lekcii

проміжок (від статора до сталевої поверхні ротора). Тому у ряді випадків обмежуються обмідненням тільки торцевих поверхонь ротора.

По швидкодії двигун поступається двигуну з немагнітним порожнистим рото-

ром.

Знаходить собі застосування в якості виконавчого двигуна і короткозамкнутий двигун з білячою клітиною на роторі, що має великий активний опір. Його обмотки статора включаються також за схемами, приведеними на мал. 3-98.

Слід ще розглянути асинхронний двигун з масивним феромагнітним ротором, який застосовується в якості виконавчого, коли доводиться приводити в обертання важкі крутеневі маси і коли, отже, власний момент інерції двигуна має відносно мале значення. Характеристики цього двигуна дещо кращі, ніж у двигуна з феромагнітним порожнистим ротором. Тут також іноді застосовується обміднення ротора.

Конструкція масивного ротора — простіша і механічно значно міцніша і надійніша, чим порожнистого ротора і ротора з білячою клітиною, зібраного з тонких листів. Цим і пояснюється, що двигуни з масивним сталевим ротором нині виконуються на дуже великі частоти обертання (до 120000-150000 про/мін).

До недоліків даного двигуна, що перешкоджають його застосуванню замість звичайного короткозамкнутого двигуна, слід віднести відносно низький максимальний момент Мм із-за підвищеного індуктивного опору х2 ротора, великі втрати в роторі і, отже, низький к.п.д.

111

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

Контрольні питання

1.Як отримати кругове магнітне поле, що обертається, в однофазних асинхронних двигунах?

2.Як отримати еліптичне магнітне поле в однофазних асинхронних двигунах?

3.Як отримати пульсуюче магнітне поле в однофазних асинхронних двигунах?

4.Як здійснити пуск однофазних асинхронних двигунів?

5.Поясніть характеристику електромагнітного моменту однофазного асинхронного двигуна?

6.Поясніть призначення фазозсувного елементу?

7.Призначення виконавчих асинхронних двигунів?

8.Вимоги пред'являються до виконавчих двигунів?

9.Особливості конструкції виконавчих двигунів?

10.Недоліки виконавчих двигунів?

Лекція 23 Тема: 4.1Устройство синхронної машини

План

3.Типи і особливості конструкції синхронної машини

4.Принцип дії синхронного генератора

Генератори змінного струму, працюючі на електричних станціях, у більшості випадків є синхронними машинами. Ці машини застосовуються також в якості двигунів. Найбільше поширення отримали трифазні генератори і двигуни.

Синхронна машина в звичайному виконанні складається з нерухомої частини — статора, в пазах якого поміщається трифазна обмотка, і частини, що обертається, — ротора з електромагнітами, до обмотки яких підводиться постійний струм за допомогою контактних кілець і накладених на них щіток

Статор синхронної машини нічим не відрізняється від статора асинхронної машини. Ротор її виконується або явнополюсным (з полюсами,), що виступають, або неявнополюсным (циліндричний ротор,).

Залежно від роду первинного двигуна, яким наводиться в обертання синхронний генератор, застосовуються назви: паротурбінний генератор або скорочено турбогенератор (первинний двигун — парова турбіна), гідротурбінний генератор або скорочено гідрогенератор (первинний двигун — гідравлічна турбіна) і дизель-генератор (первинний двигун — дизель).

Турбогенератори — швидкохідні неявнополюсные машини виконувані нині, як правило, з двома полюсами. Турбогенератор разом з паровою турбіною, з якою він механічно з'єднується називається турбоагрегатом

112

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

Гідрогенератори — в звичайних випадках тихохідні явнополюсные машини, що виконуються з великим числом полюсів і з вертикальним валом

Дизель-генератори є у більшості випадків машинами з горизонтальним валом. Синхронні машини невеликої потужності іноді виконуються з нерухомими елек-

тромагнітами, поміщеними на статорі, і обмоткою змінного струму, закладеною в пази ротора, виготовленого з листової електротехнічної сталі; в цьому випадку обмотка змінного струму з'єднується із зовнішнім ланцюгом через контактні кільця і щітки.

Ту частину синхронної машини, в обмотці якої наводиться э.д.с., прийнято називати якорем. Електромагніти (полюсы) разом з ярмом, що замикає їх, утворюють полюсну систему; її іноді називають індуктором.

У синхронних машинах звичайної конструкції статор служить якорем, ротор — полюсною системою.

Основні переваги конструкції з полюсами, що обертаються, полягають в тому, що тут можливо здійснити надійнішу ізоляцію обмотки нерухомого якоря, простіше, без ковзаючих контактів з'єднати її з мережею змінного струму. Вказані переваги особливо істотні для синхронних машин на великі потужності і високу напругу.

Облаштування ковзаючих контактів для підведення постійного струму в обмотці електромагнітів, що називається обмоткою збудження, не представляє утруднень, оскільки потужність, що підводиться до цієї обмотки, складає невелику долю [(0,3 2)%] номінальній потужності машини.

Крім того, треба відмітити, що в сучасних потужних турбогенераторах, працюючих з частотою обертання 3000 про/мін, окружна частота ротора досягає 180 185 м/сек; при такій частоті не представлялося б можливим виконати якір, що обертався, зібраний з тонких листів, механічно досить міцним.

Ротор сучасного турбогенератора виконується з цілісної сталевої поковки (причому береться сталь дуже високої якості.)

Котушки обмотки збудження закладаються в пази, вифрезерувані на зовнішній поверхні ротора, і закріплюються в пазах міцними металевими клинами. Лобові частини обмотки збудження закриваються кільцевими бандажами, виконаними з особливо міцної сталі.

Струм для живлення обмотки збудження синхронна машина отримує зазвичай від невеликого генератора постійного струму, помішаного на загальному валу з нею або механічно з нею сполученого. Такий генератор називається збудником. У разі потужного турбогенератора вал збудника з валом турбо генератора з'єднується за допомогою напівеластичної муфти.

В якості збудника у більшості випадків служить генератор постійного струму з паралельним збудженням .Останніми роками для отримання постійного струму, необхідного для збудження синхронної машини, використовуються також різні випрямлячі — ртутні, напівпровідникові і механічні.

113

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

стота струму, наведеного в обмотці якоря, визначається частотою обертання п, про/мін, і числом пар полюсів р ротора : Гц. Таким чином, для отримання стандартної частоти f = 50 Гц потрібне, наприклад, при 2р = 2 мати частоту обертання п = 3000/мін (з такою частотою працюють майже усі сучасні турбогенератори), при 2р = 72 п = = 83,3 про/мін (з такою частотою працюють дніпровські гідрогенератори).

Синхронні двигуни, як правило, виконуються у вигляді явнополюсных машин зазвичай на потужності від 100 кВт і вище і на найрізноманітніші частоти обертання. Вони мають ряд переваг в порівнянні з асинхронними двигунами, особливо при великій потужності і низькій частоті обертання, оскільки можуть працювати з соs φ = 1 або з випереджаючим струмом, покращуючи в останньому випадку соs φ = 1 усієї електроустановки.

Разом з синхронними генераторами і двигунами застосовуються також синхронні компенсатори. Вони є синхронними двигунами, працюючими вхолосту (без навантаження на валу) і що дозволяють в широких межах змінювати споживаний ними реактивний струм. Останнє досягається, як буде показано, шляхом зміни струму збудження синхронних компенсаторів, які у більшості випадків працюють, споживаючи випереджаючий реактивний струм, т. е. як конденсатори. Вони служать для компенсації зрушення фаз струму і напруги (для поліпшення соsφ) або для регулювання напруги, наприклад у кінці лінії електропередачі.

Режим роботи синхронної машини, для якого вона призначена, характеризується вказаними на її щитку номінальними величинами. На щитку синхронної машини вказуються: 1) для якого режиму роботи машина призначається (генератор, двигун або компенсатор); 2) потужність (для генератора — уявна потужність у В·А або кВ·А, а також — активна потужність у Вт або кВт; для двигуна — потужність на валу у Вт або кВт; для компенсатора— реактивна потужність при випереджаючому струмі у В·А або кВ·А); 3) лінійний струм в А; 4) лінійна напруга у В або кВ; 5) соsφ; 6) число фаз; 7) з'єднання обмотки статора (зірка або трикутник); 8) частота струму в Гц; 9) частота обертання ротора в про/мін; 10) напруга збудження; 11) найбільший допустимий струм збудження в А (за номінальний струм збудження береться струм, що відповідає номінальному режиму роботи).

Слід зазначити, що якщо для трансформатора допустиме навантаження цілком визначається уявною потужністю в кВ·А, те для синхронного генератора потужність, що віддається їм, в киловольт-амперах не цілком визначає його допустиме навантаження. Необхідно вказати також допустимий соsφ навантаження генератора при відстаючому струмі. Останнє пояснюється тим, що при роботі генератора з відстаючим струмом розмагнічуюча дія цього струму на основне поле буде тим більше, чим нижче соsφ, а тому, чим нижче соsφ, тим більший струм збудження потрібно для підтримки на затисках генератора номінальної напруги.

Ми спочатку розглядатимемо роботу синхронної машини в режимі генератора.

114

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

При цьому матимемо на увазі, що синхронна машина (як будь-яка інша електрична машина) обратима і що основні електромагнітні процеси в ній однакові незалежно від того, чи працює вона в режимі генератора або двигуна.

Принцип дії

На обмотку збудження подаємо постійну напругу. Оскільки обмотка має опір, наводиться електричний струм. Струм, проходячи по витках обмотки збудження наводить МДС, яка наводить магнітний потік. Магнітний потік проходить від північного полюса до південного і замикаючись по станині повертається назад. Якщо обертати ротор іншим двигуном, що знаходиться на одному валу з генератором, то магнітний потік по черзі перетинати витки обмотки якоря і наводити в них трифазну ЭДС з частотою f1. Якщо ланцюг обмотки якоря замкнутий, то ЭДС наведе трифазний змінний електричний струм. Струм обмотки якоря, проходячи по витках обмотки наводить МДС, яка наводить кругове магнітне поле, що обертається, яке обертається в тугіше сторону і з такою ж швидкістю що і ротор, тому генератор називається синхронним.

Відмінність між тим і іншим режимами полягає в тому, що в генераторі зрушення між э.д.с. обмотки якоря і її струмом менше 90, а в двигуні те ж зрушення більше 90 . Внаслідок цього електромагнітний момент, діючий на ротор, в генераторі спрямований проти обертання, а в двигуні у бік обертання.

Контрольні питання

1.Призначення синхронних генераторів?

2.Поясніть конструкцію явнополюсных машин?

3.Поясніть конструкцію неявнополюсных машин?

4.Перерахуйте режими роботи синхронних машин?

5.Принцип дії синхронного генератора?

6.Перерахуйте класифікацію синхронних машин?

7.Яка частина машини називається якорем?

8.Яка частина машини називається індуктором?

9.Чому машина називається синхронною?

10.Чим відрізняються турбогенератори від гідрогенераторів?

115

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

Лекція 24 Тема: 4.2 Магнітне поле і характеристики синхронних генераторів

План

1.Реакція якоря

2.Рівняння ЭДС

3.Характеристики генераторів

4.Втрати і ККД

Струми в обмотці якоря створюють н.с., яка обертатиметься відносно якоря в ту ж сторону і з такою ж частотою, що і н.с. обмотки збудження. Дійсно, частота обертання н.с. якоря, а частота струму якоря, де пп — частота вращенияполюсов; звідси, підставляючи в першу рівність значення f з другої рівності, знайдемо, що nя = пп; напрям обертання н.с. якоря залежить від порядку чергування фаз його обмотки (наприклад А — В — C), а цей порядок чергування визначається напрямом обертання полюсів.

Таким чином, н.с. якорі і н.с. обмотки збудження нерухомі одна відносно іншої. Полі машини при навантаженні створюватиметься спільною дією обох н.с. Воно відрізнятиметься від поля при холостому ході.

Дія н.с. якоря на поле машини називається реакцією якоря.

Спочатку розглядатимемо реакцію якоря, маючи на увазі якісну сторону цього явища. Кількісний облік реакції якоря, так само як і внутрішніх падінь напруги в обмотці якоря, робиться за допомогою векторних діаграм, які будуть розглянуті надалі.

Синхронний генератор може працювати з відстаючим або випереджаючим струмом по відношенню до э.д.с., наведеною потоком полюсів, або із струмом, співпадаючим по фазі з э.д.с. .

Мал. . Реакція якоря. а — при ψ = 0; би — при ψ =; у — при ψ = — .

Розглянемо реакцію якоря при струмі, співпадаючому по фазі з э.д.с. На мал. 4- 12, а1 зображені вектори струму, э.д.с. і потоку полюсів .

Кут між і, який означатимемо через ψ, дорівнює нулю. Тут під э.д.с. розуміється

116

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

та э.д.с., яка наводиться в обмотці якоря потоком полюсів (потоком повітряного проміжку) при холостому ході. На мал. 4-12, а2 показані полюсы машини і її статор з однією фазою, причому фаза тут замінена однією котушкою. Наданому положенні фази відносно полюсів наведена в ній э.д.с. буде максимальною, оскільки потік полюсів, що пронизує котушку в даний момент часу, проходить через нульове значення. Струм у фазі при j = 0 буде також максимальним. Раніше з розгляду створеною трифазною обмоткою н.с., що обертається, було встановлено, що її вісь (її амплітуда) співпадає з віссю тієї фази, струм якої має максимальне значення (см § 3-4, б). Отже, вісь н.с. співпадає з віссю котушки, показаної на мал. 4-12, а2.

На цьому малюнку показані індукційні лінії поля, створеного обмоткою якоря. Їх напрям знайдений за правилом буравчика відповідно до напряму наведеного струму, який визначений за правилом правої руки. На мал. 4-12, а2 видно, що поле якоря по відношенню до осі полюсів є поперечним. Сила якоря, що намагнічує, послаблятиме поле на набігаючій половині полюса і посилюватиме його на збігаючій половині полюса.

Таким чином, приходимо до наступних висновків: в генераторі при відстаючому струмі реакція якоря буде такою, що розмагнічує, а при випереджаючому струмі — що намагнічує.

Розглянувши реакцію якоря з якісного боку, спочатку з'ясуємо, які поля матимуть місце в машині при її навантаженні і що є внутрішніми падіннями напруги в обмотці якоря. Після цього перейдемо до розгляду векторних діаграм.

При холостому ході поле в машині створюється, як вже відзначалося, тільки обмоткою збудження. Велика частина індукційних ліній цього поля проходить по головному магнітному ланцюгу машини (повітряний проміжок, зубцевий шар і ярмо статора, полюсы і ярмо ротора). Цю частину поля можна по аналогії з трансформатором назвати основним полем або полем взаємної, індукції. Йому відповідає потік в повітряному проміжку або потік полюсів Ф0. Потік полюсів і наведену їм э.д.с. ми зображували тимчасовими векторами Ф0 і Е0 (мал. 4-12, а1, б1, в1).

Аналогію між трансформатором і синхронною машиною можна розповсюдити і на роботу машини з навантаженням, оскільки в цьому випадку поле створюватиметься спільною дією н.с. обмоток збудження і якоря. Обоє ці н.с. і створюване ними поле, незмінні в часі, але що обертаються в просторі, будуть еквівалентні відповідним н.с. і полю, змінним в часі, але нерухомим відносно обмотки якоря. Тому можна вважати, що просторове зрушення між осями н.с., рівний куту 90 + ψ (мал. 4-13), відповідає такому ж зрушенню по фазі (у часі) цих н.с.

Синхронна машина, працююча з постійним струмом збудження, аналогічна трансформатору послідовного включення (трансформатору струму), працюючому з постійним первинним струмом.

Характеристики генератора

117

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

При дослідженні синхронних генераторів, так само як і при дослідженні інших електричних машин, звертаються до їх характеристик, т. е. до кривих, що визначають залежності між величинами, що характеризують робочі режими машини.

Зазвичай синхронні генератори працюють з постійною частотою обертання, що обумовлено необхідністю підтримувати постійною частоту струму. Тому надалі ми розглядатимемо характеристики, які виходять при постійній частоті обертання.

Однією з найважливіших характеристик є розглянута раніше характеристика холостого ходу. Вона впливає на форму майже усіх інших кривих синхронної машини, що характеризують її роботу при навантаженні.

Характеристики генератора можуть бути зняті досвідченим шляхом. Їх також можна побудувати на підставі основного рівняння роботи генератора або характеристиці холостого ходу і параметрам машини, отриманим розрахунковим або досвідченим шляхом. Така побудова дозволяє виявити вплив різних параметрів машини на її характеристики. Воно буде показано надалі. Одночасно з цим будуть розглянуті способи досвідченого визначення параметрів машини.

а) характеристики короткого замикання б) індукційна характеристика навантаження в) регулювальні характеристики г) зовнішні характеристики

U=Е- IаRа

Характеристика короткого замикання.

Характеристика короткого замикання Iк = f(Iв) при U = 0 = const представлена

на

Мал. . Характеристика короткого замикання.

Тут мається на увазі струм короткого замикання Iк, т. е, що встановився. струм, значення якого тривало тримається постійним.

б) Індукційна характеристика навантаження.

З характеристик навантажень, що є залежностями U = f(Iв) при I = const і cos φ = const, практичне значення має лише характеристика навантаження при cosφ = 0. Її називатимемо індукційною характеристикою навантаження. Вона може бути знята при використанні як навантаження іншої синхронної машини, включеної на паралельну роботу з випробовуваною (см § 4-7).

Якщо характеристика знімається досвідченим шляхом при навантаженні генера-

118

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

тора на реактивну котушку, то cos φ, очевидно, не можна встановити рівним нулю. Проте досвід показує, що при знятті даної характеристики досить встановити cos φ 0,2. Тому при випробуванні генераторів невеликої потужності як навантаження іноді використовуються реактивні котушки зі змінною індуктивністю, що мають відносно невеликі втрати.

Регулювальні характеристики.

Регулювальні характеристики Iв = f(I) при U = const і cosφ = const представлені

Мал. Регулювальні характеристики. Мал. Зовнішні характеристики.

Вони показують, як треба змінювати збудження, щоб при зміні струму навантаження і збереженні соs φ = const напруга на затисках генератора залишалася постійною.

Регулювальні характеристики можуть бути зняті досвідченим шляхом або знайдені за допомогою векторних діаграм, якщо відомі характеристика холостого ходу і параметри : xσ, xd («ненасичене» значення), xq. У останньому випадку доводиться будувати ряд діаграм для різних значень струму I при одних і тих же заданих напрузі

U і cos φ.

г) Зовнішні характеристики.

Зовнішні характеристики U = f(I) при Iв = const і cosj = const представлені на мал. Їх зазвичай знімають встановивши при I = Iн такий струм збудження Iв, щоб при заданому cos φ отримати U = Uн. За характеристиками можуть бути знайдені процентні значення зміни напруги під час переходу генератора від навантаження до холостого ходу.

Втрати, ККД

У синхронному двигуні, як і у будь-якій електричній машині, перетворення електричної енергії в механічну супроводжується втратами.

Втрати і ККД. Втрати розділяються на основні і додаткові. Основні втрати синхронного двигуна складаються з магнітних і електричних втрат в статорі, втрат на збудження і механічні. Магнітні втрати в сердечнику статора Рм1, електричні втрати в обмотці статора Рэ1, додаткові втрати Рдоб і ККД визначають, також як і для осин-

хронных двигунів (см§ 3.4), по (3.16), (3.21) і (3.24).

Втрати на збудження, Вт

де rB -активное опір обмотки збудження, приведений до робочої температури, Ом; Uщ=2В - подение напруга в щитках ланцюга збудження.

Механічні втрати Рмех складаються з втрат на терние в підшипниках і контактних кільцях і втрат на вентиляцію.

Сумарні втрати в синхронному двигуні, Вт

119

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

Коефіцієнт корисної дії синхронного двигуна залежить від навантаження на валу Р2 і коефіцієнта потужності cosφ1. Для синхронних двигунів потужністю до 100 кВт ККД при номінальному навантаженні складає 80-90%.

Контрольні питання

11.Коли виникає подовжня реакція якоря, що намагнічує? 12.Коли виникає подовжня розмагнічуюча реакція якоря? 13.Коли виникає поперечна реакція якоря?

14.Перерахуйте характеристики синхронного генератора і на чиї характеристики вони схожі?

15.Які втрати енергії є присутніми в синхронному генераторі?

16.Від яких величин залежить ЭДС синхронного генератора?

17.Поясніть характеристику холостого ходу і короткого замикання.

18.Поясніть характеристику навантаження.

19.Поясніть регулювальну характеристику при різних видах навантаження.

20.Поясніть зовнішню характеристику при різних видах навантаження.

120

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com