ТЕМА 12. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
12.1. Устройство электрических машин постоянного тока
Изучив вопросы темы 12.1., вы будете
Знать:
· основные составные части электрической машины постоянного тока;
· режимы работы машины постоянного тока;
· способы изготовления обмоток ротора и статора машин постоянного тока.
Уметь:
· рассчитывать величину ЭДС, наводимой в обмотках генератора постоянного тока;
· определять момент силы, развиваемый двигателем постоянного тока.
Акцентировать внимание на следующих понятиях:
· станина;
· главные и дополнительные полюсы;
· ярмо;
· сердечники полюсов;
· якорь;
· коллектор;
· обмотка возбуждения;
· машина параллельного, последовательног и смешанного возбуждения;
· щеточно-коллекторный узел;
· петлевая обмотка;
· волновая обмотка.
12.1.1. Устройство машины постоянного тока
Машину постоянного тока в основном можно разделить на неподвижную и вращающуюся части. Неподвижная часть состоит из станины (рис. 12.1), на которой укреплены главные полюсы для возбуждения главного магнитного потока и дополнительные для улучшения коммутации в машине.
Главный полюс состоит из сердечника, набранного из листовой стали и укрепленного болтами на станине, и обмотки возбуждения. Сердечник на свободном конце снабжается полюсным наконечником для создания требуемого распределения магнитного потока.
Станина является ярмом машины, т. е. частью, замыкающей магнитную цепь главного потока Ф (рис. 12.3). Она изготовляется из литой стали, так как магнитный поток в ней относительно постоянен. Дополнительные полюсы устанавливаются на станине между основными. На сердечниках дополнительных полюсов располагаются обмотки, которые соединяются последовательно с якорем.
Якорем называют часть
машины, в обмотке которой при вращении ее относительно
главного магнитного поля индуктируется ЭДС. В машине постоянного тока якорь
(рис. 12.2) состоит из зубчатого сердечника 1, обмотки 2, уложенной
в его пазах, и коллектора 3, насаженного на вал якоря. Сердечник якоря набирается из листов электротехнической стали толщиной
Для отвода тока от коллектора служат щетки, установленные в щеткодержателях (рис. 12.4). Щетку 1 к коллектору прижимает пружина 2. Ток от щетки отводится гибким кабелем. Щеткодержатели надеваются на щеточную траверсу (отверстие 3), от которой они электрически изолируются. Траверса крепится соосно с якорем так, что ее можно поворачивать, изменяя положение щеток по отношению к полюсам машины.
У всех электрических машин постоянного тока есть коллектор. Это полый цилиндр, собранный из изолированных друг от друга клинообразных медных пластин 1 (рис. 12.5). Пластины коллектора изолированы также от вала машины. Проводами 2 они соединяются с витками обмотки, размещенной в пазах якоря. Вращающаяся обмотка соединяется с внешней цепью скользящим контактом между щетками и коллектором.
12.1.2. Режимы работы машины постоянного тока
Как и все электрические машины, машина постоянного тока обратима. Она работает в режиме генератора, если ее якорь вращается первичным двигателем, главное магнитное поле возбуждено, а цепь якоря соединена через щетки с приемником. При таких условиях под действием ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря, в замкнутой цепи якорь - приемник возникает ток (рис. 12.6, а), совпадающий с ЭДС по направлению.
Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает на валу генератора тормозной момент, который преодолевается первичным двигателем. Генератор преобразует механическую энергию в электрическую.
В двигательном режиме цепи якоря и возбуждения машины присоединены к источнику электроэнергии. Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает вращающий момент. Под действием последнего вращающийся якорь преодолевает момент нагрузки на валу. Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую. При этом ЭДС якоря противодействует току в цепи якоря и направлена ему навстречу (рис. 12.6, б).
Возбуждение главного магнитного поля возможно с помощью либо электромагнитов, либо постоянных магнитов. Последнее менее распространено.
Все рабочие характеристики машин постоянного тока при работе как в режиме генератора, так и в режиме двигателя зависят от способа включения цепи возбуждения по отношению к цепи якоря. Соединение этих цепей может быть параллельным, последовательным, смешанным, и, наконец, цепи эти могут быть независимы одна от другой.
В машинах с независимым возбуждением обмотка возбуждения, имеющая wВ витков, подключается к независимому источнику электроэнергии (рис. 12.7), благодаря чему ток в ней не зависит от напряжения на выводах якоря машины. Для этих машин характерна независимость главного магнитного потока Ф от нагрузки машины.
У машин с параллельным возбуждением цепь обмотки возбуждения соединяется параллельно с цепью якоря (рис. 12.8, а). В этом случае ток возбуждения IВ во много раз меньше тока якоря (0,05…0,01·IЯ), а напряжение U между выводами цепей якоря и возбуждения одно и то же. Следовательно, сопротивление обмотки возбуждения (rВ = U / IВ) должно быть относительно велико. Обмотка возбуждения машины параллельного возбуждения имеет большое число витков wПАР из тонкого провода и, следовательно, значительное сопротивление. Для машин параллельного возбуждения, работающих в системе большой мощности, характерно постоянство главного магнитного потока и его небольшая зависимость от условий нагрузки машины.
У машин с последовательным возбуждением ток якоря IЯ равен току обмотки возбуждения (рис. 12.8, б), поэтому она выполняется проводом большого сечения. Значение тока IЯ в обмотке последовательного возбуждения велико, так что для получения необходимой МДС (IЯ wПОС) обмотка может иметь малое число витков wПОС. Следовательно, сопротивление rВ обмотки последовательного возбуждения относительно мало. Для этих машин характерны изменения в широких пределах главного магнитного потока при изменениях нагрузки машины вследствие изменений тока якоря, т. е. и тока возбуждения.
В машинах со смешанным возбуждением на каждом полюсном сердечнике расположены две обмотки (рис. 12.8, в). Одна из этих обмоток с числом витков wПАР подключена параллельно якорю, вторая обмотка с числом витков wПОС - последовательно.
В зависимости от преобладания МДС, созданных последовательной или параллельной обмоткой возбуждения, машина по своим характеристикам может быть машиной последовательного возбуждения с небольшой параллельной обмоткой возбуждения или машиной параллельного возбуждения с небольшой последовательной обмоткой возбуждения. В большинстве машин смешанного возбуждения применяется согласное соединение, т.е. МДС двух обмоток складываются.
12.1.3. Анализ работы щеточного токосъема
Во вращающейся обмотке якоря машины постоянного тока индуктируется переменная ЭДС, и для ее выпрямления необходим коллектор.
Процесс выпрямления ЭДС в машине постоянного тока удобно проследить на простейшем примере генератора постоянного тока (рис. 12.9, а), в котором нет ферромагнитного сердечника якоря, магнитное поле главных полюсов однородное с индукцией В0, а обмотка якоря представляет собой два одинаковых витка 1 и 2 площадью S каждый, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях и подключенных к коллектору.
При вращении витков 1 и 2 с угловой скоростью w по направлению движения часовой стрелки в них индуктируются ЭДС:
где Ф1 = -Ф0 sinwt и Ф2 = -Ф0 coswt - нормальные к плоскостям витков 1 и 2 составляющие главного магнитного потока Ф0 = B0S.
Так как виток 1 подключен к пластинам 1 и 3, а виток 2 - к пластинам 2 и 4 коллектора, то при отключенной нагрузке, т. е. в режиме холостого хода, между этими пластинами будут напряжения
При вращении выводы генератора подключаются к виткам 1 и 2 через неподвижные щетки, расположенные в вертикальной плоскости, и коллектор так, что за один оборот коллектора его пластины 3, 4, 1, 2, 3 последовательно контактируют со щеткой a, а пластины 1, 2, 3, 4, 1 - со щеткой b.
Если изменить направление вращения витков и коллектора, то изменится знак нормальной составляющей главного магнитного потока к плоскости витка 1, а следовательно, и знак ЭДС, индуктируемой им в этом витке.
Применение ферромагнитного якоря и полюсных наконечников позволяет получать равномерное распределение индукции В в воздушном зазоре машины (рис. 12.10) и таким образом уменьшать пульсацию напряжения генератора. Если витки 1 и 2 генератора постоянного тока (рис. 12.9, а) расположить в пазах якоря, вращающегося в магнитном поле главных полюсов с полюсными наконечниками, то напряжение генератора (рис. 12.9, в) меньше пульсирует, чем при вращении витков в однородном магнитном поле (рис. 12.9, б).
Если число пар полюсов машины р больше 1, то соответственно должно быть увеличено и число щеток, чтобы соединять между собой параллельные ветви обмотки якоря.
Для упрощения рисунков, поясняющих работу машины, будем пользоваться видом торцевого сечения ее якоря и главных полюсов со стороны, противоположной коллектору при вращении якоря генератора по направлению движения часовой стрелки. На рис. 12.11, а показано такое изображение четырехполюсного (р = 2) генератора постоянного тока, в котором две одновитковые обмотки 1 и 2 соединены между собой параллельно.
Индуктируемые в витках 1 и 2 одинаковые переменные ЭДС изменяются с угловой частотой 2w и выпрямляются при помощи коллектора (рис. 12.11, б).
В генераторе щетки и коллектор необходимы для выпрямления переменной ЭДС витков обмотки якоря. В двигателе коллектор и щетки обеспечивают непрерывность вращения якоря. Во всех проводах параллельных ветвей обмотки якоря ток один и тот же: I = Iя / 2а, где а - число пар параллельных ветвей. Если на все эти провода действует электромагнитная сила одного и того же направления, то двигатель развивает наибольший вращающий момент. Когда же провод переходит из области одного полюса в область другого, то одновременно щетки и коллектор производят переключение в нем направления тока, так что сохраняется неизменным направление вращающего момента.
12.1.4. Обмотки барабанного якоря
Провода, уложенные в пазах якоря, должны быть соединены между собой наиболее целесообразным образом, чтобы образовать обмотку якоря машины.
В современных машинах постоянного тока в большинстве случаев применяется барабанный якорь. Барабанный якорь представляет собой цилиндр, собранный из изолированных друг от друга листов электротехнической стали. Каждый из витков обмотки барабанного якоря должен иметь ширину, близкую к ширине полюсного деления т, т. е. длине дуги под полюсом, стягивающей центральный угол 360°/2р, для того чтобы ЭДС, индуктируемые в двух сторонах витка, складывались. Укороченный шаг намотки принимается для уменьшения так называемых лобовых частей.
Вместо одного витка в пазы обычно закладывается многовитковая секция (рис. 12.12, б). Возможны два основных способа соединения отдельных секций в обмотку.
Чтобы присоединить следующую секцию обмотки, можно вернуться под исходный полюс (рис. 12.12, а); таким образом, при поступательно-возвратном движении вдоль окружности якоря выполняется простая петлевая обмотка, называемая также параллельной обмоткой. На схемах обмотки показываются не отдельные витки, а только стороны секций. Щетки делят на петлевую обмотку на столько параллельных ветвей а, сколько полюсов р имеет машина, т. е. при петлевой обмотке а = р. Простую петлевую обмотку имеют двухполюсные машины малой мощности (до 1 кВт) и машины мощностью свыше 500 кВт.
Другой способ образования обмотки машины постоянного тока - это соединение между собой секций (рис. 12.13, б), лежащих под следующими по окружности якоря полюсами якоря (рис. 12.13, а). Так выполняется простая волновая обмотка, называемая также последовательной. Число параллельных ветвей при волновой обмотке равно двум (2а = 2) независимо от числа полюсов машины. Простая волновая обмотка применяется для машин малой и средней мощности (до 500 кВт) при напряжении 110 В и выше.
Множественные обмотки получаются путем укладки на якоре т простых обмоток; число параллельных ветвей при этом увеличивается в т раз. Такие обмотки применяются в машинах большой мощности.
12.1.5. Электродвижущая сила и электромагнитный момент машин постоянного тока
При движении провода обмотки якоря в магнитном поле под полюсом (рис. 12.14) провод пересекает линии магнитного поля с индукцией В и в нем по закону электромагнитной индукции индуктируется ЭДС
где l - активная длина провода; v - окружная скорость якоря.
Это - мгновенное значение ЭДС, изменяющееся из-за изменения магнитной индукции вдоль полюсного деления. Чтобы определить среднее значение этой ЭДС, подставим в ее выражение среднее значение магнитной индукции В под полюсом в пределах полюсного деления:
Окружную скорость v можно выразить через частоту вращения якоря n, об/мин, ширину полюсного деления t и число полюсов 2р:
где D - диаметр сердечника якоря.
Следовательно,
Учтем, что l t = SПОЛ - площадь полюсного деления, а SПОЛ ВСР = Ф - магнитный поток одного полюса. Поэтому
Обмотка якоря состоит из N активных проводов. Щетки делят эту обмотку на 2а параллельных ветвей. Таким образом, в пределах каждой параллельной ветви последовательно соединяются N/2a активных проводов; ЭДС якоря - это ЭДС одной параллельной ветви обмотки, а эта последняя равна сумме ЭДС, индуктируемых в составляющих ее проводах. Следовательно, ЭДС якоря
где СЕ - постоянный для данной машины коэффициент.
В генераторе ЭДС ЕЯ возбуждает ток якоря IЯ и совпадает с ним по направлению (см. рис. 12.6, а). У двигателя ЭДС ЕЯ направлена против тока IЯ и называется противо-ЭДС.
Электродвижущую силу якоря можно регулировать посредством изменения главного магнитного потока Ф или посредством изменения частоты вращения якоря n.
При работе машины постоянного тока в режиме генератора взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем машины создает тормозной момент, который должен преодолевать первичный двигатель. При работе машины в режиме двигателя взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает вращающий момент. Направление передачи энергии при этих двух режимах различное, но природа электромагнитного момента, воздействующего на якорь, одна и та же.
На каждый из N активных проводов обмотки якоря, находящихся под полюсами машины, воздействует сила F = В·I·l. Сумма этих сил создает электромагнитный момент, воздействующий на якорь:
или, если пользоваться понятием среднего значения индукции под полюсом,
Окружность якоря равна произведению полюсного деления на число полюсов
p·D = 2·p·τ.
Заменим ВСР·l·τ = Ф.
Тогда
МЭМ = p·N·Ф·I/p
Ток якоря связан с током в одном витке обмотки соотношением IЯ = I·2a. Окончательно:
где СМ = СЕ ·60/(2p) - величина, постоянная для данной машины.
Контрольные вопросы по теме 12.1.
1. Обмотка якоря машины постоянного тока имеет несколько ветвей и в каждой из них наводится ЭДС. Почему ЭДС обмотки якоря равна ЭДС одной ветви?
2. Генератор постоянного тока работает с постоянной частотой вращения якоря и при постоянном токе в обмотке возбуждения. Как изменяется напряжение на зажимах генератора при увеличении его нагрузки?
3. На валу двигателя постоянного тока увеличен момент сопротивления, а напряжение на его зажимах неизменно. Как изменится ток в обмотке якоря электродвигателя?
4. Почему в машинах постоянного тока компенсационную обмотку и обмотку добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря?
5. Почему в отличие от синхронной машины, обмотку якоря машины постоянного тока располагают на роторе, а магнитные полюсы – на статоре?
Задание для самостоятельной работы по теме 12.1.
1. Построить развернутую схему простой петлевой двухслойной обмотки по следующим данным: число пар полюсов р = 2; число пазов в сердечнике якоря z = 16.
2. Построить развернутую схему простой волновой двухслойной обмотки, если известны: р = 1; z = 13.
3. Четырехполюсный двигатель постоянного тока имеет на якоре простую волновую обмотку счислом активных проводников N = 620; магнитный поток полюса Ф = 0,036 Вб, сопротивление цепи якоря Rя = 0,35 Ом.
Определить электромагнитный вращающий момент и частоту вращения якоря, если напряжение на зажимах двигателя U = 550 В, а ток в якоре Iя = 105 А.
12.2. Функционирование электрических машин постоянного тока
Изучив вопросы по теме 12.2., вы будете
Знать:
· характер воздействия якоря на магнитное поле генератора постоянного тока;
· способы организации возбуждения генераторов постоянного тока;
· содержание понятий «внешняя характеристика» и «регулировочная характеристика».
Уметь:
· объяснять взаимосвязь между величиной тока возбуждения, частотой вращания якоря и величиной ЭДС на зажимах генератора;
· обяснять явление реакции якоря.
Акцентировать внимание на следующих понятиях:
· реакция якоря;
· характеристика холостого хода;
· регулировочная характеристика;
· внешняя характеристика;
· явление самовозбуждения генератора с последовательным возбуждением;
· жесткость внешней характеристики;
· регулировочный реостат;
· компенсационная обмотка.
12.2.1. Реакция якоря
Реакцией якоря называется воздействие тока якоря на магнитное поле машины. Реакция якоря в большинстве случаев - явление нежелательное, искажающее главное магнитное поле и тем самым ухудшающее условия работы машины, поэтому при конструировании машины предусматриваются меры для уменьшения ее влияния.
Пока магнитное поле машины создается только током в обмотке возбуждения (Iя = 0), оно симметрично по отношению к оси сердечников полюсов и под полюсами почти равномерно. На рис. 12.15, а показано схематически такое поле двухполюсной (p = 1) машины. Геометрическая нейтраль п - п' - линия, перпендикулярная оси полюсов и разделяющая на дуге якоря области северного и южного полюсов, совпадает в этих условиях с физической нейтралью - линией, проходящей через точки окружности якоря, где магнитная индукция равна нулю. Щетки, условно показанные опирающимися на якорь (хотя фактически они установлены па коллекторе), находятся на геометрической нейтрали.
При токе в обмотке якоря он становится электромагнитом, ось которого направлена по оси щеток (рис. 12.15, б). По отношению к оси поля главных полюсов ось поля якоря направлена перпендикулярно, пока щетки стоят на геометрической нейтрали; в этих условиях поле якоря поперечное.
При нагрузке машины реакция якоря, воздействуя на главное поле, создает результирующее поле, характер которого примерно показан на рис. 12.15, в. Линии магнитного поля в машине смещаются по направлению ее вращения в генераторном режиме или против направления вращения в двигательном режиме. При этом поток распределяется несимметрично по отношению к оси полюсов - ослабляется под одним краем и усиливается под другим. Вместе с тем в результате реакции якоря физическая нейтраль т - т' смещается по отношению к геометрической п - п' на угол b и щетки оказываются вне физической нейтрали.
Пока поле создается только главными полюсами, оно симметрично по отношению к оси полюсов и под полюсами почти равномерно (рис. 12.16, кривая 1). Ток в обмотке якоря создает МДС, которая достигает наибольшего значения на оси щеток (кривая 2). Если рассматривать поле якоря независимо от главного, то распределение его магнитной индукции будет в большой мере определяться магнитным сопротивлением на пути потока якоря. Это сопротивление относительно мало и постоянно вдоль окружности под полюсами машины и сильно возрастает в промежутке между полюсами. Вследствие такого влияния кривая 3 - распределения индукции поля якоря - имеет седлообразный характер.
Если сердечники полюсов машины в рабочих условиях не насыщаются, то поле машины при нагрузке можно определить путем наложения на главное поле поля якоря. При таком наложении магнитный поток, возбуждающий ЭДС якоря, остается прежним, но изменится его распределение вдоль окружности якоря (кривая 4). При этом физическая нейтраль не будет совпадать с геометрической, и так как щетки стоят на геометрической нейтрали, то из-за реакции якоря при нагрузке они окажутся вне физической нейтрали.
Искажение поля может вызвать такое повышение напряжения между соседними пластинами коллектора (свыше 30…50 В), при котором между этими пластинами возможно возникновение опасных устойчивых дуговых разрядов (кругового огня по коллектору).
12.2.2. Генератор с независимым возбуждением
При независимом возбуждении цепь возбуждения и цепь якоря генератора электрически разделены (рис. 12.17), благодаря чему ток возбуждении не зависит от напряжения генератора, а следовательно, от нагрузки. Это дает возможность регулировать магнитный поток, а вместе с ним и напряжение генератора в очень широких пределах. Для такой регулировки в цепь возбуждения вводится регулировочный реостат rш. Схема включения и конструкция реостата должны предупреждать возможность внезапного прерывания тока возбуждения, например, при отключении источника питания ЕВ, так как обмотка возбуждения обладает значительной индуктивностью, вследствие чего размыкание ее цепи может сопровождаться возникновением большой ЭДС самоиндукции, опасной для целости изоляции обмотки возбуждения и вызывающей сильное искрообразование между размыкаемыми контактами.
Мощность цепи возбуждения составляет 1…3 % номинальной мощности генератора, так что возможно весьма экономичное регулирование ЭДС генератора.
Регулируя ток возбуждения, изменяют главный магнитный поток и пропорционально ему ЭДС ЕЯ = СE Ф·n. Зависимость ЭДС от тока возбуждения при разомкнутой цепи якоря (IЯ = 0) и постоянной частоте вращения п = const называется характеристикой холостого хода Ея (IВ). Она же в другом масштабе может служить характеристикой намагничивания. Если цепь возбуждения разомкнута (IВ = 0), то в массивной станине генератора сохраняется некоторая остаточная индукция. При вращении якоря в поле остаточной индукции и отсутствии тока якоря в его обмотке индуктируется малая ЭДС холостого хода Еях.
Чтобы снять характеристику холостого хода, нужно подать напряжение на обмотку возбуждения и, постепенно увеличивая ток возбуждения до максимально допустимого значения, измерять соответствующие значения ЭДС. Таким путем будет получена восходящая ветвь характеристики (рис. 12.8). Затем, постепенно уменьшая ток возбуждения, можно получить нисходящую ветвь характеристики. Она расположится несколько выше восходящей ветви вследствие влияния гистерезиса. После выключения возбуждения остаточное намагничивание, а следовательно, и соответствующая ЭДС будут больше, чем в исходных условиях. Но это остаточное намагничивание неустойчиво, и спустя некоторое время после выключения возбуждения под действием механических вибраций и других факторов поток и ЭДС, индуктируемая им при вращении якоря, уменьшаются до значений, соответствующих начальным условиям.
Таким образом, характеристика холостого хода имеет форму петли, что является естественным следствием гистерезиса магнитной цепи машины, главным образом массивной станины. Наклон характеристики холостого хода в верхней ее части заметно уменьшается из-за насыщения магнитной цепи машины. В большинстве случаев генераторы постоянного тока работают в условиях, соответствующих насыщенной части характеристики. Благодаря насыщению напряжение генератора остается более постоянным при изменениях нагрузки, так как ослабляется влияние реакции якоря на ЭДС машины.
Второй важной характеристикой генератора является зависимость его напряжения U от тока якоря IЯ при неизменных токе возбуждения IВ и частоте вращения п. Эта зависимость называется внешней характеристикой (рис. 12.19).
Напряжение между выводами цепи якоря генератора меньше его ЭДС вследствие падения напряжения на активном сопротивлении rЯ обмотки якоря
U = EЯ - rЯ·IЯ
Зависимость U(IЯ) была бы линейной (штриховая линия на рис. 12.19), если бы ЭДС ЕЯ оставалась постоянной. Но магнитный поток машины с ростом нагрузки уменьшается под воздействием реакции якоря, а вместе с ним пропорционально уменьшается и ЭДС ЕЯ. В результате внешняя характеристика изгибается в сторону оси абсцисс. Внешняя характеристика определяет изменение напряжения генератора между его выводами, вызываемое изменением нагрузки от номинальной до нулевой при неизменном токе возбуждения и постоянной частоте вращения DU = UХ - UНОМ. У генераторов без компенсационной обмотки относительное изменение напряжения достигает примерно 5…10 %:
Если увеличивать ток якоря сверх номинального значения, то напряжение генератора станет дальше понижаться, а машина будет работать уже в условиях перегрузки. Ее обмотка якоря, щетки и коллектор значительно нагреваются, и под щетками начинается сильное искрение.
Для нормальной работы приемников электроэнергии необходимо для каждого из них поддерживать напряжение неизменным несмотря на изменения общей нагрузки генератора. Это осуществляется регулированием тока возбуждения. Регулировочной характеристикой генератора называется зависимость тока возбуждения IВ от тока якоря IЯ при постоянных напряжении U и частоте вращения п. Такая характеристика показывает, как надо изменять ток возбуждения для того, чтобы при изменениях нагрузки поддерживать постоянным напряжение между выводами генератора. Характеристика сначала почти прямолинейная (рис. 12.20), но затем изгибается вверх от оси абсцисс вследствие влияния насыщения магнитопровода машины.
12.2.3. Генератор с параллельным возбуждением
У генератора с параллельным возбуждением часть тока якоря служит для возбуждения главного магнитного поля машины (рис. 12.21). Эти генераторы применяются наиболее часто, так как они не требуют дополнительного источника электроэнергии для цепи возбуждения, что существенно упрощает обслуживание машины: вместе с тем напряжение таких генераторов мало изменяется из-за колебаний нагрузки.
При пуске в ход генератора с параллельным возбуждением для создания магнитного потока в магнитопроводе используется явление самовозбуждения. Сначала ток в якоре, а следовательно, и в обмотке возбуждения отсутствует, но в массивной станине всегда сохраняется небольшой магнитный поток остаточного намагничивания, равный 1…3 % номинального главного потока машины. Когда первичный двигатель начинает вращать якорь генератора, остаточный поток индуктирует в обмотке якоря небольшую ЭДС. Эта ЭДС ЕЯ создает некоторый ток IВ обмотке возбуждения, а следовательно, возникает некоторая МДС возбуждения.
По отношению к остаточному магнитному потоку она может быть направлена согласно или встречно, т. е. подмагничивать или размагничивать магнитопровод генератора. Для самовозбуждения необходимо согласное направление, что имеет место при правильном соединении обмотки возбуждения с якорем. При таком соединении ток возбуждения усиливает магнитное поле генератора, а последнее индуктирует большую ЭДС в обмотке якоря. Возрастание ЭДС вызывает дальнейшее увеличение тока возбуждения. Увеличение потока и тока возбуждения ограничивается насыщением магнитной цепи.
После окончания переходного процесса ЭДС в обмотке якоря ЕЯ и ток возбуждения IВ будут иметь постоянные значения. Найдем эти значения в режиме холостого хода. Если пренебречь сопротивлением цепи якоря rЯ по сравнению с сопротивлением цепи возбуждения rВ, то установившийся ток возбуждения IВ определяется из условия ЕЯ = U = rВ IВ. Этому условию соответствует точка пересечения А характеристики холостого хода ЕЯ(IВ) и прямой ЕЯ = rВ IВ (рис. 12.22).
Если уменьшать IВ, например, вводя реостат в цепь возбуждения, то точка пересечения смещается влево (А'). При достаточно большом сопротивлении цепи возбуждения, называемом критическим, генератор не возбуждается.
Если в генераторе отсутствует остаточная намагниченность (из-за короткого замыкания или механических ударов), то для ее восстановления нужен посторонний источник постоянного тока хотя бы малой мощности. Этот источник нужно на короткий срок замкнуть на обмотку возбуждения, а затем использовать созданное остаточное намагничивание для нормального возбуждения.
Характеристика холостого хода генератора при параллельном возбуждении практически не отличается от характеристики при независимом возбуждении, так как влияние на эту характеристику изменений напряжения rВ IВ и реакции якоря от тока возбуждения ничтожно. Совпадают и регулировочные характеристики. Но внешняя характеристика (рис. 12.23) при параллельном возбуждении генератора (кривая а) идет значительно ниже, чем при независимом возбуждении (кривая b), из-за уменьшения тока возбуждения при снижении напряжения (IВ = U/rВ). При независимом возбуждении снижение напряжения между выводами генератора при увеличении тока якоря вызывается двумя причинами: увеличением падения напряжения на активном сопротивлении якоря и реакцией якоря. При параллельном возбуждении к этим двум причинам добавляется третья - уменьшение тока возбуждения. Пока этот ток соответствует условиям насыщения магнитной цепи генератора (пологой части магнитной характеристики) уменьшение ЭДС якоря относительно меньше уменьшения тока возбуждения (рис. 12.24).
В таких условиях при уменьшении сопротивления цепи нагрузки ток якоря возрастает. Но условия резко изменяются, если в результате увеличения тока якоря и вызванного этим понижения напряжения ток возбуждения уменьшается настолько, что магнитная цепь генератора оказывается в ненасыщенном состоянии. В условиях линейной части магнитной характеристики уменьшение тока возбуждения приводит к пропорциональному уменьшению потока и ЭДС якоря (рис. 12.24), что вызывает дальнейшее уменьшение тока возбуждения, а это в свою очередь обусловливает новое снижение ЭДС и т. д. Имеет место своеобразное саморазмагничивание генератора, заканчивающееся тем, что при коротком замыкании якоря сохраняется только остаточная намагниченность, поддерживающая ограниченный (меньше номинального) ток короткого замыкания.
12.2.4. Генераторы с последовательным и смешанным возбуждением
В генераторе с последовательным возбуждением якорь соединен последовательно с обмоткой возбуждения, благодаря чему ток нагрузки является вместе с тем током возбуждения (рис. 12.25). Обмотка возбуждения wb такой машины выполняется из провода, рассчитанного на большой ток якоря; число витков такой обмотки мало.
При холостом ходе генератора с последовательным возбуждением ЭДС в обмотке его якоря индуктируется только потоком остаточного намагничивания. Снять характеристику холостого хода у этого генератора нельзя. Отсутствует также у него и регулировочная характеристика.
Напряжение генератора (рис. 12.26) сначала возрастает с увеличением тока, якоря. Затем вид характеристики начинает изменяться из-за магнитного насыщения (ЭДС якоря перестает увеличиваться, в то время как продолжает возрастать падение напряжения на активном сопротивлении якоря) и размагничивающего действия реакции якоря. В результате напряжение генератора при дальнейшем возрастании нагрузки уменьшается. Из-за непостоянства напряжения генераторы с последовательным возбуждением применяются лишь в немногих специальных случаях.
Генератор со смешанным возбуждением имеет две обмотки возбуждения: параллельную wПАР и последовательную wПОС (рис. 12.27). У такого генератора напряжение остается практически постоянным при изменениях нагрузки в определенных пределах. Это достигается применением последовательного возбуждения для компенсации увеличения падения напряжения на активном сопротивлении якоря и уменьшения тока в параллельной обмотке возбуждения, а также для компенсации размагничивающего действия якоря при увеличении тока нагрузки. Благодаря наличию обмотки последовательного возбуждения главный магнитный поток генератора и вместе с ним ЭДС ЕЯ возрастают с увеличением нагрузки (кривая 1 на рис. 12.28). Соответствующим подбором числа витков обмотки последовательного возбуждения можно достигнуть равенства напряжений генератора при холостом ходе и при номинальной нагрузке (кривая 2 на рис. 12.28).
Генератор со смешанным возбуждением наиболее подходит для установок относительно небольшой мощности, так как отсутствуют значительные изменения напряжения при отключениях отдельных потребителей. Но применение таких генераторов для параллельной работы не рекомендуется: случайное понижение частоты вращения первичного двигателя может снизить ЭДС генератора до уровня, меньшего напряжения сети, из-за этого направление тока в якоре генератора и в его последовательной обмотке возбуждения изменится, что может вызвать перемагничивание генератора и тяжелую аварию установки.
В специальных генераторах со смешанным возбуждением последовательная обмотка необходима для получения требуемых характеристик, например, в аппаратах для сварки создается круто падающая внешняя характеристика.
Контрольные вопросы по теме 12.2.
1. Внешние характеристики генераторов независимого возбуждения и параллельного возбуждения показывают, что напряжение на зажимах машины уменьшается с ростом тока нагрузки. Почему относительное изменение напряжения увеличивается с ростом нагрузки в генераторах независимого возбуждения? Параллельного возбуждения?
2. При попытке провести испытание генератора параллельного возбуждения оказалось, что он не возбуждается. Какие возможны причины отсутствия возбуждения?
Задание для самостоятельной работы по теме 12.2.
1. Генератор независимого возбуждения с сопротивлением цепи якоря Rя = 0,4 Ом при холостом ходе и частоте вращения ротора nх = 740 об/мин имеет напряжение Uх = 230 В. Частота вращения ротора уменьшилась до n1 = 725 об/мин при включении нагрузки, когда установили ток I1 = 60 А. Найти новую величину напряжения на зажимах генератора, пренебрегая изменением магнитного потока.
Определить мощность генератора и его КПД при нагрузках I1 =60 А I2 = 40 А, если при изменении нагрузки частота вращения якоря поддерживается постоянной, равной n1. Изменением магнитного потока пренебречь.
2. Напряжение на зажимах генератора параллельного возбуждения U = 220 В, сопротивление нагрузки Rн = 40 Ом. Оределить ЭДС и ток якоря, если сопротивление цепи якоря Rя = 0,25 Ом, сопротивление цепи возбуждения Rв = 44 Ом. Определить мощность нагрузки и КПД генератора при нагрузках Iн = 60 А и Iн = 40 А, полагая, что ЭДС при изменении нагрузки остается без изменения.
12.3. Электрические машины переменного тока
Изучив вопросы по теме 12.3., вы будете
Знать:
· виды электрических машин переменного тока;
· устройство трехфазной машины переменного тока;
· режимы работы синхронной машины.
Уметь:
· строить схему замещения и векторную диаграмму фазы синхронного генератора;
· производить расчет энергетического баланса и кпд синхронного генератора.
Акцентировать внимание на следующих понятиях:
· асинхронная бесколлекторная машина;
· синхронный генератор;
· синхронный двигатель;
· фазные обмотки;
· катушечные группы;
· явнополюсный и неявнополюсный ротор;
· синхронное реактивное сопротивление;
· векторная диаграмма фазы генератора;
· водородное охлаждение.
12.3.1. Общие сведения о машинах переменного тока
Из числа различных видов
современных электрических машин самой распространенной в наши дни является
асинхронная бесколлекторная машина, применяемая
обычно в качестве двигателя. Асинхронная машина - это машина, в которой
при работе возбуждается вращающееся магнитное поле, но ротор вращается
асинхронно, т. е. с угловой скоростью, отличной от угловой скорости поля. Она
была изобретена М.О. Доливо-Добровольским в
Асинхронные машины малой мощности часто выполняются однофазными для устройств, питающихся от двухпроводной сети. Такие машины находят широкое применение в бытовой технике. Общий недостаток асинхронных машин - это относительная сложность и неэкономичность регулирования их режимов работы.
У синхронных электрических машин ротор в установившемся режиме вращается с угловой скоростью вращающегося магнитного поля, создаваемого токами в фазных обмотках статора. Это достигается тем, что ротор синхронной машины представляет собой обычно электромагнит или реже постоянный магнит с числом пар полюсов, равным числу пар полюсов вращающегося магнитного поля. Взаимодействие полюсов вращающегося магнитного поля и полюсов ротора обеспечивает постоянную частоту вращения последнего независимо от момента на валу. Это свойство синхронных машин позволяет применять их в качестве двигателей для привода механизмов с постоянной частотой вращения. Распространенность синхронных двигателей не столь широка, как асинхронных, но в ряде случаев, например в металлургии для главных приводов непрерывной прокатки, они необходимы. Единичная мощность синхронного двигателя в приводах большой мощности достигает, нескольких десятков мегаватт.
Основной областью применения синхронных машин является их работа в качестве промышленных генераторов для выработки электрической энергии на электростанциях. Единичная мощность современных электрогенераторов достигает 1500 MB·А.
12.3.2. Устройство трехфазной машины переменного тока
Трехфазная машина состоит из двух главных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора.
Статор трехфазной машины представляет собой полый цилиндр, собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака (рис. 12.29, а). В пазах на внутренней стороне статора размещаются три фазные обмотки. Каждая фазная обмотка содержит одну или несколько катушечных групп, соединенных последовательно и расположенных вдоль окружности статора на равном расстоянии друг от друга. На рис. 12.29, б показано расположение в пазах статора одной фазной обмотки, состоящей из двух катушечных групп. Здесь А - начало, а X - конец фазной обмотки.
Фазные обмотки соединяются между собой звездой или треугольником и подключаются к трехфазной сети. Токи в фазных обмотках возбуждают в машине вращающееся магнитное поле статора с числом пар полюсов р, равным числу катушечных групп в одной фазной обмотке. Это достигается взаимным расположением фазных обмоток, при котором их катушечные группы сдвинуты по окружности статора относительно катушечных групп соседней фазной обмотки на угол 120°/р.
В частности, для обмотки четырехполюсной машины (р = 2) этот угол равен 60° (рис. 12.29, б).
Для укладки многовитковой катушечной группы в пазах статора ее разделяют на q последовательно соединенных секций по wс витков в каждой секции. Возможны секции с одинаковым и неодинаковым шагом намотки у. В первом случае стороны каждой секции сдвинуты по окружности статора на угол 180°/р, что соответствует одному полюсному делению у = t, т. е. длине окружности статора, приходящейся на один полюс (рис. 12.29, в). Во втором случае секции катушечной группы вложены друг в друга (рис. 12.29, б), т. е. их шаг намотки t < <у< t.
Распределение фазных обмоток по нескольким пазам не только улучшает использование цилиндрической конструкции статора, но и обусловливает необходимое распределение магнитного поля в воздушном зазоре между статором и ротором.
Сердечник статора изготовляется с открытыми или полуоткрытыми пазами. Применение полуоткрытых пазов уменьшает магнитное сопротивление и, следовательно, намагничивающий ток. При открытых пазах упрощается укладка секций и повышается надежность их изоляции.
Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит - явнополюсный (рис. 12.30, где 1 - полюсы; 2 - полюсные катушки; 3 - сердечник ротора; 4 - контактные кольца) или неявнополюсный (рис. 12.31, где 1 - сердечник ротора; 2 - пазы с обмоткой; 3 - контактные кольца). Ток в обмотку ротора поступает через контактные кольца и щетки от внешнего источника постоянного тока - возбудителя.
|
|
Для получения синусоидальной ЭДС в проводах фазных обмоток статора необходимо, чтобы индукция в воздушном зазоре, создаваемая магнитным полем тока ротора, распределялась по синусоидальному закону вдоль окружности ротора. В явнополюсной машине это достигается увеличением ширины воздушного зазора от середины полюса к краям. В быстроходных машинах с неявными полюсами используется соответствующее распределение обмотки возбуждения вдоль окружности ротора.
У многополюсной синхронной машины ротор имеет р пар полюсов, а токи в обмотке статора образуют тоже р пар полюсов вращающегося магнитного поля. Ротор должен вращаться с частотой вращения поля, следовательно, его синхронная частота вращения
п = 60·f /р. (12.1)
При стандартной промышленной частоте 50 Гц максимальная частота вращения, соответствующая двухполюсной (р = 1) машине, будет 3000 об/мин. Это частота вращения современного турбоагрегата, состоящего из первичного двигателя - паровой турбины и неявнополюсного синхронного генератора (турбогенератора).
У гидроагрегата гидравлическая турбина вращается относительно медленно. Это вынуждает изготовлять гидрогенераторы многополюсными, с явными полюсами и в большинстве случаев - с вертикальным валом. Частота вращения роторов этих генераторов - от 60 до нескольких сотен оборотов в минуту, чему соответствует несколько десятков пар полюсов. Вследствие относительно малых частот вращения генераторы к гидравлическим турбинам имеют значительно большую массу на единицу мощности - свыше 8 кг/(кВ·А), чем генераторы к паровым турбинам - менее 2,5 кг/(кВ·А).
12.3.3. Режимы работы синхронной машины
Любая синхронная машина может работать в режимах генератора и двигателя. Режим работы синхронной машины определяется взаимодействием магнитных полей, создаваемых токами в обмотках статора и ротора. Рассмотрим режимы работы двухполюсной машины. Наложение магнитных полей токов в фазных обмотках статора возбуждает в синхронной машине магнитное поле статора, вращающееся с угловой скоростью w. Приближенное распределение магнитных линий вращающегося магнитного поля статора в магнитопроводе синхронной машины в режимах генератора и двигателя показано соответственно на рис. 12.32, а и б штриховой линией. Распределение линий вращающегося магнитного поля статора показывает, что приближенно его можно представить в виде вращающейся с угловой скоростью w пары полюсов Sс и Nс, расположенных на статоре.
Аналогичным образом магнитное поле, создаваемое током в обмотке вращающегося ротора, также можно приближенно представить в виде вращающейся пары полюсов, расположенных на роторе.
Если пренебречь всеми видами потерь энергии в синхронной машине, то при отсутствии момента на валу ось полюсов ротора будет совпадать с осью полюсов статора.
Для того чтобы заставить синхронную машину, включенную в сеть, работать в режиме генератора, отдавая энергию, необходимо увеличить механический момент, приложенный первичным двигателем к валу машины. Тогда под действием возросшего вращающего момента ось магнитных полюсов ротора повернется на некоторый угол g относительно оси полюсов статора в направлении вращения (рис. 12.32, а). Так как при этом результирующее магнитное поле, создаваемое наложением магнитных полей токов в обмотках ротора и статора, изменится, то ток в обмотках статора также изменится. Взаимодействие этого тока с магнитным полем ротора создает тормозной момент, действующий на ротор. Это и означает преобразование энергии механического движения первичного двигателя в электрическую энергию генератора. Магнитные полюсы ротора будут как бы тянуть за собой магнитные полюсы статора.
Если приложить к валу машины вместо вращающего тормозной момент механической нагрузки, то ось полюсов ротора повернется на некоторый угол g относительно оси полюсов статора против направления вращения (рис. 12.32, б). Вновь изменятся токи в обмотках статора и возникнут электромагнитные силы взаимодействия токов обмоток статора и магнитного поля ротора, но на этот раз эти силы будут стремиться увлечь ротор в направлении вращения. Электромагнитные силы создадут теперь вращающий момент, при посредстве которого электрическая энергия сети преобразуется в механическую на валу машины, т. е. синхронная машина переходит в режим двигателя.
Синхронная машина работает в режиме генератора или двигателя в зависимости от механического воздействия на вал машины, причем электромагнитные силы играют роль своеобразной упругой связи между ротором и статором.
12.3.4. Уравнение электрического состояния фазы синхронного генератора
Магнитное поле нагруженной синхронной машины возбуждается не только постоянным током в обмотке ротора, но и переменными токами в фазных обмотках статора (якоря). Следовательно, в синхронных машинах, как и в машинах постоянного тока, имеет место реакция якоря - воздействие МДС якоря на главное магнитное поле машины.
Физически в синхронной машине существует лишь одно результирующее поле, складывающееся из постоянного магнитного поля вращающегося с угловой скоростью w ротора, магнитного поля рассеяния статора и вращающегося синхронно с ротором магнитного поля реакции якоря. Но, пренебрегая влиянием гистерезиса и насыщения магнитопровода (линейная цепь), целесообразно рассматривать эти магнитные поля как существующие независимо друг от друга, создающие с фазной обмоткой статора независимые потокосцепления и индуктирующие в ней соответствующие ЭДС. При этом для анализа процессов в синхронной машине можно воспользоваться комплексным методом.
В нагруженном синхронном генераторе потокосцепление поля ротора с фазной обмоткой статора Y0 индуктирует в ней ЭДС
(12.2а)
равную ЭДС холостого хода, потокосцепление рассеяния Yрас индуктирует ЭДС рассеяния
(12.2б)
где I - ток в обмотке статора; храс - индуктивное сопротивление рассеяния, и, наконец, потокосцепление реакции якоря Yр.я. индуктирует в обмотке статора ЭДС
(12.2в),
где хя - индуктивное сопротивление якоря.
При таком истолковании
процессов ЭДС 
, индуктируемая в фазной
обмотке потокосцеплением 
, равна сумме напряжений jхрасI, jxяI и rвI на индуктивных храс
и хя и активном rв сопротивлениях фазной обмотки и напряжения между выводами
фазной обмотки синхронного генератора U. Следовательно, уравнение электрического состояния фазы статора
синхронного генератора записывается в виде
(12.3)
где храс + хя = х - индуктивное сопротивление фазной обмотки статора, называемое синхронным реактивным (индуктивным) сопротивлением. У синхронной машины с ненасыщенным магнитопроводом это - относительно постоянная величина.
Падение напряжения на синхронном реактивном сопротивлении х·I в неявнополюсных синхронных машинах составляет при номинальной нагрузке до 20 % номинального фазного напряжения. Значительное синхронное реактивное сопротивление полезно, так как в случаях коротких замыканий между выходными выводами генератора оно ограничивает ток. Активное сопротивление фазной обмотки статора весьма мало. Обычно падение напряжения на активном сопротивлении фазной обмотки при номинальной нагрузке составляет для генераторов большой мощности 1…2 % номинального фазного напряжения. В большинстве расчетов им можно пренебречь.
12.3.5. Схема замещения и векторная диаграмма фазы синхронного генератора
Уравнению электрического состояния фазы статора синхронного генератора (12.3) соответствует схема замещения на рис. 12.33, а.
Построим векторную диаграмму фазы синхронного генератора. В качестве исходного выберем вектор магнитного потокосцепления Y0 (направлен влево по оси абсцисс на рис. 12.33, б). Вектор ЭДС Е0, индуктируемой потокосцеплением Y0, отстает от вектора Y0 на 90°. Вектор тока статора (якоря) I отстает от Е0 на угол j0, определяемый соотношением реактивных и активных сопротивлений:
(12.4)
где хн и rн - индуктивное и активное сопротивления цепи нагрузки генератора. Вектор напряжения rн I совпадает по фазе с вектором тока I, а вектор напряжения jxI опережает этот вектор на 90°. Чтобы определить положение вектора напряжения U между выводами фазной обмотки генератора, вычтем из вектора E0 сумму векторов напряжений на активном и реактивном сопротивлениях фазной обмотки: U = E0 - jxI - rвI. Соединив концы векторов Е0 и U, получим треугольник напряжений на активном и индуктивном сопротивлениях фазы генератора с гипотенузой zобI. Отметим, что для наглядности диаграммы преувеличена длина вектора напряжения rв I.
12.3.6. Энергетический баланс и кпд синхронного генератора
Энергетический баланс синхронного генератора можно пояснить при помощи его векторной диаграммы (рис. 12.33, б). Спроектировав вектор Е0 и его составляющие на направление вектора тока I, запишем активную составляющую ЭДС:
(12.5)
Это уравнение умножим на действующее значение тока I и таким путем преобразуем (12.5) в уравнение активных электрических мощностей одной фазы генератора:
(12.6 а)
и для генератора
(12.6 б)
Уравнение (12.6 б) показывает, что электрическая мощность статора Рэ.с. складывается из мощности потерь в проводах Рпр и электрической мощности Р, с которой генератор отдает энергию в сеть, т. е. Рэ.с. = Рпр + Р.
Но кроме мощности потерь в проводах в генераторе имеют место еще мощность механических потерь Рм.п. и мощность потерь из-за гистерезиса и вихревых токов в электротехнической стали Рс статора и полюсных башмаков. Из уравнения (12.6 б) видно, что мощность этих потерь покрывается не за счет электрической мощности, а непосредственно за счет механической мощности первичного двигателя. Соответствующая энергетическая диаграмма синхронного генератора показана на рис. 12.34. Кроме того, в синхронном генераторе имеют место потери энергии на возбуждение. Мощность потерь на возбуждение генератора равна мощности источника постоянного тока возбудителя Рвоз и составляет примерно 0,3…1 % номинальной мощности генераторов. Мощность всех потерь энергии в генераторе делится на мощность постоянных потерь, почти не зависящую от нагрузки, и мощность переменных потерь, изменяющуюся в зависимости от нагрузки. Мощность постоянных потерь Рпос равна сумме мощностей потерь механических Рм.п., возбуждения Рвоз и в электротехнической стали Рс, мощность переменных потерь Рпер равна мощности потерь в проводах.
Электрическая мощность генератора, выраженная через фазные напряжения и ток, Р = 3UI cosj при одном и том же токе зависит от cosj нагрузки. Но сечения проводов обмоток генератора рассчитываются на определенное значение тока, а его изоляция и сечение магнитной цепи - на определенное напряжение U, следовательно, эти величины выбираются независимо от cosj нагрузки. По этой причине подобно трансформаторам номинальной мощностью генератора считается его полная мощность S = 3UI, измеряемая в киловольт-амперах. Было бы нецелесообразно соединять генератор с турбиной, рассчитанной на его полную мощность S (деленную на его КПД), так как почти всегда cosj < 1. Поэтому турбина к генератору обычно имеет несколько меньшую мощность, чем полная мощность генератора (например, из расчета cosj = 0,8).
Мощность генератора пропорциональна его линейным размерам в четвертой степени, так что с увеличением номинальной мощности генератора уменьшается поверхность охлаждения, приходящаяся на единицу мощности, и приходится создавать усиленное охлаждение искусственным путем посредством вентиляции машины. В крупных турбогенераторах количество воздуха, необходимого для вентиляции, весьма велико. В час для охлаждения машины требуется примерно столько воздуха, сколько весит сама машина.
Для генераторов мощностью более 25 000 кВ·А обычно применяется водородное охлаждение. Преимущества такого охлаждения определяются тем, что водород легче воздуха в 14 раз, его теплоемкость больше в 14 раз, теплопроводность - в 7 раз, а коэффициент теплоотдачи с охлаждаемой поверхности - в 1,35 раза.
Коэффициент полезного действия генератора, включенного в сеть, равен отношению его активной мощности к мощности первичного двигателя; последнюю убыль удобно представить как сумму мощности генератора и мощности всех видов потерь в машине, следовательно.
(12.7)
Уравнение к.п.д. показывает, что с уменьшением нагрузки к.п.д. также уменьшается. На рис. 12.35 приведены зависимости к.п.д. генератора от нагрузки при различных значениях cosj. С увеличением номинальной мощности генераторов возрастают к.п.д. как самого генератора, так и его первичного двигателя.
12.3.7. Работа синхронного генератора в электрической системе большой мощности
Трехфазная электрическая система большой мощности состоит из большого числа трехфазных источников и трехфазных приемников электрической энергии, работающих параллельно. Можно считать, что частичное изменение числа источников и приемников электрической энергии в системе большой мощности не влияет на режим ее работы. Поэтому действующее значение напряжения на общих шинах системы, так же как частоту, можно всегда считать постоянными величинами. На рис. 12.36 приведена эквивалентная схема замещения фазы системы большой мощности, содержащая источник бесконечной мощности ЭДС Е и приемник с сопротивлением нагрузки zн.
На этом же рисунке показана эквивалентная схема замещения фазы синхронного генератора без учета активного сопротивления фазной обмотки, который подключен к общим шинам системы. Запишем уравнение электрического состояния фазы синхронного генератора:
или
. (12.8)
Процессы, происходящие в синхронном генераторе, подключенном к электрической системе большой мощности иллюстрирует векторная диаграмма (рис. 12.37). В качестве исходного выбран вектор напряжения на шинах системы и = Е, направленный по оси ординат.
Это напряжение уравновешивается частью ЭДС о фазной обмотки статора, индуктируемой в ней потокосцеплением Y0. Прибавив к вектору U вектор jxI, перпендикулярный I, получим вектор Е0.
Положение вектора потокосцепления Y0 определяется тем, что он опережает индуктируемую им ЭДС Е0 на угол 90°. Так как
jxI = -Ерас - Ер.я.,
т.е. это падение напряжения, учитывающее сумму ЭДС, индуктируемых потокосцеплениями рассеяния и реакции якоря, то уравнение электрического состояния фазы синхронного генератора (12.8) можно записать так:
Напряжение фазы синхронного генератора равно сумме ЭДС, индуктируемых в фазной обмотке тремя потокосцеплениями Y0, Yрас и Yр.я.. Но физически эти потокосцепления образуют одно результирующее потокосцепление с фазной обмоткой
Y = Y0 + Yрас + Yр.я..
Следовательно, можно считать, что напряжение между выводами фазы синхронного генератора равно ЭДС, индуктируемой результирующим потокосцеплением Y с фазной обмоткой. Это определяет направление вектора Y, который должен опережать по фазе вектор U = Е на 90°. Направление векторов Yhfc и Yр.я. совпадает с направлением вектора I.
Контрольные вопросы по теме 12.3.
1. Магнитные полюса ротора синхронной машины изготовлены так, что при постоянном токе в его обмотке постоянное по времени магнитное поле вдоль воздушного зазора распределено по синусоидальному закону, имеет магнитную индукцию В = Вт против середины полюса и В = 0 на нейтрали. Можно ли считать магнитное поле в воздушном зазоре машины вращающимся, если ротор привести во вращение?
2. Ротор синхронного двигателя находится в покое при выключенной обмотке статора. Начнет ли ротор вращаться после включения обмотки статора в сеть, если он представляет собой электромагнит? если ротор – постоянный магнит?
3. Почему ротор турбогенератора делают неявнополюсным, а у гидрогенератора на роторе много явновыраженных полюсов?
Задание для самостоятельной работы по теме 12.3.
1. Определить магнитную индукцию вращающегося магнитного поля трехфазной обмотки, если наибольшая магнитная индукция пульсирующего поля одной фазы равна Вт. Найти величину и направление вектора магнитной индукции поля трехфазной обмотки в момент времени, соответствующие фазовым углам wt = 50 Гц; wt = 3p/2.
2. Определить частоту вращения магнитного поля трехфазной обмотки, имеющей по две катушки на фазу при частоте переменного тока f = 50 Гц. Найти ряд частот вращения магнитного поля при числе пар полюсов обмотки от р = 1 до р = 6.
литература
Основная:
1. Ю.М. Борисов, Д.Н. Липатов, Ю.Н. Зорин. Электротехника. М.: «Энергоатомиздат», 1985.
2. В.М. Гладской, П.И. Самойленко. Физика: сборник задач с решениями. М.: «Дрофа», 2004.
3. А.С. Касаткин, М.В. Немцов. Электротехника. М.: «Высшая школа», 2000.
5. Т.И. Трофимова. Курс физики. М.: «Высшая школа», 1999.
6. Т.И. Трофимова. Сборник задач по курсу физики. М.: «Мир и образование», 2003.
Дополнительная:
1. Б.А. Волынский, В.Е. Зейн, В.Г. Шатерников. Электротехника. М.: «Энергоатомиздат», 1987.
2. И.А. Данилов, П.М. Иванов. Общая электротехника с основами электроники. М.: «Высшая школа», 1998.
3. А.Г. Морозов. Электротехника, электроника, импульсная техника. М.: «Высшая школа», 1987.
4. Сборник задач по электротехнике и основам электроники/ Под ред. В.Г. Герасимова. М.: «Высшая школа», 1987.
5. Д.В. Сивухин. Общий курс
физики. Т. 1-