ = f(I
вращения (n = n
= const) и неизменном напряжении якоря (U =
ном
). Они снимаются при постоянной частоте
наг
const) (рис. 1.6, в). Эти характеристики показывают, как следует регулировать ток IВ, для обеспечения постоянства напряжения якоря U =
const. При снятии характеристики необходимо соблюдать условие
постоянства коэффициента мощности – cos φ = const.
1.3. СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ ФАЗЫ ОБМОТКИ ЯКОРЯ
СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА.
МОЩНОСТЬ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МОМЕНТ
Схема замещения одной фазы якоря может быть представлена ак-
тивным двухполюсником (рис. 1.7, а), ЭДС Е0 которого – ЭДС якоря
генератора на холостом ходу, а внутреннее сопротивление содержит
активную и индуктивную составляющие. К этому двухполюснику
11
подключено комплексное сопротивление нагрузки. Согласно второму
,
0 наг
Я
наг
Я
ф
IjXIRUE
ф
U
,cos
2
нагф
ImUP
.
2
нагЯЭЯ
ImRP
закону Кирхгофа,
где
– напряжение фазы обмотки якоря; RЯ и ХЯ – активное и ин-
дуктивное сопротивления фазы обмотки якоря.
а б
Рис. 1.7. Схема замещения, векторная и энергетическая диаграммы
Электрическая мощность генератора, передаваемая в нагрузку,
где т – число фаз якоря.
Электрические потери в фазах обмотки якоря
в
синхронного генератора
12
Электромагнитная мощность якоря синхронного генератора
.cos
2 нагЯфнагЭЯЭМ
IRUmIРРP
.coscos
0
EIRU
нагЯФ
.cos
0
EmIP
нагЭМ
;
ЭЯЭИЭЯЭЛ
РРPР
.sin
0
X
UE
m
M
Ф
Из векторной диаграммы (рис. 1.7, б) следует, что
Тогда электромагнитная мощность
Рассмотрим энергетическую диаграмму генератора (рис. 1.7, в),
где показано преобразование механической энергии в электрическую.
При работе синхронной машины в режиме генератора первичный
двигатель развивает мощность P1 = P
которая преобразуется в
МЕХ,
электрическую мощность Р2 = РЭ. Кроме того, часть механической
мощности преобразуется в электроэнергию для питания обмотки возбуждения. Эту энергию зачастую вырабатывает генератор возбуждения, являющийся генератором постоянного тока, который размещается на валу синхронной машины. В процессе преобразования механической энергии в энергию электрическую возникают потери:
– электрические (в обмотках якоря и индуктора),
– магнитные (в стали сердечника якоря) ΔР
, обусловленные
МАГ
гистерезисом и вихревыми токами;
– механические ΔР
– на трение и вентиляцию.
МЕХ
Электромагнитный момент М синхронной машины прямо про-
порционален sin θ – синусу угла между осями магнитного потока индуктора и вращающегося магнитного потока якоря и обратно пропорционален круговой частоте вращения вала Ω = 2πn/60, а также реактивному сопротивлению Х генератора:
В генераторном режиме работы синхронной машины электро-
магнитный момент является тормозным, в двигательном режиме –
вращающим.
13
На рис. 1.8 показана зависимость M = f(θ) для генераторного и
двигательного режимов СМ. Максимальный момент М
определяет
max
перегрузочную способность синхронной машины. При превышении
нагрузочным моментом значения М
синхронная машина выпадает
max
из синхронизма. Рабочий диапазон изменения угла нагрузки θ составляет 0-30 °, а превышение нагрузки над номинальной может происходить только кратковременно.
Рис. 1.8. Электромагнитный момент синхронной машины
1.4. РАБОТА СМ ПАРАЛЛЕЛЬНО С СЕТЬЮ
Для того чтобы синхронная машина, включенная в сеть, работала
в режиме двигателя, нужно приложить к валу машины тормозной
момент механической нагрузки. При этом ось полюсов ротора повернется на некоторый угол θ, относительно оси вращающегося результирующего потока, против направления вращения этого потока
(см. рис. 1.3). Возникнут электромагнитные силы взаимодействия поля результирующего СМ и магнитного поля полюсов ротора. Электромагнитные силы создадут положительный вращающий момент,
увлекающий ротор в направлении вращения поля (см. рис. 1.8, справа). При этом электрическая энергия, потребляемая из сети, преобразуется в механическую, поступающую на вращающийся вал машины,
т. е. СМ работает в режиме двигателя.
14
Для перехода в режим генератора необходимо увеличить механический момент, приложенный первичным двигателем к валу машины.
Тогда под действием возросшего вращающего момента, приложенного к ротору, ось магнитных полюсов ротора повернется на некоторый
угол относительно оси результирующего поля СМ в направлении
вращения ротора (см. рис. 1.3). Так как при этом результирующее
магнитное поле, создаваемое наложением магнитных полей ротора и
якоря, изменится, то ток в обмотках якоря также изменится. Взаимодействие магнитного полей ротора и якоря создает тормозной момент, действующий на ротор (отрицательный, см. рис. 1.8). Происходит преобразование механической энергии первичного двигателя в
электрическую энергию генератора.
1.5. U-ОБРАЗНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННЫХ МАШИН
Это зависимости тока якоря (I) машины от тока возбуждения i
индуктора I = f(i
) при постоянстве активной мощности СМ P = const.
f
Рассмотрим типичные U-образные характеристики (рис. 1.9).
f
Рис. 1.9. U-образные характеристики СМ
15
Выше пунктирной линии АВ синхронный двигатель выходит из
I
2
I
3
I
1
U
синхронизма (аварийный режим).
На линии ОС, которая проходит через минимумы тока якоря на
U-образных характеристиках, коэффициент мощности синхронной
машины cos φ = 1. Ток якоря имеет только активную составляющую.
Слева от этой линии (if < i
) токи якоря увеличиваются, с
0
f
уменьшением if, за счет возрастания их индуктивной составляющей.
Коэффициент мощности СМ меньше единицы – отстающий. Это
означает, что ток якоря отстает от напряжения сети и машина ведет
себя относительно сети, как цепь индуктивного характера – потребляет из сети реактивную мощность.
Справа от линии ОС (if > i
) коэффициент мощности СМ также
0
f
меньше единицы, но ток якоря по фазе опережает напряжение сети. В
таком режиме машина ведет себя как цепь емкостного характера, т. е.
выдает в сеть реактивную мощность. Эта реактивная мощность определяется по выражению Q = UI sin φ.
Таким образом, изменяя ток индуктора, изменяем реактивную составляющую тока якоря, а активная мощность синхронной машины
остается неизменной.
Поясним на векторной диаграмме, показанной на рис. 1.10, режимы работы синхронной машины.
Рис. 1.10. Векторные диаграммы СМ при Р = const
16
Первый режим. Ток якоря İ1 совпадает по фазе с напряжением,
что соответствует работе СМ на линии ОА характеристик
(см. рис. 1.9) с cos φ = 1.
Второй режим. Ток якоря İ2 отстает по фазе от напряжения сети.
При этом ток возбуждения if индуктора СМ меньше if0. Таким обра-
зом, этот режим в теории и практике синхронных машин называют
режимом «Недовозбуждение» (см. рис. 1.9).
Третий режим. Ток якоря İ3 опережает по фазе напряжение сети,
что характерно для так называемого режима «Перевозбуждение»
(см. рис. 1.9).
Для энергоэффективной работы самой машины выгодно устанавливать cos φ = 1, так как тогда ток якоря СМ минимален, потери в СМ
минимальные, а ее КПД – максимальный. При работе в энергосистеме целесообразно устанавливать «Перевозбуждение», т. е. опережающий коэффициент мощности, если в системе много нагрузок индуктивного характера. Это снижает потери в линиях электропередачи.
Глава 2. КОЛЛЕКТОРНЫЕ МАШИНЫ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
Коллекторные машины применяются как двигатели в электроприводах, требующих регулирования частоты вращения, – в железнодорожном морском и автотранспорте, прокатных станах, грузоподъемных и землеройных машинах, сложных металлообрабатывающих
станках. Применяют их также в тех случаях, когда в качестве источников электрической энергии служат аккумуляторы (стартеры, двигатели
подводных лодок, космических аппаратов и т. п.) [2-4].
Коллекторные генераторы постоянного тока работают в устройствах связи для заряда аккумуляторных батарей, их применяют
как основные источники питания на транспортных средствах (автомобили, самолеты, тепловозы, пассажирские вагоны).
17
2.1. УСТРОЙСТВО КОЛЛЕКТОРНЫХ МАШИН
ПОСТОЯННОГО ТОКА
По конструктивному исполнению коллекторные машины постоянного тока (рис. 2.1) аналогичны обращенной синхронной машине,
когда якорь вращается, а индуктор неподвижен.
Рис. 2.1. Устройство машины постоянного тока:
1 – коллекторные пластины; 2 – углеграфитные щетки; 3 – стальной сердечник якоря;
4 – главный полюс индуктора; 5 – катушки обмотки индуктора;
6 – корпус машины (станина); 7 – подшипниковый щит;
8 – вентилятор; 9 – обмотка якоря
Основное отличие от синхронной машины в том, что ее якорь
включает коллектор, а на статоре (индукторе), помимо главных полюсов, расположены добавочные полюсы, которые снижают искрение под щетками коллекторно-щеточного аппарата.
Главные полюса индуктора с катушками обмотки полюсов показаны на рис. 2.1. Полюса крепят болтами к стальному корпусу, который составляет часть магнитной цепи коллекторной машины. Главные полюса машины (рис. 2.2) выполняют шихтованными – набирают
18
из стальных штампованных листов. Добавочные полюса могут быть
массивными или шихтованными. Добавочные полюса на рис. 2.1 не
показаны.
Рис. 2.2. Устройство главных полюсов:
1 – наконечник полюса; 2– сердечник полюса; 3 – болты установочные;
4 – заклепки; 5 – стержень установочный; 6 – щеки нажимные
Технология изготовления полюсов следующая.
Спрессовывают под давлением стальные листы и соединяют заклепками. Заклепки крепятся в нажимных щеках, установленных по
торцам полюса. Шихтуют иногда только наконечники главных полюсов, для того чтобы уменьшить возникающие в них при вращении зубчатого якоря вихревые токи и потери мощности. В большинстве случаев для простоты технологии выполняют шихтованным весь главный
полюс. Главные полюса закрепляют на станине с помощью болтов,
нарезая резьбу непосредственно в шихтованных сердечниках полюсов.
Обмотки из катушек для главных и добавочных полюсов коллекторных машин выполняют изолированным медным проводом
(круглым или прямоугольным). Для катушек главных и добавочных
полюсов коллекторных машин малой мощности используют тонкую
медную проволоку; катушки обмоток индуктора, включенные последовательно в цепь якоря, выполняют из полосовой меди (рис. 2.3).
19
Рис. 2.3. Устройство катушек главных (а) и добавочных (б) полюсов:
1– главный полюс; 2– катушка обмотки возбуждения; 3– опорный угольник;
4 – добавочный полюс; 5– обмотка добавочных полюсов
Обмотку полюсов иногда разделяют на отдельные катушки (секции) для лучшего охлаждения. Между ними выполняют вентиляционные каналы.
Для сердечника якоря используют изолированные листы электро-
технической стали (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Устройство сердечника якоря (а) и сборка сердечника (б):
1 и 3 – шайбы нажимные (обмоткодержатели); 2 – выточки для наложения бандажа;
4 – место для запрессовки коллектора; 5– изоляционная пленка; 6 – стальной лист
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]