книги / Электропитание устройств связи
..pdfВыражение для электромагнитной мощности машины с явно выраженными полюсами имеет следующий вид [2J:
n |
mU |
• ь |
* mU* [ 1 |
1 \ |
• лд |
Рхh = |
------Xd |
£ 0sin 0 4 |
------------------------- 2 \ x q |
sin 20. |
|
|
|
XdJ |
|
Второе слагаемое в выражении для электромагнитной мощно сти появляется за счет различия магнитных сопротивлений по про дольной й поперечной осям полюсов. Оно не зависит от Е0 и от
тока возбуждения. Ротор стремится ориентироваться в магнитном поле так, чтобы представлять собой наименьшее магнитное сопро тивление, что создает добавочную мощность, которая тем больше, чем больше неравенство магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям, т. е. чем больше различие между синхронными реактивными сопротивлениями х& и хя.
4.3. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
Для повышения КПД генераторов и первичных двигателей и облегчения резервирования станции на электрических станциях устанавливают несколько синхронных генераторов, предназначен
ных для параллельной работы. В зависимости |
от |
потребляемой |
|||||||||
мощности |
включается |
такое количество |
генераторов, |
чтобы |
на- |
||||||
грузка каждого из них была близка к но |
Ф |
иЧе |
SJ |
10С |
в), |
|
|||||
минальной. |
|
|
|
|
> |
|
|
||||
электрические |
стан |
|
|
|
|
|
|
||||
В свою |
очередь, |
|
|
I |
|
А£ |
|
||||
ции объединяются |
между собой для па |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
о. |
а |
|
||||||
раллельной работы на одну общую энер |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
rdf |
|
|
||||||
госистему, |
позволяющую иаилучшим об |
|
|
|
|
|
|
||||
разом решить задачу производства и рас |
|
|
|
|
|
|
|||||
пределения электрической энергии в тех |
|
% |
|
, |
|
|
|||||
ническом и экономическом отношениях. |
|
|
|
|
|||||||
Положим, что синхронный генератор |
|
|
|
'i'r |
|
|
|||||
Рис. 4 5. Уравнительные |
то |
||||||||||
включен на параллельную работу с сетью |
|||||||||||
бесконечно |
большой |
мощности. |
Такое |
ки при изменении тока воз |
|||||||
буждения |
синхронного |
ге |
|||||||||
предположение дает |
возможность |
при |
|
|
нератора |
|
нять напряжение и частоту тока сети пос тоянными при любых изменениях режима работы генератора, т. е.
Uc = const и /с = |
const. |
|
Пусть при включении генератора в |
сеть |
были выполнены все |
условия для параллельного включения |
(см. § |
12.5), т. е. Ет= — f/c, |
что показано на векторной диаграмме рис. 4.5я.
Следовательно, сумма ЭДС генератора и напряжения сети рав на нулю и ток в обмотке якоря равен нулю, т. е. генератор не на* гружен (холостой ход).
Если увеличить ток возбуждения, то ЭДС (рис. 4.56) будет
больше напряжения сети. Геометрическая сумма &Е= Ег+Ос не
равна нулю, и под действием результирующей ЭДС протекает уравнительный ток /. Ток встречает на своем пути только синхрон-
81
ное реактивное сопротивление генератора хс, так как активным
сопротивлением обмотки якоря за малостью можно пренебречь, а внутреннее сопротивление бесконечно мощной сети равно нулю. Следовательно, уравнительный ток является чисто реактивным и отстает от АЁ на л/2, т. е. / - АЕ1'\хс.
Если уменьшить ток возбуждения, то ЭДС генератора (рис.
4.5б) окажется меньше напряжения сети и вектор АЕ будет сов
падать с вектором напряжения сети. В этом случае уравнительный ток опережает ЭДС генератора на я/2.
Таким образом, изменение тока возбуждения синхронного ге нератора при его параллельной работе с мощной сетью меняет ре активные ток и мощность, но активные мощность и составляющая тока якоря остаются неизменными.
Зависимость тока в обмотках якоря от тока возбуждения, при неизменном напряжении сети и неизменной активной мощности, вырабатываемой генератором имеет вид {/-образной характерис тики. При электромагнитной мощности, равной нулю (Рф =0),
уменьшение тока возбуждения от значения, соответствующего ра
Рис 4.6. [/-образные кривые |
Рис. 4.7. |
Урав |
|
синхронного генератора |
нительные |
токи |
|
|
при |
изменении |
|
|
|
угла |
0 |
венству ET=U C до нуля, вызывает увеличение |
тока |
в обмотках |
якоря от нуля до максимального значения, равного (Uc—Е0ст)1хо
(рис. 4.6). При этом ток якоря носит емкостный характер по отно шению к генератору и индуктивный по отношению к сети.
Увеличение тока возбуждения ог значения, соответствующего равенству Er—Ub, также увеличивает ток якоря. При этом он но
сит индуктивный характер по отношению к генератору и емкост ный по отношению к сети.
Для изменения активной мощности синхронного генератора нужно изменить угол 0, воздействуя на момент первичного двига
теля Пусть генератор включен |
в сеть так, что его ЭДС равна и |
противоположна напряжению |
сети (рис. 4.7а), т. е. Ег= — f/c, |
0= 0. |
|
Если увеличить момент первичного двигателя, то ротор полу чает некоторое ускорение и его поле перемещается относительно
82
результирующего. Силовые линии магнитного поля в воздушном зазоре растягиваются, т. е* растет электромагнитный тормозной
момент ЛЦ. При восстановлении равновесия моментов первичного двигателя и тормозного генератора магнитные поля вновь стано вятся неподвижными друг относительно друга, но сдвигаются на угол 0. Вектор ЭДС обмотки якоря (рис 4.76) опережает началь ное значение на угол + 0 . Геометрическая сумма ЭДС генератора и напряжения сети не равна нулю, т. е. появилась результирующая
ЭДС |
под действием которой |
протекает |
уравнительный ток /, |
|||
отстающий от ЛЕ на я/2. Вектор |
тока |
якоря почти совпадает с |
||||
вектором ЭДС, т. е. машина вырабатывает |
электрическую энер |
|||||
гию (Л|> > 0 ) . |
(4.2) следует, |
что |
при |
постоянном |
значении |
|
Из |
выражения |
|||||
электромагнитной |
мощности Ру = Ру\ > 0 £osin0 также |
неизмен |
но. Поэтому изменение тока возбуждения, при неизменной элект ромагнитной мощности, вырабатываемой генератором, изменяет угол 0. Уменьшение тока возбуждения уменьшает Е0 и угол 0 уве
личивается. Так как устойчивая работа машины возможна лншп при изменении угла 0 от 0 до я/2, то ток возбуждения можно уменьшать до некоторого критического значения /вкр, при котором угол 0 равен я/2. При токе возбуждения, меньшем критического, генератор не может развить нужного электромагнитного момента, который бы уравновесил вращающий момент первичного двигате ля, скорость вращения непрерывно увеличивается, и генератор вы ходит из синхронизма. Увеличение электромагнитной мощности увеличивает критические значения тока возбуждения (рис. 4.6).
При увеличении электромагнитной мощности машины увеличи вается активная составляющая тока якоря, т. е. (/-образные ха рактеристики смещаются вверх, а их минимумы смещаются впра во (рис. 4.6), в область больших токов возбуждения. Это объяс няется тем, что при увеличении нагрузки генератора, т. е. при увеличении тока якоря, увеличиваются потоки якоря и рассеяния. Для создания неизменных фазных сдвигов, соответствующих ми нимуму (/-образной характеристики (coscp=l), в машине нужны неизменные магнитные условия. Поэтому для компенсации реак ции якоря и потока рассеяния, при увеличении нагрузки надо уве личивать и поток полюсов, т. е. увеличивать ток возбуждения.
Обычно синхронные генераторы возбуждаются так, что отдают в систему помимо активной мощности реактивную мощность ин дуктивного характера, необходимую для работы асинхронных дви гателей, трансформаторов и других электромагнитных аппаратов, т. е. работают на правой ветви (/-образной характеристики.
4.4. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Синхронный двигатель не имеет принципиальных конструктив ных отличий от синхронного генератора. На статоре двигателя по мещается трехфазная обмотка, при включении которой в сеть
83
трехфазного переменного тока будет создано вращающееся маг нитное поле, число оборотов в минуту которого fti = 6 0 /y /\
На роторе двигателя помещена обмотка возбуждения, которую включают в сеть постоянного тока. Ток возбуждения создает маг нитный поток полюсов Вращающееся магнитное поле, созданное токами обмотки статора, увлекает за собою полюсы ротора. При этом ротор может вращаться только с синхронной скоростью, т. е. со скоростью, равной скорости вращения поля статора. Таким об разом, скорость синхронного двигателя строго постоянна, если не изменна частота тока питающей сети
Предположим, что в сеть большой мощности включен синхрон ный генератор так, что выполнены все необходимые для этого ус ловия, т. е. тока при включении генератора нет, следовательно.
£ г= t/r= — Uс (рис. 4.8а). В этом случае оси магнитных полей ро |
|||
|
тора и статора совпадают (укол |
||
а) |
0=0) , |
а |
электромагнитный мо |
|
мент |
и |
электромагнитная мощ |
|
|
ность машины равны .нулю. |
|||||
|
|
Если |
отключить |
первичный |
|||
|
|
двигатель, то |
за |
счет потерь в |
|||
|
|
машине |
ротор |
получит отрица |
|||
|
|
тельное ускорение и поле ротора |
|||||
|
|
(Фт) сместится в сторону отста |
|||||
|
|
вания относительно поля статора |
|||||
|
|
(Фр) на |
угол |
0. |
Вращающееся |
||
|
|
поле статора увлекает за собою |
|||||
Рис. 4.8. |
Векторные диаграммы |
ротор и машина развивает вра |
|||||
щающий |
момент. При |
этом век |
|||||
|
тр и: |
||||||
а) |
0=0; б) 0<*О |
торы Ёг и — 0 с не совпадают и в |
|||||
|
|
цепи машины |
возникает уравни |
тельный ток. Его вектор почти совпадает с вектором напряжения сети, т. е. машина является потребителем электрической энергии (рис. 4.86). При увеличении нагрузки на валу синхронного двига теля будет увеличиваться и угол 0, а значит, и ток в статоре, и вращающий момент.
Достоинство синхронных двигателей в том, что они могут пред ставлять собою емкостную нагрузку для сети. Такой двигатель по вышает coscp всего предприятия, компенсируя реактивную мощ ность других приемников энергии. Также достоинством синхрон ных двигателей является меньшая, чем у асинхронных, чувстви тельность к изменению напряжения питающей сети. У синхронных двигателей вращающий момент пропорционален напряжению сети в первой степени, тогда как у асинхронных — квадрату напря жения.
Синхронные двигатели выполняют преимущественно с явно вы раженными полюсами и работают они в нормальном режиме при опережающем coscp = 0,8. Синхронные двигатели возбуждают от возбудителя или от сети переменного тока через выпрямители.
84
Существенным недостатком синхронных двигателей является отсутствие у них пускового момента Для обеспечения пускового момента они снабжаются специальной обмоткой (пусковой), вы полненной так же, как и короткозамкнутая обмотка асинхронного двигателя.
4.5.РАБОТА НАГРУЖЕННОГО СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Вустановившемся режиме ротор синхронного двигателя вра щается со скоростью п, равной скорости вращения магнитного
поля.
Установившийся режим работы синхронного двигателя обеспе чивается при равенстве электромагнитного (вращающего) момен та Мщ), развиваемого двигателем тормозному моменту на валу МтоР, равного сумме момента нагрузки Мн и момента холостого хо
да |
Мо> обусловленного потерями в двигателе при холостом ходе, |
т. |
е. |
Мвр 5=5 А4Н-{- A — Мтор.
Вращающий момент синхронного двигателя с явно выражен ными полюсами определяется следующим выражением:
где m — число фаз обмотки статора; f — частота тока питающей сети; р — число пар полюсов машины; х& и xq — синхронные ре
активные сопротивления обмотки статора от потоков по продоль ной и поперечной осям; U — напряжение (фазное), подведенное
к обмотке статора; 0 — угол между осями результирующего маг нитного потока и потока полюсов.
С увеличением момента нагрузки Л4Н на валу двигателя тор мозной момент становится больше вращающего. Поэтому ротор, а следовательно, поле полюсов получит отрицательное ускорение и начнет перемешаться относительно поля статора, что увеличит угол 0 и вращающий момент. Угол 0 будет изменяться до тех пор, пока вращающий момент не станет равным тормозному.
Устойчивая работа синхронного двигателя возможна при rfAfBp/rf0>O, т. е. при изменении угла 0 от 0 до некоторого крити ческого значения 0К, соответствующего максимальному значению вращающего момента. Угол 0К равен примерно 70°. Дальнейший рост нагрузки (угла в) уменьшает вращающий момент, что ведет к «выпаданию» двигателя из синхронизма и к его остановке.
Отношение максимального момента к номинальному называет ся перегрузочной способностью. Обычно перегрузочная способ ность синхронных двигателей Л4Макс/Мпом=2—3.
Глава пятая.
Электрические машины постоянного тока
5.1. у с т р о й с т в о м а ш и н ы п о с т о я н н о г о ТОКА
Электрическая машина постоянного тока состоит из неподвиж ной части, называемой статором и вращающейся части, называе
мой |
якорем. |
Статор (рис. 5 1а) |
представляет |
собой цилиндричес |
||||
кую |
станину |
1, |
па внутренней поверхности которой |
при помощи |
||||
|
|
|
|
болтов укреплены главные полю |
||||
|
|
|
|
сы 2 и дополнительные полюсы 5. |
||||
|
|
|
|
Станина являющаяся |
в машинах |
|||
|
|
|
|
постоянного тока не только меха |
||||
|
|
|
|
нической основой конструкции, но |
||||
|
|
|
|
и |
магнитопроводом, |
отливается |
||
|
|
|
|
из стали. |
полюс |
(рис. |
5.16) |
|
|
|
|
|
|
Главный |
|||
|
|
|
|
представляет |
собой |
электромаг |
||
|
|
|
|
нит, создающий магнитный поток. |
||||
Рис |
51 Машина |
постоянного тока |
Он |
состоит из сердечника |
4Ука |
|||
а) |
устройство, б) |
главный полюс |
тушки возбуждения 5 и полюсно |
|||||
|
|
|
|
го наконечника 6. В машинах не |
большой мощности сердечники главных полюсов выполняются ли тыми, а полюсные наконечники набираются из отдельных пластин электротехнической стали. В машинах средней и большой мощ ности сердечники главных полюсов и полюсные наконечники вы полняются как одно целое из отдельных листов электротехничес кой стали, что облегчает выполнение полюса, а также уменьшает потери энергии от вихревых тоюв в полюсных наконечниках.
Полюсной наконечник удерживает катушку возбуждения на полюсе и обеспечивает равномерное распределение магнитного по ля под полюсом Полюсному наконечнику придают такую форму, при которой воздушный зазор между полюсом и якорем одинаков по всей длине полюсной дуги. Катушки возбуждения г,сех главных полюсов соединяются последовательно, образуя обмотку возбуж дения. Катушка возбуждения выполняется из медного изолирован ного провода. Добавочные полюсы устанавливаются в средних точках между главными полюсами и представляют собой сердеч ники с помещенными на них катушками. В машинах малой и сред-
86
ней мощности к торцам станины прикреплены подшипниковые щи* ты с шариковыми или роликовыми подшипниками, в которых вра
щается вал якоря. В машинах большой |
мощности подшипники |
||||
обычно выносят на отдельные стояки |
5.2) состоит |
из сердеч |
|||
Якорь машины постоянного тока (рис. |
|||||
ника U обмотки 2, коллектора 3 и вала 4. |
Сердечник якоря пред |
||||
ставляет собой цилиндр, собранный |
|
|
|
||
для уменьшения потерь от |
вихре |
|
|
|
|
вых токов из изолированных листов |
|
|
|
||
электротехнической стали толщиной С |
|
|
|
||
0,35 или 0,5 мм. На внешней поверх |
|
|
|
||
ности сердечника якоря имеются па |
12 |
3 |
Ч |
||
зы, которые |
обычна выполняются |
||||
под некоторым углом к оси цилинд Рис. 52. Якорь машины |
постоян |
||||
ра для уменьшения пульсации маг |
ного тока |
|
|
||
нитного поля |
в воздушном |
зазоре. |
|
|
|
В машинах средней мощности пазы делают открытыми. В маши нах малой мощности — полузакрытыми.
Обмотка якоря выполняется из медного изолированного прово да круглого или прямоугольного поперечного сечения и состоит из секций, изготавливаемых на особых шаблонах Секции могут быть одновитковыми и многовитковыми. Активные стороны секций по мещаются в пазах якоря и закрепляются при помощи специаль ных деревянных клиньев. Лобовые части секций закрепляются при помощи бандажей из стальной проволоки. Все секции обмотки якоря соединяются между собой последовательно, образуя замк нутую цепь. Конец одной секции и начало другой, следующих од на за другой по схеме обмотки, присоединяются к одной коллек торной пластине Число секций независимо от схемы обмотки всег да равно числу коллекторных плестин
В проводниках обмотки машины постоянного тока при их вра щении в магнитном поле индуцируются переменные ЭДС. Для пре образования переменных ЭДС в постоянную применяется коллек тор, являющийся механическим выпрямителем. Простейший кол лектор представляет собой медное кольцо (рис 5 3а), разделен ное на две равные части К1 и К2, называемые коллекторными пла
стинами. Эти пластины, изолированные как друг от друга, так и от вала машины, жестко укреплены на валу и вращаются вместе с витком. На коллекторе помещаются неподвижные щетки Щ1 и Щ2, на которых ЭДС не будет менять знака (кривая ещ на рис.
5 3б), так как каждая из щеток в любой момент времени соприка сается с коллекторной пластиной, соединенной с активным провод ником, находящимся под полюсом определенной полярности
Однако ЭДС на зажимах такой простейшей машины будет иметь большую пульсацию Для ее уменьшения следует увеличить число коллекторных пластин. Если в магнитном поле полюсов по местить два витка (рис 5 4а), оси которых сдвинуты на 90° в про странстве, и концы этих витков соединить с четырьмя коллектор ными пластинами, то при вращении витков ЭДС, индуцируемые
в них, окажутся сдвинуты по фазе на я/2. Если щетки поместить так, чтобы они соприкасались с витком, ЭДС в котором имеет наибольшее в данный момент значение (под центрами полюсов), то на зажимах машины будет получена ЭДС (рис. 5.4в), пульса-
Рис. 5.3. Коллектор:
а) устройство; б) и в) кривые изменения ЭДС в витке и на щет ках соответственно
Рис. 5.4. Коллектор с четырьмя пластинами: |
|
|
а) устройство; б) кривые изменения |
ЭДС в витках |
|
и на щетках соответственно |
|
|
ция которой много меньше, чем при двух |
коллекторных |
пласти |
нах. При дальнейшем увеличении числа |
коллекторных |
пластин |
пульсация ЭДС уменьшается и при 16 пластинах на пару полюсов амплитуда первой гармоники переменной составляющей становит ся меньше 1 %.
Коллектор представляет собой цилиндр, состоящий из отдель ных пластин. Коллекторные пластины изготавливаются из твердо тянутой меди и изолируются между собой и от корпуса проклад ками из миканита.
88
Для крепления на втулке коллекторным пластинам 1 (рис. 5.5)
придают форму «ласточкина хвоста», который зажимается межд> выступом на втулке 3 и нажимным кольцом 2, имеющим форму со
ответствующую форме пластины. Нажимное кольцо крепится к втулке гайкой 4 (или болтами). Коллектор
изолируется от корпуса машины изоляционными прокладками 5. Концы секций обмотки припаивают ся к выступам на коллекторных пла стинах, называемым «петушками» 6.
Коллектор является конструктивно наиболее сложной и наиболее ответ ственной частью машины. Его по
верхность должна быть строго ци Рис. 6J5. Устройство коллектора
линдрической во избежание биения и искрения щеток.
Обмотки якоря соединяются с внешней цепью скользящим кон тактом коллектора с неподвижными щетками. Щетки могут быть графитными, угольно-графитными или бронзо-графитными. В ма шинах высокого напряжения применяются графитные щетки, с большим переходным сопротивлением между щеткой и коллекто ром, в машинах низкого напряжения — бронзо-графитные щетки. Щетки располагают в щеткодержателях и прижимают к коллек тору пружинами. Щеткодержатели укрепляются на щеточных бол тах — пальцах, закрепленных на траверсе. Щеточные пальцы изо лируются от траверсы изоляционными шайбами и втулками. Число щеткодержателей обычно равно числу полюсов. Траверса устанавливается на подшипниковом щите в машинах малой и средней мощности или прикрепляется к станине в машинах боль ших мощностей. Траверсу можно поворачивать и этим изменять положение щеток относительно полюсов.
Обычно траверса устанавливается в таком положении, при ко тором расположение щеток в пространстве совпадает с располо жением средних точек главных полюсов.
5.2. ОБМОТКИ ЯКОРЕЙ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА
Как было показано выше, обмотки якорей машин постоянного тока изготовляются из изолированных медных проводов, а в маши нах больших мощностей — из шин прямоугольного поперечного сечения и выполняются замкнутыми. При изготовлении обмотки из шин прямоугольного поперечного сечения они выполняются стержневыми, и каждая секция может состоять из двух активных проводов (одновитковая секция). Из изолированного медного провода секции обмоток изготовляются в виде катушек с опреде ленным числом витков (мноювитковые секции).
Процесс изготовления обмоток может быть ручным и шаблон ным. В первом случае секции обмоток наматываются на сердеч нике якоря вручную. Во втором случае секции обмоток наматы ваются на специальных шаблонах, изолируются и в готовом виде укладываются на якоре так, что активные части секций распола гаются в пазах сердечника якоря, а лобовые соединения на торце вых частях якоря.
Для машин постоянного тока особенно удобны шаблонные двухслойные обмотки, у которых в пазах якоря активные части секций размещаются в два слоя. Каждая секция обмотки состоит из двух активных сторон, отстоящих друг от друга на расстоянии, близком к полюсному делению т, т. е. расстоянию между середи нами соседних разноименных полюсов. При таком расстоянии меж ду активными проводниками (шаге обмотки) ЭДС, индуцирован ные в них, будут направлены в одну сторону, и ЭДС секции будет иметь наибольшее значение. Одна активная часть секции находит ся в верхнем слое паза, другая — в нижнем слое паза. При изо бражении развернутых схем обмоток активные стороны, лежащие в верхнем слое паза, изображаются сплошной линией, а стороны нижнего слоя — пунктирной. Концы секции соединяются как с другими секциями обмотки, так и с коллекторными пластинами.
Секции, образующие обмотку, соединяются между собой так, чтобы индуцированные в них ЭДС были направлены согласно. Для этого начальные (или конечные) проводники последовательно соединенных секций должны находиться в любой момент под по люсами одинаковой полярности.
В зависимости от порядка соединения секций друг с другом обмотки могут быть параллельными (петлевыми) и последова тельными (волновыми). На рис. 5.6 показа на (толстой линией) одновитковая секция параллельной обмотки, состоящая из ак тивной части верхнего слоя паза 1 и нижне го слоя паза \+ у\. В этих обмотках после
довательно соединяются между собой сек ции, начальные (или конечные) активные стороны которых находятся под одним по люсом. Таким образом, секция параллель ной обмотки находится между двумя сосед ними коллекторными пластинами (1 и 2),
причем в многовитковых секциях к пласти
Рис. 5.6. Развернутая не 1 присоединяется начало первого витка, схема простой парал а к пластине 2 — конец последнего витка,
лельной обмотки соединяемый с началом следующей секции.
Любая коллекторная пластина (например, 1) соединяется с двумя активными проводами, в каждом из кото
рых протекает ток одной параллельной ветви обмотки ia, так что между двумя щетками различной полярности обмотка образует две параллельные ветви.
9Ь