8.1.1. Внезапная нагрузка сг.

Допустим СГ подключен к сети и работает ненагруженным. Увеличим момент на валу приводного двигателя до величины М1. Вследствие вращающихся масс в первый момент скорость генератора не изменится, не изменится угол Teta и мощность отдаваемая генератором в сеть.

Однако под действием избыточного момента ротор СГ приобретет ускорение равное a=J dW/dt, где J момент инерции системы приводной двигатель - СГ.

Под действием этого ускорения ротор СГ начнет обгонять вращающееся магнитное поле статора, создавая угол нагрузки Teta и мощность, отдаваемую СГ в сеть. При достижении угла 1 , соответствующего моменту М1 ротор не прекратит обгон поля статора, а под действием сил инерции буде продолжать его обгонять.

В результате этого создастся угол нагрузки >1 и момент М>M1, который начнет тормозить ротор и уменьшать угол.

Достигнув угла 1, ротор опять не остановится в своем торможении, а будет уменьшать уголдо появления момента М<M1.

Иными словами возникнут колебания ротора, относительно среднего значения угла 1.

Если бы эти колебания не сопровождались потерями энергии, то они были бы незатухающими.

При равномерном вращении ротора синхронно с полем в сердечнике ротора и в пусковой короткозамкнутой обмотке не индуцируются ЭДС.

Однако при отличии в скорости ротора и магнитного поля в сердечнике ротора и в успокоительной обмотке будут индуцироваться ЭДС, вызывающие токи, а, следовательно, потери в сердечнике и в успокоительной обмотке. Эти потери вызовут "успокаивающее" действие на ротор и затухание возникших колебаний.

Демпфирование возникших колебаний ротора, является одной из назначений успокоительной или демпферной обмотки на роторе СМ.

Частота возникших колебаний называется собственной.

Аналогичные колебания при изменении нагрузки возникают и в СД.

Возникновение колебаний ротора при изменении нагрузки характерная черта СМ.

ЭМ.СM. 8.2. 12.01.2001. СМ.1.34а. 12.10.98.

8.1.2. Трехфазное короткое замыкание сг.

При изучении этого режима работы СГ пренебрегают активными сопротивлениями обмоток статора и ротора, т.е. считают из сверхпроводными.

При таком допущении dΨ/dt = i*r = 0 , т.е. Ψ = const.

Положим :

Ψ = Ψ внеш + I *L = const

где:

Ψ внеш - потокосцепление, обусловленное внешними причинами;

I* L - потокосцепление, обусловленное самоиндукцией.

Потокосцепление сверхпроводящей электрической цепи остается постоянным.

Будем считать, что предварительно СГ работал в режиме ХХ,

т.е. в нем действовал один магнитный поток обмотки возбуждения Фfo, в которой проходил ток Ifo.

При К.З. появятся свободный или апериодический ток якоря и принужденный или периодический ток якоря.

Постоянство потокосцепления фаз якоря после начала КЗ обеспечивается апериодической составляющей тока якоря.

Апериодическая составляющая якоря создает поток Фап неподвижный в пространстве, который при вращении ротора пересекает успокоительную обмотку и обмотку возбуждения наводя в них ЭДС.

При этом в обмотке возбуждения и успокоительной обмотке будут индуцироваться дополнительные токи idf и idu, которые по правилу Ленца будут препятствовать изменению результирующего потока. Эти токи создадут свои магнитные потоки Фdf и Фdu т.е. свои потокосцепления.

Поэтому ля сохранения постоянства суммарного потокосцепления якоря в его фазах должны возникнуть периодические токи, которые создадут магнитный поток вращающийся синхронно с ротором и направленный навстречу Фf.

Периодическая составляющая тока якоря создаст вращающийся магнитный поток Фаd, неподвижный относительно ротора и направленный навстречу потока возбуждения Фfo.

По своей природе периодические токи являются такими же токами как токи короткого замыкания в установившемся режиме работы СГ.

Таким образом, при внезапном КЗ во всех обмотках машины возникают апериодические и периодические токи. Вследствие вращения ротора в процессе взаимоиндукции с друг другом связаны:

1. Апериодические токи статора и периодические токи ротора.

2. Периодические токи статора и апериодические токи ротора.

В результате действия этих токов в первый момент поток статора значительно уменьшится до значения Фad" < Фad. Соответственно уменьшится и индуктивные сопротивление Xd" < Xd и Xq" < Xq. Поэтому в начальный момент переходного процесса, называемый сверхпереходным, мгновенное значение тока КЗ имеет наибольшую величину и называется ударным током КЗ.

Рассмотрим периодическую и апериодическую составляющую ток КЗ.

ЭМ.СM. 8.3. 12.01.2001. СМ.1.35.

1.Периодическая составляющая.

Ikuп = Eom / Xd"

Схема замещения СГ для этого случая:

Рис. СМ. 8.1.

Обмотка возбуждения и успокоительная обмотка все - таки имеют активное сопротивление и поэтому токи в этих обмотках будут затухать.

Однако этот процесс в этих обмотках будет происходить неодинаково.

Т.к. успокоительная обмотка имеет постоянную времени меньше чем обмотка возбуждения Tu = Xu / Ru < Tf = Xf/Rf то к моменту когда ток в успокоительной обмотке уменьшится практически до нуля, дополнительный ток в обмотке возбуждения еще будет иметь некоторую величину.

При этом часть магнитного потока реакции якоря будет проходить через ротор, отчего его значение возрастет с Фad" до Фad' ( Фad" < Фad'). Соответственно возрастет индуктивное сопротивление статора по продольной оси достигнув значения Xd'>Xd", называемого переходным индуктивным сопротивлением. При этом тока внезапного короткого замыкания уменьшится до величины:

Ik' = Eom / Xd'

Схема замещения СГ для этого случая:

Рис. СМ. 8.2.

Через некоторое время уменьшится до нуля и добавочный ток в обмотке возбуждения idf. При этом поток статора будет замыкаться полностью через ротор и его значение Фad станет больше Фad > Фad'.

ЭМ.СM. 8.4. 12.01.2001.

Соответственно возрастет и индуктивное сопротивление статора, достигнув значения Xd > Xd', а ток короткого замыкания снизится до :

Iko = Eom / Xd

Схема замещения СГ для этого случая:

Рис. СМ. 8.3.

В результате в генераторе установится результирующий магнитный поток Фk = Фf - Фad.

Апериодическая составляющая.

Апериодический ток является свободным, не поддерживается внешней ЭДС и поэтому затухает полностью до 0.

Апериодический ток якоря неподвижен относительно якоря и поэтому его ось совпадает то с осью d то с осью q.

Поперечное сверхпереходное сопротивление:

Схема замещения СГ для этого случая:

Рис. СМ. 8.4.

Апериодический поток якоря неподвижен в пространстве и поэтому его ось совпадает то с осью d то с осью q и сверхпереходный ток КЗ пульсирует с двойной частотой от

Ikuаd = Eom / Xd"

до

Ikuаq = Eom / Xq"

ЭМ.СM. 8.5. 12.01.2001.

После затухания тока в успокоительной обмотке схема замещения СГ по поперечной оси и поперечное индуктивное сопротивление обмотки якоря:

Рис. СМ. 8.5.

Апериодический поток якоря неподвижен в пространстве и поэтому его ось совпадает то с осью d то с остью q и переходный ток КЗ также пульсирует с двойной частотой от

Ikuаd' = Eom / Xd'

до

Ikuаq' = Eom / Xq'

Установившийся ток КЗ апериодической составляющей равен 0.

Полный ударный ток КЗ .

Полный ударный ток КЗ равен сумме периодической и апериодической составляющих:

Iуд = Iкуп + Iкуа = Iкуп + Iкуаd = 2 Em / Xd"

В действительности за полпериода, когда амплитуды этих токов совпадут токи несколько затухнут и ГОСТ 183-84 дает следующее выражение ля расчета ударного тока КЗ:

Iуд = 1.05 * 1.8 v 2 Uн / Xd"

Где 1.05 допустимое при работе СГ повышение напряжения.

Например, при Xd"* = 0.1 , Iуд* = 18.9.

ЭМ.СM. 8.6. 12.01.2001. СМ.1.36.

Таким образом, при внезапном трехфазном коротком замыкании происходит постепенное затухание тока КЗ. Если, например, пик тока при внезапном коротком замыкании достигает 15 - кратного значения, то установившийся ток короткого замыкания достигает 1.5 -кратного значения для турбогенераторов и 2.5 - кратного значения для гидрогенераторов при токе возбуждения, соответствующем номинальной нагрузке.

Причина столь малого тока КЗ при установившемся значении состоит в том, что генератор размагничивается полем реакции якоря.

Ударный ток КЗ создает значительные электромагнитные силы, действующие на обмотку статора. Особую опасность эти силы представляют для лобовых частей обмотки гидрогенераторов, где они имеют значительный вылет.

С точки зрения уменьшения ударного тока КЗ полезным является увеличение индуктивности рассеивания Xc , но не следует забывать о последствиях этого увеличения - росте внутреннего падения напряжения.

Добавочные материалы.

Шаговые двигатели или импульсные двигатели используются в электроприводах с программным управлением.

Они могут быть как с активным, так и с реактивным ротором.

Существует большое количество различных конструкция и схем шаговых двигателей.

Обмотки шаговых двигателей обычно располагают на статоре.

Рассмотрим работу шагового двигателя с шестью полюсами на статоре и двумя на роторе.

При включении обмоток полюсов 1 - 1' полюса ротора располагается по оси этих полюсов.

При включении обмоток полюсов 1 - 1' и 2 - 2' полюса ротора расположатся посредине этих полюсов, т.е. повернется на 30 гр.

При включении обмоток полюсов 2 - 2' полюса ротора располагается по оси этих полюсов, т.е. повернется на 60 гр.

При включении обмоток полюсов 2 - 2' и 3 - 3' полюса ротора расположатся посредине этих полюсов, т.е. повернется на 90 гр.

При включении обмоток полюсов 3 - 3' полюса ротора располагается по оси этих полюсов, т.е. повернется на 90 гр.

Схема коммутации такого двигателя 1 - 12 - 2 - 23 - 3 - 31...и называется раздельно-совместной и имеет шаг 30 гр.

Если в этом двигателе применить коммутацию раздельную коммутацию 1 - 2 - 3 - 1 - 2 - 3..., то шаг будет 60 гр.

Шаг коммутации определяется из выражения:

Ak= 360/( 2 p m k )

где: р - число полюсов ротора;

m - число фаз управления;

К - коэффициент зависящий от вида коммутации, при раздельно-совместной коммутации К=2, при раздельной К=1.

Работать шаговые двигатели могут от одно или двух полярных импульсов.

Один из важнейших характеристик шаговых двигателей является частота приемистости - максимальная частота, при которой ротор способен втягиваться в синхронизм при трогании с места. Эта частота при номинальной нагрузке составляет 1000-1500 Гц.

Ротор шагового двигателя, следуя за потоком будет в некоторые моменты отставать от него на некоторый угол, называемый углом статической ошибки.

Так как для того чтобы определить какую из обмоток двигателя необходимо включать в момент коммутации необходимо знать положение ротора в пространстве. Для определения этого положения применяются датчик положения, который и управляет коммутацией обмоток, подавая сигналы на коммутирующие устройства.

Введение.

Электрические машины.

1. Общие положения.

Все электрические машины представляют собой магнитные цепи разной сложности и с разными особенностями. К этим особенностям относятся:

1. Нелинейность магнитной характеристики системы, вызванная насыщением.

2. Несинусоидальное распределение индукции по сечению цепи приводящее к появлению несинусоидальных напряжений и токов.

3. Распределенные в пространстве обмотки.

4. Укороченные или удлиненные шаги обмоток.

5. Скосы пазов.

6. Многообмоточные системы.

7. Подвижные системы.

Как известно расчет любой магнитной цепи сводится к расчету эквивалентной электрической цепи. Расчет магнитной цепи электрической машины не исключение.

Расчет такой сложной цепи, возможно провести как пространственную задачу, решением систем алгебраических или дифференциальных уравнений.

Но такой путь очень сложен.

Для упрощения расчета схему магнитной цепи значительно упрощают, а отличие реальной схемы от принятой учитывают введением поправочных коэффициентов. В частности:

1. Нелинейность магнитной характеристики системы, вызванную насыщением учитывают введением различных эмпирических коэффициентов насыщения.

2. Не синусоидальность распределения индукции по сечению цепи приводящее к появлению несинусоидальных напряжений и токов учитывают разложением кривых индукции, напряжение и токов в ряд Фурье и расчетом двигателя для основной гармоники поля с учетом высших гармонических различными эмпирическими коэффициентами.

3. Распределенные в пространстве обмотки введением коэффициента распределения.

4. Укороченные или удлиненные шаги обмоток введением коэффициента укорочения.

5. Скосы пазов, введением коэффициента скоса.

6. Многообмоточные системы введением взаимных индуктивностей.

7. Подвижные системы введением ЭДС вращения и т.д.

Зная рассчитываемую конструкцию электрической машины легко

можно определить какие поправочные коэффициенты необходимо вводить в те или иные расчеты.