Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Zagryadtskiy_elektr_mashiny_3

.pdf
Скачиваний:
63
Добавлен:
12.03.2016
Размер:
2.91 Mб
Скачать

Регулирование тока возбуждения компенсаторов, например мощностью 100 МВ·А, осуществляется от двух бесщеточных возбудителей. Один обеспечивает положительное возбуждение, а другой − отрицательное. Возбудитель отрицательного возбуждения питает дополнительную обмотку возбуждения, расположенную на полюсах ротора. Бесщеточные возбудители представляют собой обращенные трехфазные синхронные генераторы и блоки вращающихся диодных выпрямителей. В настоящее время выпускаются синхронные компенсаторы мощностью 2.8…25 МВ·А, частотой вращения 1000 мин1 и напряжением 6,3 и 10,5 кВ с воздушным охлаждением и синхронные компенсаторы мощностью 50…160 МВ·А, частотой вращения 750 мин1 , напряжением 11 кВ с водородным охлаждением. Пуск компенсаторов – асинхронный при напряжении на выводах машины не более 0,6 номинального напряжения, но в необходимых случаях используется пуск через реактор.

Вопросы для самоконтроля

1.Какие достоинства и недостатки синхронных двигателей Вы знаете?

2.К каким последствиям приводит регулирование тока возбуждения синхронного двигателя при неизменной нагрузке?

3.В чем разница между значениями электромагнитных моментов синхронного и асинхронного двигателей, присоединенных к одной и той же сети?

4.Почему в начале пуска синхронного двигателя необходимо замыкать обмотку возбуждения на разрядное сопротивление?

5.Чем определяется среднее значение пускового момента у синхронного двигателя без пусковой обмотки?

6.Для чего на роторе синхронного двигателя выполняется короткозамкнутая обмотка?

7.Перечислите достоинства и недостатки синхронного двигате-

ля.

8.Расскажите принцип действия синхронного двигателя.

9.В чем отличие пуска синхронного двигателя от пуска асинхронного двигателя?

10.Какие задачи решает система возбуждения синхронного двигателя?

11.В каких областях техники применяются синхронные двигате-

ли?

90

12.Объясните возникновение вращающегося момента синхронного двигателя.

13.Каковы энергетические показатели синхронного двигателя? Какие виды ЭДС индуктируются в синхронных двигателях?

14.Может ли явнополюсный синхронный двигатель работать без возбуждения на роторе?

15.Какого типа синхронные двигатели применяются в схемах автоматики?

16.В чем заключаются особенности пуска двигателя с постоянными магнитами?

17.Какие преимущества и недостатки имеют реактивные и гистерезисные двигатели?

18.В результате чего возникает гистерезисный момент?

19.Почему реактивные двигатели имеют низкий коэффициент мощности?

20.Как предохранить постоянный магнит ротора от размагничивающего действия при пуске двигателя с возбуждением от постоянных магнитов?

21.Для чего служит синхронный компенсатор? В чем особенности его эксплуатации по сравнению с синхронным двигателем?

91

2. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

2.1.Общие сведения о машинах постоянного тока. Режимы работы

В промышленности нашли широкое применение машины постоянного тока. Это продиктовано их лучшими эксплуатационными характеристиками в отношении регулирования частоты вращения, пуска, изменения направления вращения, а также более высокой степени перегрузки, чем машины переменного тока.

Машины постоянного тока характеризуются большим разнообразием мощностей, частот вращения, напряжения, а также различных конструктивных исполнений в зависимости от условий их установки.

Машины постоянного тока изготовляются на мощности от долей ватта, например, для детских игрушек, до 12000 кВт (прокатные станы). Номинальное напряжение крупных машин обычно не превышает значения 1500 В. Частота вращения якоря варьируется в широких пределах от нескольких оборотов в минуту до нескольких тысяч оборотов.

Отличительной особенностью машины постоянного тока является наличие механического коммутатора (выпрямителя) – коллектора. Он осложняет условия работы машины и увеличивает ее стоимость, но опыт эксплуатации в самых тяжелых условиях показал, что правильно спроектированная и качественно изготовленная машина постоянного тока является не менее надежной, чем более простые по конструкции машины переменного тока.

Машины постоянного тока могут работать генераторами и двигателями.

Генератор постоянного тока является источником постоянного тока. В нем осуществляется преобразование механической энергии в электрическую энергию. Якорь генератора приводится во вращение двигателем, в качестве которого могут служить электрический, дизельный, бензиновый, гидравлический, механический, ветряной и т.д.

Генераторы постоянного тока находят широкое применение в тех отраслях промышленности, где по условиям производства необходим или предпочтителен постоянный ток (в металлургической и электролизной промышленности, в энергетике, на транспорте, в автономных установках и др.).

92

Вдвигателе происходит преобразование электрической энергии

вмеханическую энергию. Двигатели приводят во вращение разнообразные исполнительные механизмы. Общепромышленные двигатели постоянного тока, как правило, применяются для регулируемого электропривода. Двигатели постоянного тока специального назначения выпускаются для электротяги, экскаваторов, металлургического оборудования, шахтных подъемников, буровых установок, морских и речных судов и т.д.

Генераторы-двигатели могут попеременно работать как в генераторном, так и в двигательном режимах. В генераторном режиме они вырабатывают электрическую энергию, в двигательном режиме – служат для запуска различных механических устройств. К таким электрическим машинам можно отнести стартер-генераторы, тяговые генераторы и т.д.

2.2.Устройство и принцип действия машины постоянного тока

Устройство машины постоянного тока. На рис. 2.1 приведено устройство машины постоянного тока.

Станина. Станина 1 − формообразующая часть машины постоянного тока. Она выполняется из цельнотянутых стальных труб или толстолистового стального проката (иногда чугуна) с большой магнитной проницаемостью.

Она играет роль не только магнитопровода, по которому замыкается неизменный во времени

ипространстве поток возбуждения машины, но

иконструктивного элемента с высокой механической прочностью. На внутренней поверхности станины размещены основные и добавочные полюсы. В машинах малой

и средней мощности

Рис. 2.1. Устройство машины постоянного тока

93

к цилиндрической станине с торцов крепятся подшипниковые щиты с подшипниками. Станина крепится к фундаменту при помощи лап.

Главные полюсы. Предназначены как для создания и проведения магнитного потока, так и для размещения на них катушек обмотки возбуждения. Конструкция главных полюсов 2 предполагает наличие полюсных наконечников. Их назначение – создание в воздушном зазоре машины постоянного тока магнитного поля, распределение которого приближается к синусоидальному распределению. Сердечники полюсов для уменьшения потерь на вихревые токи набирается в виде пакета из листовой электротехнической стали толщиной 1…2 мм и стягивается стальными шпильками. Главные полюса привинчиваются к станине болтами.

Линия, проходящая через середины полюсов, называется осью полюсов.

Дополнительные полюсы. Служат для создания поперечного магнитного потока и предназначены для улучшения работы узла щетки

– коллектор (уменьшения искрения). Дополнительные полюсы имеют стальные сердечники из литой стали и расположенные на них катушки, составляющие обмотку. Обмотка добавочных полюсов включается последовательно с обмоткой якоря.

Дополнительные полюсы располагаются симметрично между главными полюсами и также привинчиваются к станине болтами.

Обмотка возбуждения. Обмотка 3 выполняется в виде катушек и располагается на главных полюсах, катушки соединены между собой так, чтобы соблюдалось чередование полюсов. Обмотка возбуждения создает МДС, под действием которого образуется поток возбуждения.

Подшипниковые щиты. Машина постоянного тока имеет два подшипниковых щита: передний 4 со стороны коллектора и задний 5 с противоположной стороны. Они предназначены для размещения подшипниковых узлов, в которых базируется вал машины. В машинах малой и средней мощности применяются шариковые или роликовые подшипники качения, в мощных машинах подшипники скольжения иногда выносятся на отдельные стояки, а щиты отсутствуют.

Щеточный аппарат 6 состоит из щеток и щеткодержателей. Щетки − часть электрической цепи, осуществляющей электриче-

ский контакт с коллектором. Щетки служат для подвода энергии из питающей сети в режиме двигателя и отбора энергии от генератора.

94

Щеткодержатели. Щеткодержатели представляют собой обоймы, которые служат для крепления щеток. Они закреплены на щеточных пальцах, которые в свою очередь фиксированы относительно щеточной траверзы. Траверза прикрепляется к заднему щиту. В щеткодержателях размещаются щетки. Щетки прижимаются к коллектору при помощи пружин, и коллектор скользит относительно их.

Станина с перечисленными элементами конструкции представляет статор машины постоянного тока.

Якорь (ротор) 7 состоит из сердечника, обмотки якоря, коллектора и вала.

Сердечник якоря. Сердечник якоря представляет собой цилиндрический барабан, является участком магнитопровода и служит для размещения на нем обмотки якоря, для чего на поверхности сердечника устраиваются продольные пазы. Якорь набирается из отдельных штампованных листов толщиной 0,35…0,5 мм электротехнической стали (для уменьшения магнитных потерь в сердечнике), которые затем стягиваются двумя нажимными шайбами. Крепится сердечник на валу при помощи шпонки.

Обмотка якоря. Обмотка якоря состоит из отдельных секций (катушек). Обмотка располагается в пазах якоря. Она предназначена для образования ЭДС в проводниках обмотки якоря. Крепление обмотки к якорю осуществляется в пазах клиньями, а лобовых частей − стальными проволочными бандажами 11. Выводные концы секций выводятся к коллекторным пластинам и впаиваются в прорези коллекторных пластин.

Коллектор. Коллектор 8 – часть машины, контактирующая со щетками. Коллектор в генераторе служит выпрямительным устройством, т.е. преобразует переменный ток в постоянный. Коллектор

вдвигателе является инверторным устройством, при этом он преобразует постоянный ток в переменный ток. Коллектор представляет собой цилиндр, состоящий из клинообразных медных пластин (ламелей), которые изолируются между собой и от цилиндрической втулки, на которой они смонтированы. Пластины удерживаются в сжатом состоянии металлическими нажимными конусами, или запрессовкой

впластмассу.

Вал якоря. Якорь машины постоянного тока насажен на вал 9, который в свою очередь базируется в подшипниках 10.

95

Рис. 2.2. Схема, иллюстрирующая возникновение ЭДС в сторонах витка генератора

Клеммная коробка. Она устанавливается на станине машины и служит местом для присоединения обмоток машины к электрической сети. Конструктивно устройство двигателей и генераторов совершенно одинаковое.

Лапы 12 предназначены для крепления машины к фундаменту. Вентилятор 13 служит для охлаждения машины.

Принцип действия гене-

ратора. Рассмотрим принцип действия генератора постоянного тока. Он основан на явлении электромагнитной индукции.

На рис. 2.2 приведена схема простейшей обмотки (витка). Обозначим активные стороны витка АБ и СД. К стороне АБ присоединено одно полукольцо, к стороне СД – другое полукольцо. Оба полукольца изолированы друг от

друга. Полукольца представляют собой простейший коллектор. На полукольцах посредине, по вертикали (по оси полюсов), установлены щетки а и в. Если виток АБСД поместить в магнитном поле с магнитной индукцией B (северный плюс наверху, южный полюс внизу) и привести во вращение с частотой вращения n , то в сторонах АБ

и СД по закону электромагнитной индукции наводится

ЭДС враще-

ния е

 

е= BLv,

(

где В− индукция магнитного поля;

2.1)

 

L − длина сторон АВ и СД витка;

 

v − линейная скорость, v =πDn 60.

 

Направление наведенной ЭДС в сторонах витка основано на применении правила правой руки: магнитные силовые линии должны войти в ладонь, отведенный в сторону большой палец указывает направление вращения, вытянутые пальцы – направление ЭДС

96

(рис. 2.2). Если замкнуть виток через сопротивление, то направление тока, создаваемого ЭДС, совпадает с направлением ЭДС.

Предположим, что индукция В распределена в пространстве по синусоидальному закону. Рассмотрим наведение ЭДС в одной сто-

роне витка, например, провод-

 

ника

АБ. При

заданном

 

направлении поворота провод-

 

ника (начало отсчета углов ве-

 

дется от воображаемой гори-

 

зонтальной линии, проведен-

 

ной через середину междупо-

 

люсного промежутка и отде-

Рис. 2.3. Форма ЭДС при повороте витка:

ляющей

северный

полюс

от

южного

полюса) на 360˚,

он

в сторонах витка (а) и на щетках (б)

 

два раза пересечет магнитное поле полюсов. Максимальное значение ЭДС в этом случае будет иметь место при углах π2 и 3π / 2, а форма кри-

вой ЭДС при синусоидальной индукции будет изменяться по синусоидальному закону (рис. 2.3, а). ЭДС витка будет равняться удвоенной величине ЭДС проводника. Из сказанного следует, что внутри машины до щеток ЭДС является переменной. Ее частота, измеряемая в Гц, равна

f1

=

pn

,

(

60

2.2)

 

 

 

где n − частота вращения, мин1; р – число пар полюсов.

Форма ЭДС на щетках при повороте проводника АБ от 0˚ до 180˚ имеет вид полуволны (рис. 2.3, б). При дальнейшем повороте проводника АБ его место занимает другая сторона витка СД. При этом щетки а и в сохраняют свою полярность неизменной, так как полукольца также поменялись местами, и щетка а попрежнему имеет контакт с коллекторной пластиной проводника, расположенного под северным полюсом. Напряжение остается неизменным по направлению, хотя и переменным по величине, т.е. изменяется от U = 0 до значения U =U макс. Следовательно, ток во внешней цепи будет течь

в одном направлении, а именно от точки а к точке в. Коллектор вместе со скользящими по его поверхности щетками является выпрямителем.

97

Величину пульсаций напряжения на коллекторе можно уменьшить и приблизить напряжение к напряжению с минимальными пульсациями в случае увеличения числа витков и соответствующего увеличения числа коллекторных пластин. Рассмотренный способ получения ЭДС лежит в основе принципа работы генератора, преобразующего механическую энергию в электрическую энергию.

Принцип действия двигателя. Приложим к щеткам а и в напряжение указанной на рис. 2.4 полярности. При этом в обмотке будет протекать ток i . Если на обмотку воздействует магнитное поле с магнитной индукцией B, то на ее стороны АБ и СД действует электромагнитная сила

f = BiL.

(

 

2.3)

Направление силы, действующей на сторону АБ витка, определяются по правилу левой руки: необходимо ладонь расположить так, чтобы магнитные силовые линии в нее входили, вытянутые пальцы показывали направление тока в стороне рамки, тогда отведенный в сторону большой палец будет указывать направление силы. Под действием силы, действующей на проводник, возникает электромагнитный момент,

Мэм = f

D

,

(

2

2.4)

 

 

где D – расстояние между сторонами рамки.

Такой же момент действует и на проводник СД. Под действием моментов, обмотка вместе с якорем приходит во вращение и перемещается вправо. Следовательно, элементарная машина при данных условиях работает в двигательном режиме, преобразую подводимую к ней электрическую мощность в механическую мощ-

ность.

При вращении виток пересекает магнитные силовые линии и в его сторонах индуктируется ЭДС. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки. Из рис. 2.4 следует, что направ-

Рис. 2.4. Схема, иллюстрирующая момент силы в сторонах витка двигателя

Рис. 2.6. Пазы якоря, содержащие один элементарный паз (а); два элементарных паза (б); три элементарных паза (в)
Рис. 2.5. Расположение витка (секции) в пазах

ление ЭДС противоположно направлению протекающего в сторонах АБ и СД тока и противоположно приложенному к щеткам напряжению. Поэтому эта ЭДС получила название противо-ЭДС.

Вопросы для самоконтроля

1.Расскажите, как устроена машина постоянного тока.

2.Объясните устройство простейшего механического коллектора.

3.Объясните принцип действия генератора постоянного тока.

4.Объясните принцип действия двигателя постоянного тока.

5.Какая ЭДС наводится в якоре генератора и двигателя постоянного тока?

6.В каких случаях применяются правила левой и правой руки?

2.3.Обмотки якоря машины постоянного тока

2.3.1. Образование обмотки якоря

Обмотка якоря машины постоянного тока имеет некоторое сходство с обмотками машин переменного тока. Она, как и обмотка переменного тока, укладывается в пазы, но в отличие от обмотки переменного тока ее катушки соединены с коллектором. Основным элеэлементом обмотки якоря является виток, т.е.

два последовательно соединенных проводника, расположенных в двух отстоящих на расстоянии полюсного деления (или незначительно отличающегося от полюсного деления) пазах (рис. 2.5). Виток укладывается в пазы так, чтобы левая его часть лежала в верхней части одного паза,

а правая – в нижней части другого паза. Несколько последовательно соединенных изолированных друг от друга и от стенок паза витков образуют секцию.

Несколько секций образуют катушку. Выводы секций соединяются определенным образом с коллекторными пластинами и образуют об-

99

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]