ЭЛЕКТРОТЕХНИКА / Электротехника и электроника Конюшенко 2007

281

Так как скорость вращения двигателя , постоянна, то скоростная характеристика n F(P2 ) изображается прямой, параллельной оси абсцисс, а ли-

ния момента на валу M — прямой, проходящей через начало координат. Характер зависимостиcos F(P2 ) обусловлен установленным-током возбуж-

дения двигателя. Если установить за счет тока возбуждения сos 1 при но-

минальной нагрузке, то при недогрузке двигатель будет потреблять опережающий ток (перевозбуждение), при перегрузке — отстающий ток (недовозбуждение). В обоих случаях коэффициент мощности снижается. Характеристика cos F(P2 ) выгодно отличает синхронный двигатель от асинхронного.

Кривая к. п. д. имеет практически такой же вид, как и для асинхронных двигателей. При прочих равных условиях в режиме работы с сos 1 к. п. д.

синхронного двигателя на 0,5—2% выше, чем асинхронного. ХарактеристикаF(P2 ) определяет зависимость потребляемой мощности P1 F(P2 ) . Из

P1 F(P2 ) и cos F(P2 ) следует зависимость I F(P2 ) для тока, потребляемого

от сети.

Устройство синхронного двигателя сложнее, чем асинхронного, и стоимость его больше. Относительная разница в стоимостях выше при небольшой мощности машин. Для работы синхронного двигателя требуется переменный и постоянный ток. В настоящее время наряду с электромашинным возбуждением получают распространение двигатели с самовозбуждением от питающей сети переменного тока через полупроводниковые выпрямители.

По пусковым свойствам синхронный и асинхронный двигатели примерно одинаковы. Синхронный двигатель обладает меньшей чувствительностью к колебаниям напряжения сети, так как его вращающий момент, в том числе и максимальный, пропорционален первой степени напряжения. У асинхронного двигателя эта зависимость квадратичная. Кроме того, используя в необходимых случаях автоматическое форсирование (увеличение) тока возбуждения синхронного двигателя, можно сохранить устойчивость его работы даже при значительных кратковременных снижениях напряжения сети. В отношении регулирования скорости вращения синхронный двигатель уступает асинхронному, хотя регулировочные свойства последнего также нельзя считать хорошими.

Важнейшим преимуществом синхронного двигателя является возможность его работы присos 1 или опережающем (емкостном) токе статора.

Это преимущество особенно существенно для двигателей с небольшой скоростью вращения, поскольку асинхронные двигатели с малыми скоростями характеризуются низким коэффициентом мощности даже при нагрузках, близких к номинальной.

По совокупности свойств синхронные двигатели конкурируют с асинхронными или даже превосходят их при мощности примерно от 100 кВт и выше. В ряде случаев целесообразно применение синхронных двигателей

282

при меньшей мощности.

Область применения синхронных двигателей в последнее время расширяется. Они используются для нерегулируемого электропривода центробежных и поршневых насосов, компрессоров, воздуходувок, мельниц различного назначения, прокатных станов, двигатель-генераторных установок и других механизмов. Их применяют также независимо от мощности в тех случаях, когда требуется постоянство скорости вращения электропривода.

Отечественная промышленность выпускает синхронные генераторы малой мощности (от 5 до 125 кВт)серии ОС и ЕСС; турбогенераторы(от 2,5 до 1200 МВт) серии Т, ВС, ТВВ, ТГВ, ПВ, и другие. Гидрогенераторы имеют диапазон мощностей (от 1 до 711 МВт) серии СГГ,СВ, СВО, СВФ, ВГС, и др.

Синхронные двигатели как общего назначения, так и специальные тоже имеют широкий диапазон мощностей (от 1 до 22 МВт)серии СД2, БСДК, ВДС, ДСЗ и др. Синхронные компенсаторы серии КС и КСВ имеют мощность (от 16 до 160 МВА).

Помимо синхронных машин большой мощности ,промышленность выпускает синхронные микродвигатели , к которым относятся :

1.синхронный двигатель с постоянными магнитами;

2.шаговые двигатели;

3.гистерезисный двигатель;

реактивный двигатель.

283

4 Электрические машины постоянного тока

4.1 Генераторы постоянного тока

4.1.1 Общие сведения, устройство и принцип действия генератора

Электрические машины постоянного тока (МПТ) обратимы и могут работать в качестве генераторов или двигателей без изменения их схемы. Они нашли достаточно широкое применение в технике благодаря ряду преимуществ по сравнению с другими электрическими машинами.

Первый генератор постоянного тока (ГПТ) был разработан инженером Граммом в 1870 году.

В настоящее время ГПТ служат источниками питания электродвигателей постоянного тока, Электромагнитов различного назначения, аппаратуры контроля и управления, электролитических ванн, а также для зарядки аккумуляторных батарей, высококачественной сварки и т.д. ГПТ также используют в качестве возбудителей для мощных синхронных машин. Отечественная промышленность выпускает ГПТ отдельными сериями (например, серия 2ПН на мощности от 0,37 до 180кВт и напряжение от 115В до 460В).

Основные конструктивные части ГПТ – статор и ротор. Статор является индуктором, ротор – якорем (рис.4.1). Статор состоит из массивного стального корпуса 1, к которому крепятся основные полюса 2 с полюсными наконечниками 3, образуя вместе с корпусом магнитопровод. Полюсные наконечники служат для равномерного распределения магнитной индукции в зазоре между полюсами индуктора и якорем.

Рис. 4.1 Схематическое устройство ГПТ

284

На основных полюсах расположены соединенные последовательно обмотки возбуждения 4, предназначенные для создания основного магнитного поля машины (поля возбуждения). В некоторых ГПТ основное магнитное поле создается с помощью постоянных магнитов.

Ротор 5 представляет собой цилиндр, набранный из листов электротехнической стали, с пазами по наружной стороне, насаженный на вал 6, вращающийся в подшипниках. В пазы ротора укладывается обмотка 7, выводы которой присоединяют к расположенному на валу коллектору, который представляет собой цилиндр, набранный из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала. К коллектору с помощью пружины щеткодержателя прижимаются щетки (графитные или меднографитные). Это дает возможность соединить вращающуюся обмотку якоря с внешней электрической цепью. Щетки устанавливают на геометрической нейтрале – линии, проходящей перпендикулярно оси машины через те же точки поверхности якоря, где магнитная индукция поля основных полюсов равна нулю. Коллектор в ГПТ играет роль механического выпрямителя переменной ЭДС, индуцируемой в обмотке якоря.

Помимо основных полюсов имеются дополнительные полюсы 8 с обмоткой 9, которые служат для уменьшения искрения под щетками коллектора.

В некоторых случаях для уменьшения влияния реакции якоря в полюсных наконечниках основных полюсов штампуют пазы, в которых размещают компенсационную обмотку.

Генератор преобразует механическую энергию в электрическую. Принцип его действия основан на законе электромагнитной индукции. Первичный двигатель вращает якорь с постоянной угловой скоростью , проводники которого пересекают магнитное поле, созданное обмоткой возбуждения. В результате в обмотке якоря возникает ЭДС, направление которой можно определить по правилу правой руки. При этом направление ЭДС в проводниках обмотки якоря, находящихся под одноименными полюсами, будет одинаковым, а под разноименными – противоположным. Однако благодаря коллектору между щетками действует постоянная по направлению ЭДС (Еа). Если к щеткам присоединить нагрузку, то ЭДС (Еа) вызовет в ней постоянный ток. С появлением тока в проводниках якоря, находящихся в магнитном поле, возникают электромагнитные силы Fэм, которые создают электромагнитный момент Мэм, противодействующий вращающему моменту первичного двигателя Мвр. При постоянной угловой скорости вращения якоря эти моменты равны, т.е. Мэм=Мвр.

Механическая энергия, которую затрагивает первичный двигатель на преодоление тормозного момента Мэм ГПТ, преобразуется в электрическую энергию.

285

4.1.2 Классификация генераторов постоянного тока по способу возбуждения

В зависимости от того как включена обмотка возбудителя относительно сети и якоря, различают ГПТ с независимым возбуждением и самовозбуждением, которое подразделяется на параллельное, последовательное и смешенное. Схемы возбуждения магнитного поля ГПТ представлены на рис.4.2.

Рис.4.2 Схемы возбуждения машин постоянного тока

В машинах независимого возбуждения (рис.4.2,а) обмотки возбуждения подключают к независимому источнику электрической энергии (аккумулятору, выпрямителю и др.). В машинах с самовозбуждением обмотки возбуждения могут быть включены параллельно обмотке якоря (рис.4.2,б), последовательно с ней (рис.4.2,в) и смешанно-параллельно и последовательно (рис.4.2,г). В машинах малой мощности возбуждение магнитного поля может создавать постоянными магнитами. ГПТ в этом случае называют генераторами с магнитоэлектрическим возбуждением, их условно-графическое изображение показано на рис.4.2, д.

Обмотку возбуждения, включенную параллельно обмотке якоря, называют шунтовой, а включенной последовательно с обмоткой якорясериесной. Соответственно со способом включения обмотки возбуждения, ГПТ называют шунтовыми, сериесными и компаундными (со смешанным возбуждением).

При независимом и параллельном возбуждением для уменьшением потерь в обмотках возбуждения и для создания необходимой магнитодвижущей силы обмоток следует уменьшить ток возбуждения I В , увеличив число вит-

ков WВ обмотки возбуждения. Обмотку возбуждения выполняют из провода

малого сечения, который выбирают таким образом, чтобы ток возбуждения составлял 2-5% от номинального тока якоря.

286

При последовательном возбуждении обмотку возбуждения изготовляют из провода большого сечения (поэтому сопротивление обмотки невелико), с небольшим числом витков. Ёе рассчитывают на номинальный ток якоря.

В ГПТ смешанного возбуждения на основанных полюсах размещают по две обмотки, одну из которых включают параллельно обмотке якоря, другую- последовательно с обмоткой якоря.

4.1.3 Основные уравнения генераторов постоянного тока

Обмотка якоря разделена на секции, каждая из которых размещается в двух его пазах. Выводы секций присоединяют к коллекторным пластинам. Увеличение числа секций позволяет получить большее значение ЭДС якоря ( Eа ) и уменьшает диапазон колебаний ЭДС. Возможны различные типы об-

моток якоря. В настоящее время в основном применяют петлевые (простые и сложные), волновые (простые и сложные) и комбинированные.

В результате установки щеток на геометрической нейтрали обмотка якоря по отношению к щеткам оказывается разделенной на параллельные ветви с одинаковыми ЭДС и сопротивлениями. Если общее число активных проводников обмотки якоря равно N , а число параллельных ветвей 2а, то каждая параллельная ветвь состоит из N / 2a последовательно соединенных активных проводников различных секций. Число щеток берут равным числу главных полюсов, а сопротивление якоря RЯ определяется эквивалентным

сопротивлением параллельно соединенных ветвей обмотки и составляет от долей до единиц Ом. Машина постоянного тока обычно выполняется многополюсной ( p 1). При этом возрастает число щеток и параллельных ветвей

якоря.

ЭДС якоря ( Ea ) ГПТ равна сумме мгновенных значений ЭДС eпр про-

водников одной из параллельных ветвей обмотки якоря. Электродвижущая сила в одном проводнике:

eпр Bср lпр v ,

где: Bср среднее значение магнитной индукции на полюсном делении

;

lпр длина проводника (активная часть);

v линейная скорость перемещения проводника.

287

Указанные величины определяют по формулам:

Bср lпр ;

Д2 ; 2 p

v Д2 2 ; 2

2 2 60n2 ;

где: магнитный поток полюсов; Д2 диаметр якоря (внешний);

p число пар полюсов;

2 угловая скорость якоря; n2 Частота вращения якоря. Среднее значение ЭДС якоря:

где: c коэффициент, определяемый конструкцией МПТ. В данном случае:

Из формулы (4.1) следует, что ЕДС якоря прямо пропорциональна магнитному потоку и угловой скорости вращения якоря.

В нагруженном генераторе кроме магнитного потока, создаваемого МДС обмотки возбуждения, существует магнитный поток якоря, создаваемый МДС обмотки якоря. Оба поля накладываются друг на друга и образуют результирующее магнитное поле, которое искажается и становится несимметричным, в результате чего физическая нейтраль (линия, перпендикулярная оси магнитного потока) смещается относительно геометрической нейтра-

288

ли (у генератора – по направлению вращения, у двигателей – против). Влияние поля якоря на поле полюсов называется реакцией якоря. Реак-

ция якоря отрицательно сказывается на работе ГПТ (увеличивается искрение под щетками, уменьшается напряжение на зажимах генератора).

Для уменьшения влияния реакции якоря применяют компенсационную обмотку, которую, как и обмотку добавочных полюсов, включают последовательно с обмоткой якоря. Магнитное поле, созданное этой обмоткой, направлено навстречу полю якоря, вследствие чего действие реакции якоря ослабляется.

Электромагнитный момент сил, действующих на якорь:

где: F сила, действующая на все проводники якоря. В общем случае силу F определяют по формуле:

где: Fпр сила, действующая на один проводник обмотки якоря, нахо-

дящийся в магнитном поле.

В соответствие с выражением (4.3) электромагнитный момент МПТ прямо пропорционален магнитному потоку полюсов и току якоря.

Преобразование механической энергии в электрическую в ГПТ сопровождается потерями энергии. Один из основных энергетических показателей МПТ – их КПД:

P2 P1 P ,

P1 P

где: P2 полезная мощность;

P1 затраченная мощность (механическая мощность, передаваемая пер-

вичным двигателем);

P суммарная мощность потерь энергии.

289

Величина P определяется выражением:

P PЭ Pст Pмех,

где: PЭ электрические потери;Pст потери стали;

Pмех механические потери. Электрические потери:

PЭ PЯ PВ PЩ ,

где: PЯ потери в обмотке якоря;

PВ потери в обмотке возбуждения;

PЩ потери в щеточном контакте. Указанные потери определяются по формулам:

PЯ I Я2 RЯ ;PВ IВ2 RВ;PЩ I Я U Щ ,

где: RЯ сопротивление обмотки якоря;

RВ сопротивление обмотки возбуждения;

UЩ переходные падение напряжения между щеткой и коллектором. Для графитовых щеток UЩ 2В , а для металлографитовых -

UЩ 0,6В.

Потери встали, связанные с вихревыми токами и перемагничиванием якоря, составляют 1-3% от номинальной мощности генератора.

Механические потери, связанные с трением движущихся частей машины, составляют 1-2% от Pном . Эти потери, как и потери в стали, являются постоянными и не зависят от нагрузки. Их называют также потерями холостого хода.

Для машин мощностью 1-100 кВт номинальное значение КПД лежит в пределах 0,72 0,92.

290

Уравнение электрического состояния ГПТ имеет следующий вид:

где: RЯ суммарное сопротивление цепи якоря. В общем случае:

RЯ RЯ Rко Rдп,

где: RЯ сопротивление обмотки якоря;

Rко сопротивление компенсационной обмотки;

Rдп сопротивление обмотки добавочных полюсов.

Умножив почленно уравнение (5.4) на величину тока I Я , получают выражение для электромагнитной мощности, развиваемой генератором:

где: Pэм электромагнитная мощность генератора;

P мощность приемника;

Pэл суммарная мощность электрических потерь в обмотке якоря и

обмотках, включенных последовательно с якорем.

Уравнение (4.5) является уравнением баланса мощности цепи якоря генератора.

Электромагнитную мощность можно определить и через электромагнитный момент:

Pэм Pмех Pмех M эм ,

где: Pмех механические потери энергии.