Лекции по электрическим машинам Тема: «Общие вопросы теории машин переменного тока»

Основными видами электрических машин переменного тока являются асинхронные и синхронные машины. К общим вопросам устройства и теории этих машин можно отнести:

а) обмотки переменного тока;

б) наведение ЭДС в обмотке;

в) образование намагничивающих сил (н.с.) в обмотках переменного тока;

г) магнитное поле и методику расчета магнитной цепи;

д) потери в машинах, их нагрев и охлаждение.

§1. Синхронные машины.

Синхронной называется такая машина, частота вращения которой nнаходится в строго постоянном отношении к частоте сетиf

(мин^-1) или(с^-1),

где р – число пар полюсов.

Синхронные машины преимущественно распространены в виде трехфазных синхронных генераторов. Их устанавливают практически на всех электрических станциях и предназначены они для выработки электрической энергии трехфазного переменного тока. Синхронная машина возбуждается постоянным током, который подводится к её обмотке возбуждения (обмотка ротора) от сети постоянного тока или от генератора постоянного тока небольшой сравнительно с синхронной машиной мощности (0,3 – 3 %), называемого возбудителем. Но синхронные машины малой мощности могут быть выполнены с постоянными магнитами или в виде так называемой реактивной синхронной машины, которая не имеет специальной обмотки возбуждения.

Основы устройства синхронной машины рассмотрим на примере трехфазного двухполюсного синхронного генератора в его простейшем исполнении. Основные части генератора – это неподвижная называемая статором, и подвижная – ротор, помещаемая внутри расточки статора.

Статор состоит из станины, являющейся одновременно корпусом машины, укрепленного в ней сердечника 1, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, уложенной в пазах, выштампованных в листах сердечника. Обмотка статора трехфазного генератора состоит из трехфазных обмоток 2, соединенных, как правило, звездой или треугольником.

Ротор 3 синхронной машины представляет собой систему электромагнитов чередующейся полярности, равномерно расположенных по окружности. К обмоткам электромагнитов подводится постоянный ток при помощи контактных колец и наложенных на них щеток 4. Такая конструкция ротора (индуктора) называется явнополюсной.

Итак, индукторы в синхронных машинах бывают двух видов, что связано с частотой вращения.

1) явнополюсные синхронные машины, имеющие выступающие полюсы и изготавливаемые с числом полюсов 2р≥4. Они тихоходны – гидрогенераторы, синхронные генераторы, приводимые во вращение двигателями внутреннего сгорания.

Рис. Индуктор явнополюсной синхронной машины.

2) неявнополюсные синхронные машины имеют цилиндрический ротор, выполняемый обычно из массивной стальной поковки. В роторе фрезеруются пазы для укладки обмотки возбуждения. Эти машины выпускаются с числом полюсов 2р=2 и 2р=4 и имеют большие скорости вращения. Основной представитель – турбогенератор. Т.к. паровые турбины быстроходны, то турбогенераторы двухполюсные, для атомных электростанций турбогенераторы 4^хполюсные.

Принцип действия синхронной машины заключается в следующем. При вращении ротора первичным двигателем с постоянной (синхронной) частотой n(мин^-1) магнитное поле ротора, пересекая витки трехфазной обмотки статора, индуцирует в них э.д.с., имеющие частотуf=pnи сдвинутые по фазе каждая относительно соседней на угол. Если нагрузка распределена в сети равномерно, то машина генерирует симметричную систему трехфазного тока, причем в общем случае ток в фазной обмотке сдвинут относительно э.д.с. этой обмотки на некоторый угол φ, определяемый родом нагрузки.

Э.д.с. катушки определяется в соответствии с законом Фарадея-Максвелла, как

е_А=Е_max·sinωt

e_B=E_max·sin(ωt-120°)

e_C=E_max·sin(ωt-240°)