Трансформаторы

Работа добавлена на сайт samzan.net:

1. Трансформаторы. Назначение и роль трансформаторов в энергетике. Устройство принцип действия. Уравнение ЭДС. Трансформатор – это эл аппарат преобразующий эл энергию с одним соотношением тока и напряжения в эл же энергию с другими соотношением тока и напряжения той же мощности и той же частоты. Основан на з-не электромагнитной индукции . Виды: 1. Стержневые (однофазные) 2. Броневые (трехфазные) 3. Групповые. Простейший тр-р состоит из магнитопровода набранного из листов эл. тех. стали толщиной 0,35-0,5 мм. Листы изолируются. В последнее время для тр-ров прим холоднокатаная сталь, у которой вдоль проката магнитные св-ва лучше, чем поперек.

Холоднокатаная сталь- потери меньше вдоль проката. Поэтому магнитопровода из холоднокатаной стали выполняются с косыми стыками. На магнитопровод наматываются обмотки ВН и НН. Принцип действия: При нагрузке МДС вторичной обмотки тр-ра создает поток  при этом  уменьшает магнитный поток первичной обмотки, однако учитывая, что  и  очень мало (1-2%), то . Что бы ЭДС первичной обмотки оставалось пост надо, что бы и поток оставался постоянным. Для этого из сети потребляется дополнительная порция тока и магнитный поток увеличивается. Таким образом в тр-рах основной магнитный поток при любом режиме работы всегда равен потоку Х.Х. . .

 

Ур-ние действ знач ЭДС:

2.Х.Х.

Режим Х.Х.:

Перегрев. Растет напр.

3.К.З.

     К.З.:

4. Коэф-т трансформации. Приведенный тр-р. Для удобства векторных диаграмм, а так же для построения схемы замещения пользуются приведенным трансформатором, у которого число витков одной обмотки приведено к числу витков другой обмотки, чаще всего приводят вторичную обмотку в первичной. Приводят таким образом, что бы энергетические соотношения – мощность, потери, косинус – в реальном и приведенном тр-рах были равны. 1)  2)  3)  4) , тогда   .

5. Схема замещения трансформатора.

В реальном тр-ре связь между первичной и вторичной обмотками осуществляется через магнитный поток, что для исследования неудобно, поэтому переходят к электрической схеме замещения.

=>

Переходим к приведенному трансформатору

а

=>  - это схема Т-образная. ( фиктивное сопротивление пропорциональное потерям в стали)

6. Работа трансформатора под нагрузкой. Векторная диаграмма при RL нагрузке.

При нагрузке МДС вторичной обмотки тр-ра создает поток  при этом  уменьшает магнитный поток первичной обмотки, однако учитывая, что  и  очень мало (1-2%), то . Что бы ЭДС первичной обмотки оставалось пост надо, что бы и поток оставался постоянным. Для этого из сети потребляется дополнительная порция тока и магнитный поток увеличивается. Таким образом в тр-рах основной магнитный поток при любом режиме работы всегда равен потоку Х.Х.

Ур-ния при RL нагрузке:

.

7   .Работа тр-ра под нагрузкой. Векторная диаграмма при RC нагрузке. При нагрузке МДС вторичной обмотки тр-ра создает поток  при этом  уменьшает магнитный поток первичной обмотки, однако учитывая, что  и  очень мало (1-2%), то . Что бы ЭДС первичной обмотки оставалось пост надо, что бы и поток оставался постоянным. Для этого из сети потребляется дополнительная порция тока и магнитный поток увеличивается. Таким образом в тр-рах основной магнитный поток при любом режиме работы всегда равен потоку Х.Х.  

Э. д. с. Ei = Ё'ч отстает от потока магнитопровода Фс на 90°. Ток Л отстает от ё\ на некоторый угол if2, значение которого определяется характером нагрузки. Вычитая из Ё[ падения напряжения jx'J'i (перпендикулярно /J) и г'г1'г (параллельно /0, получим вектор вторичного напряжения 0'2.

векторная диаграмма для смешанной активно-емкостной нагрузки, когда вектор тока İ2 опережает векторы Ё'2 и U' соответственно на. углы ψ2 и φ2. Отметим, что для ясности диаграмм величины İма, İmr и падений напряжения изображены непропорционально большими. В случае увеличения активно-емкостной нагрузки величины Е2=E'2 U'2 Фс и Iм при достаточно большом значении |ψ2 | или | φ2| могут даже увеличиться.

8. Работа тр-ра под нагрузкой. Изменение напряжения трансформатора.Внешние характеристики При нагрузке МДС вторичной обмотки тр-ра создает поток  при этом  уменьшает магнитный поток первичной обмотки, однако учитывая, что  и  очень мало (1-2%), то . Что бы ЭДС первичной обмотки оставалось пост надо, что бы и поток оставался постоянным. Для этого из сети потребляется дополнительная порция тока и магнитный поток увеличивается. Таким образом в тр-рах основной магнитный поток при любом режиме работы всегда равен потоку Х.Х.  

Изменением напряжения трансформатора называется арифметическая разность между вторичными напряжениями трансформатора при х.х. и при номинальном токе нагрузки, когда первичное напряжение постоянно и равно номинальному, а частота также постоянна и равна номинальной. ΔU%=  f (φ2) при I = 1н применительно к данным рассмотренного чис
ленного примера. Правый квадрант соответствует смешанной активно-индуктивной нагрузке, а левый квадрант — активно-емкостной нагрузке.

На рис. 15-5 видно, что при активно-индуктивной нагрузке вторичное напряжение трансформатора падает (ΔU>0), а в случае активно-емкостной нагрузки при достаточно большом угле сдвига фаз оно повышается (ΔU<0). Это обусловлено тем, что при протекании через индуктивное сопротивление индуктивный ток вызывает понижение напряжения, а емкостный ток — повышение его. Чем выше номинальное напряжение трансформатора, тем больше рассеяние трансформатора и напряжение короткого замыкания и поэтому тем больше изменение напряжения трансформатора.Внешняя характеристика. Зависимость вторичного напряжения U2 трансформатора от нагрузки /2 называют внешней характеристикой. Напомним, что в силовых трансформаторах за номинальное вторичное напряжение принимают напряжение на зажимах вторичной обмотки в режиме х. х. при номинальном первичном напряжении

Вид внешней характеристики (рис. 1.39) зависит от характера нагрузки трансформатора (соэф2). Внешнюю характеристику трансформатора можно построить поΔU = βuK(cosφк cosφ2 + sinφk sinφ2) = βUк cos(φK — φ2). путем расчета ΔU для разных значений р и соsφ2.

10. Потери и КПД трансформатора

   В процессе трансформирования электрической энергии часть энергии теряется в трансформаторе на покрытие потерь. Потери в трансформаторе разделяются на электрические  и  магнитные. Электрические потери. Обусловлены нагревом обмоток трансформаторов при прохождении по этим обмоткам электрического тока. Мощность электрических потерь Рэ пропорциональна квадрату тока и определяется суммой электрических потерь в первичной Рэ\ и во вторичной Р-,2 обмотках: (1.73). где т — число фаз в обмотках трансформатора (для однофазного трансформатора т = 1, для трехфазного т = 3). При проектировании трансформатора величину электрических потерь определяют по (1.73), а для изготовленного трансформатора эти потери определяют опытным путем, измерив мощность к. з. при номинальных токах в обмотках :  (1-74) где р — коэффициент нагрузки  .Электрические потери называют переменными, так как их величина зависит от нагрузки трансформатора (рис. 1.40). Магнитные потери. Происходят главным образом в магнито-проводе трансформатора. Причина этих потерь — систематическое перемагничивание магнитопровода переменным магнитным полем. Это перемагничивание вызывает в магнитопроводе два вида магнитных потерь: потери от гистерезиса Рг, связанные с затратой энергии на уничтожение остаточного магнетизма в ферромагнитном материале магнитопровода, и потери от вихревых токов Явт, наводимых переменным магнитным полем в пластинах магнитопровода: . С целью уменьшения магнитных потерь магнитопровод трансформатора выполняют из магнитно-мягкого ферромагнитного материала - тонколистовой электротехнической стали. При этом магнитопровод делают шихтованным в виде пакетов из тонких пластин (полос), изолированных с двух сторон тонкой пленкой лака.

Магнитные потери от гистерезиса прямо пропорциональны частоте перемагничивания магнитопровода, т. е. частоте переменного тока (PГ=f), а магнитные потери от вихревых токов пропорциональны квадрату этой частоты (Рвт = f2) Суммарные магнитные потери принято считать пропорциональными частоте -у тока в степени 1,3, т. е. PM=fU3. Величина магнитных потерь зависит также и от магнитной индукции в стержнях и ярмах магнитопровода (РмВ2). При неизменном первичном напряжении (U1 = const) магнитные потери постоянны, т. е. не зависят от нагрузки трансформатора  (рис. 1.40, а). При проектировании трансформатора магнитные потери определяют по значению удельных магнитных потерь Руя, происходящих в 1 кг тонколистовой электротехнической стали при значениях магнитной индукции 1,0; 1,5 или 1,7 Тл и частоте перемагничивания 50 Гц: ,  (1.75) где В — фактическое значение магнитной индукции в стержне или ярме магнитопровода трансформатора, Тл; Вх— магнитная индукция, соответствующая принятому значению удельных магнитных потерь, например Вх = = 1,0 или 1,5 Тл; G — масса стержня или ярма магнитопровода, кг. Коэффициент полезного действия трансформатора определяется как отношение активной мощности на выходе вторичной обмотки Рч (полезная мощность) к активной мощности на входе первичной обмотки Р1  (подводимая мощность):  Сумма потерь.Активная мощность на выходе вторичной обмотки трехфазного трансформатора  (Вт) . где   — номинальная мощность трансформатора, В*А; I2 и U 2 — линейные значения тока, А, и напряжения В. Учитывая, что  получаем выражение для расчета КПД трансформатора: 

11. Параллельная работа трансформаторов при ka¹kb

Предположим,  что два параллельно работающих трансформатора  и  удовлетворяют первому и третьему условиям, но не удовлетворяют второму условию, причем К  >К . Для выяснения сущности явления достаточно рассмотреть параллельную работу однофазных трансформаторов или соответствующих фаз двух трехфазных трансформаторов. Будем считать, что напряжение первичной сети равно номинальным первичным напряжениям каждого из параллельно включенных  трансформаторов, т.е. U1 =U1 =U1 . Тогда , причем, векторы  и совпадают по фазе (рисунок 6.3,а).

Параллельная работа трансформаторов с неодинаковыми коэффициентами трансформации при холостом ходе.

Ключ К разомкнут Под действием разности ЭДС  Ė Ė2-Ė2  появится уравнительный ток IУ, мгновенное распределение которого показано на рисунке 6.2 пунктирными стрелками. По отношению к току IУ трансформаторы  и   находятся в режиме короткого замыкания, причем, этот ток течет по обмоткам трансформатора в противоположных направлениях. Соответственно этому на рисунке 6.3 двумя векторами: IУ и IУ= -IУ. Если  и - полные сопротивления короткого замыкания трансформаторов  и , то   . Будем считать, что  и, пренебрегая активным сопротивлением, получим , где- индуктивные сопротивления короткого замыкания. Диаграмма строится по уравнениям

Если , то  = и отрезок А1А2 делится пополам, т.о. в данном случае снижает напряжение Е2  до общего на вторичных шинах U2=ОВ, а ток повышает напряжение Е2 до того же напряжения  U2. В этом именно состоит роль уравнительного тока.

Т.к. уравнительный ток протекает только по обмоткам трансформатора, то величина его будет довольно значительна. В качестве примера допустим, что параллельно работающие трансформаторы одинаковой мощности и , а их коэффициенты трансформации отличаются на 1%. Тогда или 9,1%.

12. Параллельная работа трансформаторов при ua¹ub

Предположим, что два параллельно работающих трансформатора  и  удовлетворяют первому и второму условиям, но не удовлетворяют третьему условию. Тогда при включении первичных обмоток в общую сеть вторичные ЭДС будут равны Ė2 = Ė2. Пусть uК>uК, тогда трансформатор  будет нагружен меньше, чем трансформатор  , т.к. и следовательно  IZ=IZ    I I1/ZК1/ZК,Умножим левую часть уравнения на UНОМ, а правую –на U2НОМ/100   Нагрузочные токи параллельно включенных трансформаторов обратно пропорциональны их полным сопротивлениям короткого замыкания. Если  uК=uК, I2 = I2, т.е трансформаторы нагружаются равномернр при увеличении нагрузки достигают номинальной мощности одновременно. Очевидно, при этом условия параллельной работы являются наилучшими. Если же  uК не равны, то при повышении нагрузки номинальной мощности достигнет трансформатор с наименьшим uК. другие же трансформаторы еще будут недогружены и в то же время дальнейшее увеличение общей нагрузки недопустимо, т.к. первый трансформатор будет перегружаться. Установленная мощность трансформаторов останется , т.о. недоиспользуемой. Рекомендуется включать на параллельную работу такие трансформаторы, для каждого из которых значение uК отличается от арифметического среднего значения uК всех трансформаторов не более чем на 10 и отношение номинальных мощностей которых находится в пределах 31.

13. Параллельная работа трансформаторов при неравенстве групп

Предположим,  что два параллельно работающих трансформатора  и  удовлетворяют второму и третьему условиям, но не удовлетворяют первому условию. Допустим, что на параллельную работу включены два трансформатора с соединениями обмоток  /-11  и /-12, имеющие одинаковые первичные и вторичные номинальные напряжения. Тогда ЭДС Е2 соответствующих фаз для этих трансформаторов будут равны по величине, но сдвинуты на 30 (рисунок 6.1). в замкнутом контуре вторичных обмоток действует разность этих  ЭДС Е2Е2Sin150=0,518E2.

Уравнительный ток течет только по первичным и вторичным обмоткам трансформаторов и ограничивается по величине только сопротивлениями этих обмоток, т.е. сопротивлениями короткого замыкания

Если, например, мощности трансформаторов и  , то относительная величина уравнительного тока будет

т.е. этот ток будет в 5,18 раз больше номинального. Наличие такого тока почти равносильно короткому замыканию.

Т.о. параллельное включение трансформаторов с различными группами соединений обмоток недопустимо.

14.схемы соединения обмоток, группы трансформаторов Если же в трансформаторе изменить направление обмотки НН или же переставить обозначения ее выводов, то ЭДС Ёах окажется сдвинутой по фазе относительно ЭДС Ёах на 180° (рис. 2.1,6). Сдвиг фаз между ЭДС Ёах и Ёах принято выражать группой соединения. Так как этот сдвиг фаз может изменяться от 0 до 360°, а кратность сдвига составляет 30°, то для обозначения группы соединения принят ряд чисел: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 и 0.

Угол смещения вектора линейной ЭДС обмотки НН по отношению к вектору линейной ЭДС обмотки ВН определяют умножением числа, обозначающего группу соединения, на 30°. Угол смещения отсчитывают от вектора ЭДС обмотки ВН по часовой стрелке до вектора ЭДС обмотки НН. Например, группа соединения 5 указывает, что вектор ЭДС НН отстает по фазе от вектора ЭДС ВН на угол 5-30°= 150°.

схема соединения «звезда — звезда» (рис.2 а). Векторные диаграммы ЭДС показывают, что сдвиг между линейными ЭДС ЁАВ и Ёаь в данном случае равен нулю. В этом можно убедиться, совместив точки А и а при наложении векторных диаграмм ЭДС обмоток ВН и НН. Следовательно, при указанных схемах соединения обмоток имеет место группа 0; обозначается Y/Y—0. Если же на стороне НН в нулевую точку соединить зажимы а, Ь и с, а снимать ЭДС с зажимов х, у и г, то ЭДС Ёаь изменит фазу на 180°и трансформатор будет принадлежать группе 6 (Y/Y—6)  (рис. 2б).

При соединении обмоток «звезда — треугольник», показанном на рис.3.а, имеет место группа 11 (Y/Δ —11). Если же поменять местами начала и концы фазных обмоток НН, то вектор Ёаь повернется на 180° и трансформатор будет относиться к группе 5 (Y/ Δ —5)   (рис.3.6).

При одинаковых схемах соединения обмоток ВН и НН, например Y/Y и Δ/Δ, получают четные группы соединения, а при неодинаковых схемах, например Y/Δ или Δ/Y, — нечетные. Рассмотренные четыре группы соединения (0, 6, 11 и 5) называют основными

Рис. 2

15. Принцип работы и устройство асинхронных машин.

Неподвижная часть машины переменного тока называется статором, а подвижная часть — ротором. Сердечники статора и ротора асинхронных машин собираются из листов электротехнической стали, которые до сборки обычно покрываются с обеих сторон масляно-канифольным изоляционным лаком. Сердечник статора закрепляется в корпусе, а сердечник ротора — на валу (машины малой и средней мощности) или на ободе с крестовиной и втулкой, надетой на вал (машины большой мощности). Вал ротора вращается в подшипниках, которые помещаются в подшипниковых щитах, прикрепляемых к корпусу статора (машины малой и средней мощности), или на отдельно стоящих подшипниковых стояках. На внутренней цилиндрической поверхности статора и на внешней цилиндрической же поверхности ротора имеются пазы, в которых размещаются проводники обмоток статора и ротора. Обмотка статора выполняется обычно трехфазной, присоединяется к сети трехфазного тока и называется поэтому также первичной обмоткой. Обмотка ротора тоже может быть выполнена трехфазной аналогично обмотке статора. Концы фаз такой обмотки ротора соединяются обычно в звезду, а начала с помощью контактных колец и металлографитных щеток выводятся наружу. Такая асинхронная машина называется машиной с фазным ротором. Другая разновидность обмотки ротора — обмотка в виде беличьей клетки. При этом в каждом пазу находится медный или алюминиевый стержень и концы всех стержней с обоих торцов ротора соединены с медными или алюминиевыми же кольцами, которые замыкают стержни накоротко. Стержни от сердечника обычно не изолируются. В машинах мощностью до 100 кВт стержни и кольца вместе с крылышками для вентиляции обычно изготовляются путем заливки ротора алюминием. Такая асинхронная машина называется машиной с кз ротором (машины мал и сред мощности). Воздушный зазор между статором и ротором в асинхронных машинах выполняется минимально возможным по условиям производства и надежности работы и тем больше, чем крупнее машины. В машинах мощностью в несколько киловатт зазор составляет 0,4—0,5 мм, а в машинах большой мощности — несколько миллиметров. Принцип действия асинхронной машины. Магнитный поток Ф1 создаваемый обмоткой статора, при своем вращении пересекает проводники обмотки ротора, индуктирует в них э. д. с. е12) и если обмотка ротора замкнута, то в ней возникают токи i2, частота которых f2 при неподвижном роторе (п = 0) равна первичной частоте f1. Если обмотка ротора является трехфазной, то в ней индуктируется трехфазный ток. Этот ток создает вращающийся поток ротора Ф2, число полюсов 2p, направление и скорость вращения которого при п = 0 такие же, как и у потока статора. Поэтому потоки Ф1 и Ф2 вращаются синхронно и образуют общий вращающийся поток двигателя Ф. При короткозамкнутом роторе в его стержнях индуктируется многофазная система токов i2 со сдвигом в соседних стержнях по фазе на угол где Z2 — число стержней ротора. Эти токи также создают вращающийся поток Ф2, число полюсов, направление и скорость вращения которого являются такими же, как и у потока фазного ротора. Поэтому и в данном случае в двигателе образуется общий магнитный поток Ф. В результате взаимодействия токов ротора с потоком возникают действующие на проводники, ротора механические силы F и вращающий электромагнитный момент М. В верхней части рис. показаны вращающаяся со скоростью  синусоидальная волна общего магнитного поля В машины и направления э. д. с. е2, индуктируемых этим полем в стержнях неподвижного короткозамкнутого ротора. В нижней части рис. показаны направления токов стержней i2 и действующих на них сил F для двух случаев: когда угол сдвига фаз  между е2 и i2 равен нулю и когда  = 90°.

При  = 0 все силы действуют в сторону вращения поля. Поэтому вращающий момент  отличен от нуля и также действует в сторону вращения поля. В то же время при  = 90°. силы действуют в разные стороны и М = 0. Отсюда следует, что вращающий момент создается только активной составляющей тока ротора . Цепь ротора асинхронного двигателя всегда обладает определенным активным сопротивлением, и поэтому при пуске двигателя (п = 0) всегда 0 < < 90°. В результате развиваемый момент М > 0, и если он больше статического тормозного момента на валу, то ротор двигателя придет во вращение в направлении вращения поля с некоторой скоростью п <п1 т. е. будет вращаться с некоторым отставанием, или скольжением, относительно поля статора. Относительная разность скоростей вращения поля и ротора  называется скольжением. Скольжение выражается также в процентах: . Скорость ротора n, выраженная через скольжение s, равна  При пуске двигателя (n = 0) имеем s = 1, а при вращении ротора синхронного с полем статора или с синхронной скоростью (n =n1) будет s = 0. При n =n1 магнитное поле статора относительно ротора неподвижно и токи в роторе индуктироваться не будут, поэтому М = 0 и такой скорости вращения двигатель достичь не может. Вследствие этого в режиме двигателя всегда 0 <n<n1 и l>s>0.

При вращении ротора в сторону поля частота пересечения полем проводников ротора пропорциональна разности скоростей n1 — n и частота тока в обмотке ротора . Тогда получим, что  т. е. вторичная частота пропорциональна скольжению. При частоте тока f2 < f1 скорость вращения поля ротора относительно самого ротора n2p также меньше n1 и  Скорость вращения поля ротора относительно статора  т. е. скорость вращения поля ротора относительно статора при любой скорости вращения ротора n равна скорости вращения поля статора n1. Поэтому поля статора и ротора при вращающемся роторе также вращаются всегда синхронно и образуют общее вращающееся поле. Если ротор асинхронной машины с помощью внешней силы (вращающего момента) привести во вращение в направлении вращения поля статора со скоростью выше синхронной (п>n1), то ротор будет обгонять поле и направления индуктируемых в обмотке ротора токов по сравнению с изображенными изменяются на обратные (при этом будет работать в режиме генератора и отдавать -активную мощность в сеть). В режиме генератора s <; 0. Если ротор вращать в направлении, обратном направлению вращения поля статора (п < 0), то указанные направления e2, i2 и F сохраняются. Электромагнитный момент М будет действовать в направлении вращения поля статора, но будет тормозить вращение ротора. Этот режим работы асинхронной машины называется режимом противовключения или режимом электромагнитного тормоза. В этом режиме s > 1.

16. Схема замещения асинхронного двигателя

Уравнениям напряжений и токов, а также векторной диаграмме асинхронного двигателя соответствует электрическая схема замещения асинхронного двигателя. На рис., а представлена Т-образная схема замещения. Магнитная связь обмоток статора и ротора в асинхронном двигателе на схеме замещения заменена электрической связью цепей статора и ротора. Активное сопротивление можно рассматривать как внешнее сопротивление, включенное в обмотку неподвижного ротора. В этом случае асинхронный двигатель аналогичен трансформатору, работающему на активную нагрузку. Сопротивление  — единственный переменный параметр схемы. Значение этого сопротивления определяется скольжением, а следовательно, механической нагрузкой на валу двигателя. Так, если нагрузочный момент на валу двигателя М2 = 0, то скольжение s. При этом , что соответствует работе двигателя в режиме х. х. Если же нагрузочный момент на валу двигателя превышает его вращающий момент, то ротор останавливается (s = 1). При этом , что соответствует режиму к. з. асинхронного двигателя. Более удобной для практического применения является Г-образная схема замещения (рис., б), у которой намагничивающий контур (Zm = rm + jxm) вынесен на входные зажимы схей i замещения. Чтобы при этом намагничивающий ток  не изменил своего значения, в этот контур последовательно включают сопротивления обмотки статора r1 и х1. Полученная таким образом схема удобна тем, что она состоит из двух параллельно соединенных контуров: намагничивающего с током  и рабочего с током — .

18.Уравнение напряжений и токов…,(продолжение)

Двигательный режим. При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле, которое, сцепляясь с короткозамкнутой обмоткой ротора, наводит в ней ЭДС. При этом в стержнях обмотки ротора появляются токи (рис). В результате взаимодействия этих токов с вращающимся магнитным полем на роторе возникают электромагнитные силы. Совокупность этих сил создает электромагнитный вращающий момент, под действием которого ротор асинхронного двигателя приходит во вращение с частотой n2 <n1 в сторону вращения поля статора. Если вал асинхронного двигателя механически соединить с валом какого-либо исполнительного механизма ИМ (станка, подъемного крана и т.п.), то вращающий момент двигателя М, преодолев противодействующий (нагрузочный) момент Мнагр исполнительного механизма, приведет механизм во вращение. Следовательно, электрическая мощность Pi, поступающая в двигатель из сети, в основной своей части преобразуется в механическую мощность Рг и передается ИМ

(Весьма важным параметром асинхронной машины является скольжение — величина, характеризующая разность частот вращения ротора и вращающегося поля статора: § 1

5 = (/ti — П2)/П\. (10.1)

Скольжение выражают в долях единицы либо в процентах.В последнем случае величину, полученную по (10.1), следует умножить на 100.

19.Работа асинхронной машины в режиме электромагнитного тормоза.

В режиме противовключения ротор вращается в сторону противоположную полю статора. ЭДС и активная составляющая тока поля ротора направлена также, как и в режиме двигателя, а сила и момент направлены также, как и в двигателе в сторону вращения поля статора, но в противоположную сторону по отношению движения ротора, поэтому машина потребляет из сети со стороны статора электрическую мощность, а со стороны ротора механическую мощность, т.к. момент является тормозным генераторным и вся эта мощность теряется в самой машине в виде потерь в обмотках. Этот режим тяжелый в температурном отношении и применяется кратковременно. Этот режим применяется или для быстрой остановки машины или для реверса, в этом случае меняем 2 фазы, поле меняет свое направление, а ротор по инерции вращается в ту же сторону, что и раньше, когда он остановится,сеть отключаем, а если нужен реверс, то машина начинает вращаться в нужную сторону.

S=(n-n1)/n ,  S>1.

Векторная диаграмма такая же, как и в режиме двигателя, но поскольку активная составляющая R’2 /S маленькая, то Ψ2 приближается к 90˚.

20. Работа асинхронной машины в режиме генератора

Генераторный режим (— оо < s < 0). Для осуществления генераторного режима работы асинхронной машины ее нужно включить в сеть переменного тока и вращать с помощью соответствующего приводного двигателя (машина постоянного тока, тепловой или гидравлический двигатель) в сторону вращения магнитного поля со скоростью п, превышающей синхронную скорость пх. Скольжение машины при этом, отрицательно. Теоретически скорость п в генераторном режиме может изменяться в пределах п1 <п < оо, чему  соответствует изменение скольжения в пределах 0 > s > — оо. В действительности высокие скорости вращения недопустимы по условиям механической прочности, а по условиям ограничения потерь и нагревания и сохранения высокого к. п. д. в генераторном режиме возможны абсолютные значения скольжения такого же порядка, как и в двигательном режиме. В генераторном режиме s < 0 и, согласно выражению (24-85),  по-прежнему /2г>0, а величина 12а меняет знак, т. е. становится отрицательной и меняет свою фазу на 180°. Физически это объясняется тем, что поле вращается относительно ротора по сравнению с двигательным режимом в обратную сторону, вследствие чего изменяются знаки э. д. с. Е2S и активной составляющей тока /2. В результате изменяется также знак вращающего момента, т. е. последний действует против направления вращения и становится тормозящим. На основании изложенного на рис., б построена векторная диаграмма асинхронного генератора. Вектор первичного тока, вследствие поворота I2 почти на 180° также поворачивается в сторону вращения часовой стрелки. При этом  > 90° и  т. е. активные составляющие первичного тока и первичной мощности изменяют знак. Это означает, что машина уже не потребляет,, как в режиме двигателя, а отдает в сеть активную мощность и активный ток, т. е. работает в режиме генератора и преобразует потребляемую с вала механическую энергию в электрическую.

21. Мощности и энергетическая диаграмма асинхронного двигателя

Преобразование электрической энергии в механическую в асинхронном двигателе, как и в других электрических машинах, связано с потерями энергии, поэтому полезная мощность на выходе двигателя Р2 всегда меньше мощности на входе (потребляемой мощности) Р1 на величину потерь ∑ Р:

Р2=Р1-∑Р. (13.1)

Потери ∑Р преобразуются в теплоту, что в конечном итоге ведет к нагреву машины. Потери в электрических машинах разделяются на основные и добавочные. Основные потери включают в себя магнитные, электрические и механические.

Магнитные потери Рм в асинхронном двигателе вызваны потерями на гистерезис  и потерями на вихревые токи, происходящими в сердечнике при его перемагничивании. Величина магнитных потерь пропорциональна частоте перемагничивания PM≡fβ, где β=1,3÷1,5. Частота перемагничивания сердечника статора равна частоте тока в сети (f = f1), а частота  перемагничивания  сердечника ротора f=f2 = f1 s. При частоте тока в сети        f1 = 50 Гц и номинальном   скольжении   sH0M = 1÷8% частота перемагничивания ротора f = f2 = 2÷4 Гц, поэтому магнитные потери в сердечнике ротора настолько малы, что их в практических расчетах не учитывают.

Электрические потери в асинхронном двигателе вызваны нагревом обмоток статора и ротора проходящими по ним токами. Величина этих потерь пропорциональна квадрату тока в обмотке (Вт):

электрические потери в обмотке статора

Рэ1 = т1I1 2 r1(13.2) электрические потери в обмотке ротора

Рэ2 = m2I2  2r2 = m1 I’2 2 r’ 2. (13.3)

Здесь r1 и r2 — активные сопротивления обмоток фаз статора и ротора пересчитанные на рабочую температуру Θраб :

r1= r1 .20[1 + α(Θраб - 20)]; r2 = r2.20[1 + α(Θраб - 20)], (13.4)

где r1 .20  и r2.20 — активные сопротивления обмоток при температуре     Θ1 = 20 °С; α — температурный коэффициент, для меди и алюминия α=0,004.

Электрические потери в роторе прямо пропорциональны скольжению:

Pэ2 = sPэм, (13.5) где Pэм – электромагнитная мощность асинхронного двигателя, Вт,

Pэм= P1-(Pм+Pэ1), (13.6)

Из (13.5) следует, что работа асинхронного двигателя экономичнее при малых скольжениях, так как с ростом скольжения растут электрические потери в роторе.

В асинхронных двигателях с фазным ротором помимо перечисленных электрических потерь имеют место еще и электрические потери в щеточном контакте Рэ.щ. = ЗI2ΔUщ/2, где ΔUщ= 2,2 В — переходное падение напряжения на пару щеток.

Механические потери Рмех — это потери на трение в подшипниках и на вентиляцию. Величина этих потерь пропорциональна квадрату частоты вращения ротора (Рмех≡n22 ). В асинхронных двигателях с фазным ротором механические потери происходят еще и за счет трения между щетками и контактными кольцами ротора.

Добавочные потери включают в себя все виды трудноучитываемых потерь, вызванных действием высших гармоник МДС, пульсацией магнитной индукции в зубцах и другими причинами. В соответствии с ГОСТом добавочные потери асинхронных двигателей принимают равными 0,5 % от подводимой к двигателю мощности P1:

Pдоб = 0,005Р1 (13.7)  

При расчете добавочных потерь для неноминального режима следует пользоваться выражением

Р1доб= Pдоб β2    (13.8)

где β = I1/I1ном  — коэффициент нагрузки.

Сумма всех потерь асинхронного двигателя (Вт)

∑Р = Рм –Рэ1,  + Рэ2 + Рмех + Рдоб.  (13.9)

На рис. 13.1 представлена энергетическая диаграмма асинхронного двигателя, из которой видно, что часть подводимой к двигателю мощности P1=тU1I1cosφ1  затрачивается в статоре на магнитные Рм и электрические Рэ1 потери. Оставшаяся после этого электромагнитная мощность Рэм передается на ротор, где частично расходуется на электрические потери Рэ2 и преобразуется в полную механическую мощность Р’2. Часть мощности идет на покрытие механических Рмех и добавочных потерь Рдоб, а оставшаяся часть этой мощности Р2 составляет полезную мощность двигателя.

У асинхронного двигателя КПД

η = P2 /P1 =1-∑Р/ P1 (13.10)

Электрические потери в обмотках Рэ1   и  Рэ2   являются переменными потерями, так как их величина зависит от нагрузки двигателя, т. е. от значений токов в обмотках статора   и  ротора   [см.   (13.2) и (13.3)]. Переменными являются также и добавочные потери (13.8). Что же касается магнитных Рм и механических Рмех, то они практически не зависят  от  нагрузки (исключение составляют  двигатели,  у которых с изменением нагрузки в широком диапазоне  меняется  частота вращения) .

Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя с изменениями нагрузки также меняет свою величину: в режиме холостого хода КПД равен нулю, а затем с ростом нагрузки он увеличивается, достигая максимума при нагрузке (0,7-0,8)Рном. При дальнейшем увеличении нагрузки КПД незначительно снижается, а при перегрузке (Р2>РН0М) он резко убывает, что объясняется интенсивным ростом переменных потерь (Рэ1+ Рэ2+ Рдоб), величина которых пропорциональна квадрату тока статора, и уменьшением коэффициента мощности.

Рис. 13.1. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя

температура 6р.в

22.Зависимость эл.магнитного момента от активной составляющей тока ротора.

Ω-угловая механическая скорость поля статора

;

Эл.магнитный момент пропорционален потоку и активн. Составляющей тока ротора.

23.Условия устойчивой работы асинхронного двигателя.

Статический момент Мст равен сумме противодействующих моментов при равномерном вращении ротора (n2 = const). Допустим, что противодействующий момент на валу двигателя М2 соответствует номинальной нагрузке двигателя. В этом случае установившийся режим работы двигателя определится точкой на механической характеристике с координатами М = Мном и S = Sном, где Мном и SН0М — номинальные значения электромагнитного момента и скольжения.

Из анализа механической характеристики также следует, что устойчивая работа асинхронного двигателя возможна при скольжениях меньше критического (s < sKp), т. е. на участке OA механической характеристики. Дело в том, что именно на этом участке изменение нагрузки на валу двигателя сопровождается соответствующим изменением электромагнитного момента. Так, если двигатель работал в номинальном режиме (Мном; sH0M), то имело место равенство моментов: М„ом = М0 + М2. Если произошло увеличение нагрузочного момента М2 до значения М'2, то равенство моментов нарушится, т. е. МНОм < Мо + М2, и частота вращения ротора начнет убывать (скольжение будет увеличиваться). Это приведет к росту электромагнитного момента до значения М' == Мо + Мг (точка В), после чего режим работы двигателя вновь станет установившимся. Если же при работе двигателя в номинальном режиме произойдет уменьшение нагрузочного момента до значения М%, то равенство моментов вновь нарушится, но теперь вращающий момент окажется больше суммы противодействующих: Мном > Мо -f- М'{. Частота вращения ротора начнет возрастать (скольжение будет уменьшаться), и это приведет к уменьшению электромагнитного момента М до значения М" = МоЩ (точка С); устойчивый* режим работы будет вновь восстановлен, но уже при других значениях М и 1

гига.

Работа асинхронного двигателя становится неустойчивой при скольжениях s ^ sKp. Так, если электромагнитный момент двигателя М = Мщах, а скольжение mm sKp, то даже незначительное увеличение нагрузочного момента М2, вызвав увеличение скольжения s, приведет к уменьшению электромагнитного момента М. За этим последует дальнейшее увеличение скольжения и т. д., пока скольжение не достигнет значения s = 1, т. е. пока ротор двигателя не остановится.

Таким образом, при достижении электромагнитным моментом максимального значения наступает предел устойчивой работы асинхронного двигателя. Следовательно, для устойчивой работы двигателя необходимо, чтобы сумма нагрузочных моментов, действующих на ротор, была меньше максимального момента: Мст = Мо+ М2 <. Но чтобы работа асинхронного двигателя была надежной и чтобы случайные кратковременные перегрузки не вызывали остановок двигателя, необходимо, чтобы он обладал перегрузочной способностью.

24. Вращающий момент асинхронной машины и его зависимость от скольжения, параметров, напряжений.

Электромагнитный момент асинхронного двигателя создается взаимодействием тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем. Электромагнитный момент М пропорционален электромагнитной мощности: где

— угловая синхронная скорость вращения.

т. е. электромагнитный момент асинхронного двигателя пропорционален мощности электрических потерь в обмотке ротора.

Если значение тока ротора по выражению подставить, то получим формулу электромагнитного момента асинхронной машины (Н-м):

Параметры схемы замещения асинхронной машины  r1,,x1 и входящие в выражение являются постоянны-м и, так как их значение при изменениях нагрузки машины остается практически неизменным. Также постоянными можно считать напряжение на обмотке фазы статора U\ и частоту f\. В выражении момента М единственная переменная величина — скольжение 5, которое для различных режимов работы асинхронной машины может принимать разные значения в диапазоне от +оо до — оо

Для определения величины критического скольжения sKP, соответствующего максимальному моменту, «необходимо взять первую производную от (13.14) и приравнять ее нулю: dM/ds = = 0. В результате |.

Анализ выражения (13.16) показывает, что максимальный момент асинхронной машины в генераторном режиме больше, чем в двигательном (Мгmax>Мmaxд). На рис. 13.2 показана механическая характеристика асинхронной машины М = f{s) при U\ — const. На этой характеристике указаны зоны, соответствующие различным режимам работы: двигательный режим (0 <s<=1).

Из  следует, что электромагнитный момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату  напряжения сети: M=. Это в значительной степени отражается на эксплуатационных свойствах двигателя: даже небольшое снижение напряжения сети вызывает заметное уменьшение вращающего момента асинхронного двигателя.

25. Начальный, номинальный и максимальный моменты вращения. Кратности моментов. 

Для оценки и сравнения пусковых свойств асинхронных двигателей (АД) моменты, развиваемые АД при пуске и разгоне, принято выражать не в абсолютных, а в относительных единицах, т. е. указывать кратность момента по отношению к номинальному (М* = М/Мном). Кривая M*=f(s) имеет несколько характерных точек, соответствующих пусковому, минимальному, максимальному и номинальному моментам.

Пусковой момент характеризует начальный момент, развиваемый АД непосредственно после включения в сеть при неподвижном роторе (s = 1). В начале разгона АД его момент несколько уменьшается по сравнению с пусковым. Обычно на 10 — 15 % меньше Мп. У большинства АД Мп» > 1, однако АД могут быть пущены под нагрузкой только при условии, что момент сопротивления на валу будет меньше, чем Мторм, иначе АД не разгонится и будет работать с большим скольжением (участок кривой от Mmln<c до Мп«). Такой режим опасен для АД, так как сопровождается большими токами обмоток.

Максимальный момент характеризует наибольший момент АД — его перегрузочную способность. Часто Мтах„ называют также критическим моментом, а скольжение, при котором момент достигает максимума,— критическим скольжением (sKp). В АД общего назначения sKp обычно не выходит за пределы 0,07 — 0,12. Если момент сопротивления при работе АД превышает, АД останавливается.

Номинальный момент Мном — это момент на валу АД, работающего при номинальном напряжении с номинальной нагрузкой при номинальном скольжении. Режим, при котором обмотка статора подключена к сети, а ротор неподвижен (заторможен), называют коротким замыканием АД. При s = 1 ток АД в несколько раз превышает номинальный, поэтому в режиме короткого замыкания АД, не рассчитанный на работу при s=1, может находиться лишь в течение нескольких секунд. Режим короткого замыкания возникает при каждом пуске АД из неподвижного состояния, однако в этих случаях он кратко-времен и обмотка не успевает нагреться выше допустимого уровня. Несколько пусков АД подряд через короткие промежутки времени могут повлечь за собой повышение температуры его обмоток выше допустимой, если АД не рассчитаны на такой режим работы. Асинхронные машины, предназначенные для работы с большими скольжениями, с s = 1 (в трансформаторном режиме) или с s > 1 (в тормозном режиме), специально рассчитывают с учетом повышенных токов в обмотках. Рабочие характеристики АД показывают, что наибольший КПД достигается при нагрузке на: 10—15% меньшей номинальной. Двигатели рассчитываются так потому, что большинство из них в силу стандартной дискретной шкалы мощностей работают с некоторой недогрузкой. При эксплуатации АД с нагрузкой, существенно меньшей номинальной, уменьшаются и их КПД, и коэффициент мощности. Асинхронные двигатели в силу ряда достоинств (относительная дешевизна, высокие энергетические показатели, простота обслуживания) являются наиболее распространенными среди всех электрических машин. В количественном отношении они составляют около 90% всего парка машин в народном хозяйстве, а по установленной мощности - около 55 %.

26 Пуск в ход асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

При этом способе включения двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора явления, имеющие место в первый момент включения, те же, что и в короткозамкнутом трансформаторе. На рисунке 8.6, а показана схема включения двигателя 1 и индуктивного сопротивления 2. При пуске сначала замыкают рубильник 3, а затем при вращении ротора рубильник 4. Величина индуктивного сопротивления подбирается таким образом, чтобы кратность пускового тока In / Iн =2 2,5; для этого нужно понизить напряжение на двигателе в 2-3 раза. Включение регулируемого индуктивного сопротивления позволяет осуществить плавный пуск двигателя. Начальное значение пускового момента уменьшается пропорционально (Un / UH )2, т. е. в 4-9 раз.

Понижение напряжения автотрансформатором

Вместо индуктивного сопротивления можно применить автотрансформатор 5 (рисунок 8.6,б). Применение автотрансформатора позволяет получить большую величину пускового момента, чем в случае индуктивного сопротивления при одинаковых токах в линии. Если сохранить прежнее значение In / Iн =2 2,5, то требуется понижение напряжения автотрансформатором только в 1,5-2 раза, а это приводит к уменьшению пускового момента в 2-4 раза.

Рисунок 8.6-Понижение напряжения при пуске:         Рисунок 8.7 - Пуск двигателя                       а - индуктивным сопротивлением;                                               с переключением со звезды на

б - автотрансформатором                                                   треугольник

Недостатком обоих способов пуска является значительная стоимость пусковой аппаратуры.

27. Пуск в ход асинхронных двигателей с контактными кольцами.

Пусковые свойства двигателя определяются в первую очередь значением пускового тока, или его кратностью и значением пускового момента Мп или его кратностью Mn/MHoM. Двигатель, обладающий хорошими пусковыми свойствами, развивает значительный пусковой момент при сравнительно небольшом пусковом токе.|Однако получение такого сочетания пусковых параметров в асинхронном двигателе сопряжено с определенными трудностями, а иногда оказывается невозможным. 

Наличие контактных колец у двигателей с фазным ротором позволяет подключить к обмотке ротора пусковой реостат (ПР). При этом активное сопротивление цепи ротора, увеличивается до значения  где  — электрическое сопротивление пускового реостата, приведенное к обмотке статора. Влияние возросшего значения активного сопротивления на пусковой момент двигателя Мп Это влияние графически показано на рис. 15.1, из которого видно, что если при отсутствии ПР, т.е. при активном сопротивлении цепи ротора  пусковой момент Мп = Мпо то при введении в цепь ротора добавочного активного сопротивления  когда

При выборе сопротивления пускового реостата глmax исходят из условий пуска двигателя: если двигатель включают при значительном нагрузочном моменте на валу, сопротивление пускового реостата гдmax выбирают таким, чтобы обеспечить наибольший пусковой момент если же двигатель включают при небольшом нагрузочном моменте на валу, когда пусковой момент не имеет решающего значения для пуска, оказывается целесообразным сопротивление ПР гД1max 

После того как электромагнитный момент двигателя уменьшится до значения, равного значению противодействующего момента на валу двигателя, частота вращения ротора достигнет установившегося значения и процесс пуска двигателя будет закончен. Таким образом, в течение всего процесса пуска значение пускового момента остается приблизительно постоянным, равным Мпср. Следует иметь в виду, что при слишком быстром переключении ступеней реостата пусковой ток может достигнуть недопустимо больших значений.

Пусковые реостаты состоят из кожуха, рычага с переключающим устройством и сопротивлений, выполненных из металлической проволоки или ленты, намотанной в виде спирали, или же из чугунного литья. Пусковые реостаты рассчитаны на кратковременное протекание тока, а поэтому рычаг пускового реостата нельзя долго задерживать на промежуточных ступенях, так как сопротивления реостата могут перегореть. По окончании процесса пуска, когда рычаг реостата находится на последней ступени, обмотка ротора замкнута накоротко.

В заключение отметим, что в асинхронных двигателях с фазным ротором обеспечивается наиболее благоприятное соотношение между пусковым моментом и пусковым током: большой пусковой момент при небольшом пусковом токе (в 2—3 раза больше номинального). Недостатками пусковых свойств двигателей с фазным ротором являются некоторая сложность, продолжительность и неэкономичность пусковой операции. Последнее вызывается необходимостью применения в схеме двигатнля пускового реостата непроизводительным расходом электроэнергии при его нагреве

28. Регулирование частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (изменение числа пар полюсов).

Регулирование переключением числа полюсов, как это следует из формулы , позволяет изменить скорость вращения поля статора, а значит, и скорость вращения ротора. Наиболее просто изменять число полюсов для короткозамкнутых двигателей в отношении 1:2. В этом случае обмотка каждой фазы статора выполняется в виде двух одинаковых секций. При последовательном соединении секций (рисунок 73) число пар полюсов р=2. Параллельное соединение секций дает р=1. Такой двигатель называется двухскоростным. Практически изменение числа полюсов статора производится переключением со звезды на двойную звезду или с треугольника на двойную звезду.  При этом в первом случае по условиям полного использования двигателя по нагреву регулирование должно производиться при постоянном моменте нагрузки, а во втором - при постоянной мощности. Если на статоре двигателя уложить две отдельные обмотки (каждую с переключением числа пар полюсов), то получим четырехскоростной двигатель. В трехскоростном двигателе одна из обмоток не имеет переключения числа пар полюсов. Многоскоростные двигатели наиболее целесообразно применять в механизмах, не требующих плавного регулирования скорости (некоторые металлорежущие станки, вентиляторы и насосы, работающие с разными режимами и т.д.)

29 Введение сопротивления в цепь ротора. Первые два способа регулировки скорости вращения асинхронного двигателя требуют или специального исполнения двигателя, или наличия специального преобразователя частоты и поэтому широкого распространения не получили1. Третий способ регулировки скорости вращения асинхронных двигателей состоит в том, что во время работы двигателя в цепь обмотки ротора вводят сопротивление регулировочного реостата.

С увеличением активного сопротивления цепи ротора возрастает величина скольжения S, соответствующая заданному значению вращающего момента М (величина вращающего момента, развиваемого двигателем, равна моменту сопротивления на валу двигателя). Таким образом, вводя дополнительно активное сопротивление в цепь фазного ротора, мы увеличиваем скольжение S и, следовательно, снижаем скорость вращения ротора n. Такой способ регулирования применим только для асинхронных двигателей с фазным ротором. Регулировочный реостат включают в цепь ротора так же, как и пусковой реостат. Разница между пусковым и регулировочным реостатом состоит в том, что регулировочный реостат рассчитан на длительное прохождение тока. Для двигателей, у которых производится регулировка скорости вращения путем изменения сопротивления в цепи ротора, пусковой и регулировочный реостаты объединяются в один пускорегулировочный реостат. Недостатком этого способа регулирования является то, что в регулировочном реостате происходит значительная потеря мощности, тем большая, чем шире регулировка скорости вращения двигателя.

30. Регулирование частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (изменение напряжения).

Подводимым напряжением к трем фазам статора асинхронного двигателя можно изменять максимальный момент, не изменяя критического скольжения. Устройством для регулирования напряжения может быть, например, тиристорный регулятор; при этом в каждой фазе статора двигателя находится два встречно-параллельно включенных тиристора. Управляя углом включения тиристоров (фазовое управление), можно плавно менять действующее значение напряжения.

Максимальный момент при пониженном напряжении снижается пропорционально квадрату напряжения

МК,И = МК (UИ/UНОМ)2,      (66)

где МК,И, МК - соответственно максимальные моменты, развиваемые двигателем при сниженном и номинальном напряжениях;

UИ, UНОМ - соответственно пониженное и номинальное напряжения.

Критическое скольжение, не зависящее от напряжения, остается неизменным. Не изменяется также и синхронная угловая скорость, которая зависит только от частоты питающего напряжения и числа пар полюсов двигателя.

Регулирование угловой скорости двигателя при этом способе происходит за счет уменьшения модуля жесткости механических характеристик и осуществляется вниз от номинальной угловой скорости. Плавность регулирования определяется плавностью изменения напряжения; при применении тиристорного регулятора напряжения угловая скорость регулируется бесступенчато.

 Механические характеристики двигателя при регулировании напряжения на статоре приведены в разделе 2 на рисунке 61. Из этих характеристик следует, что пределы регулирования весьма ограничены даже при использовании вентиляторной нагрузки, но они могут быть существенно расширены в замкнутых системах электропривода.

Изменение подводимого напряжения можно также осуществлять с помощью дросселей насыщения за счет плавного изменения индуктивного сопротивления цепи статора в широких пределах. При включении дросселей в цепь статора асинхронного двигателя величина падения напряжения в обмотках переменного тока дросселей, а значит, и величина напряжения на зажимах статора двигателя определяются степенью подмагничивания дросселей. Чем больше ток управляющей обмотки iУ, тем меньше падение напряжения на дросселе и больше напряжение на зажимах статора.

В двигателях с фазным ротором дроссели насыщения можно включить и в цепь ротора.

Дроссельное регулирование скорости отличается простотой, надежностью. Однако из-за неэкономичности работы двигателя на низких скоростях и громоздкости самих дросселей этот метод регулирования применяется в основном для маломощных приводов.

31.Регулирование частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей с фазным ротором.

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей В ряде специальных установок асинхронные машины с фазными роторами используются в качестве преобразователей частоты, для изменения фазы (фазовращатели) и для изменения напряжения (индукционные регуляторы). Одним из недостатков АД является неэкономичное регулирование частоты вращения. Частота вращения АД np = nc (I - s) =(1 — s) при постоянном моменте сопротивления зависит от скольжения и частоты вращения поля. Изменение скольжения может быть достигнуто либо увеличением сопротивления цепи ротора, либо изменением потока. Первый способ применим лишь для АД с фазным ротором. Он дает возможность регулировать частоту вращения в широком диапазоне (практически от s = 1 до s = sHOM), но не экономичен, так как в дополнительно введенных в цепь обмотки ротора резисторах возникают большие потери от полного тока ротора. Изменение частоты вращения поля пс достигается либо регулированием частоты тока питания, либо изменением числа полюсов обмотки статора. Регулирование изменением частоты тока питания в последние годы получает все большее распространение в связи с развитием и совершенствованием тиристорных преобразователей. Основным недостатком данного метода наряду с высокой стоимостью самого преобразователя, некоторым снижением надежности работы всей установки и увеличением ее габаритов является несинусоидальность тока на выходе преобразователя, отражающаяся на технических показателях АД. Регулирование частоты вращения путем изменения числа полюсов статора широко распространено во многих приводных установках. Обмотки АД с переключением числа пар полюсов дают возможность ступенчатого (две, три или четыре ступени) регулирования частоты вращения. Многоскоростные АД применяются во многих промышленных приводах и выпускаются электромашиностроительными заводами как модификации основных серий машин общего назначения. Основным недостатком данного метода является невозможность плавного регулирования и меньшее, чем в обычных АД, использование активного объема машины: габаритные размеры многоскоростных АД всегда больше, чем односкоростных тех же мощности и частоты вращения. В некоторых установках применяют способ регулирования частоты вращения введением добавочной ЭДС в цепь фазного ротора. Источником добавочной ЭДС, частота которой должна быть равна частоте тока ротора (/2 = s/j), может служить электромашинный или тиристорный преобразователь, частота на выходе которого определяется частотой вращения регулируемой машины. Другие возможные методы регулирования частоты вращения АД не получили распространения.

32.Двухклеточный асинхронный двигатель.

Еще лучшими пусковыми свойствами обладают асинхронные двигатели с двумя короткозамкнутыми клетками на роторе (рис.1): рабочей клеткой 1, стержни которой расположены в нижнем слое, и пусковой клеткой 2, стержни которой расположены в верхнем слое, ближе к воздушному зазору. Стержни пусковой клетки обычно выполняют из латуни или бронзы — материалов, обладающих более высоким, чем  у меди,  активным

сопротивлением. Индуктивное сопротивление рассеяния пусковой клетки невелико, так как ее стержни расположены вблизи воздушного зазора и к тому же с двух сторон имеют воздушные щели (рис.1). Стержни рабочей клетки выполняют из меди, и по сравнению со стержнями пусковой клетки они имеют большее сечение. Это обеспечивает рабочей клетке малое активное сопротивление. Но зато индуктивное сопротивление рабочей клетки больше, чем у пусковой, особенно в начальный период пуска, когда частота тока в роторе сравнительно велика (f2≈f1).

Рис.1 Двухклеточный ротор: распределение плотности тока в рабочей и пусковой клетках при пуске и работе двигателя

В момент пуска двигателя ток ротора проходит в основном по верхней (пусковой) клетке, обладающей малым индуктивным сопротивлением. При этом плотность тока в стержнях пусковой клетки намного больше плотности тока в стержнях  рабочей клетки (рис.1). Повышенное активное сопротивление этой клетки обеспечивает двигателю значительный пусковой момент при  пониженном   пусковом  токе.  По  мере увеличения частоты вращения ротора уменьшается частота тока в роторе, при этом индуктивное   сопротивление  рабочей  клетки уменьшается, и распределение плотности тока в стержнях пусковой и рабочей   клеток   становится   почти одинаковым.    В   итоге   происходит перераспределение вращающего момента между клетками: если в начальный период пуска момент создается главным образом токами пусковой клетки, то по окончании периода пуска вращающий момент создается в основном токами рабочей клетки.

Так как активные сопротивления клеток ротора неодинаковы, то зависимость M = f(s) этих клеток изображается разными кривыми (рис 15.9). Максимальное значение момента пусковой клетки вследствие ее повышенного активного сопротивления смещено в сторону скольжений, близких к единице. Вращающие моменты от обеих клеток направлены в одну сторону, поэтому результирующий момент двигателя равен сумме моментов пусковой Мп.к. и рабочей Мраб.к. клеток М= Мп.к+ Мраб.к.

Двигатели с двумя клетками на роторе по сравнению с асинхронными двигателями обычной конструкции имеют повышенную стоимость, что объясняется сложностью конструкции.

33.Глубокопазный асинхронный двигатель.

От обычного асинхронного двигателя этот двигатель отличается тем, что у него пазы ротора сделаны в виде узких глубоких щелей, в которые вложены стержни обмотки ротора, представляющие собой узкие полосы. С обеих сторон эти стержни приварены к замыкающим кольцам Обычно глубокий паз имеет соотношение размеров hп/bп=9÷10, где hп, bп - высота и ширина паза.

В момент включения двигателя, когда частота тока в роторе имеет наибольшее значение (f2= f1), индуктивное сопротивление нижней части каждого стержня значительно больше верхней. Объясняется это тем, что нижняя часть стержня сцеплена с большим числом магнитных силовых линий поля рассеяния. На рис. 1,б показан график распределения плотности пускового тока в стержне ротора с глубокими пазами по высоте стержня. Из этого графика следует, что почти весь ток ротора проходит по верхней части стержня, поперечное сечение которой намного меньше сечения всего стержня. Это равноценно увеличению активного сопротивления стержня ротора, что, как известно, способствует росту пускового момента двигателя и некоторому ограничению пускового тока. Таким образом, двигатель с глубокими пазами на роторе обладает благоприятным соотношением пусковых параметров: большим пусковым моментом при сравнительно небольшом пусковом токе. По мере нарастания частоты вращения ротора частота тока в роторе убывает (f2=sf1). В связи с этим уменьшается индуктивное сопротивление обмотки ротора x2≡f2. Распределение плотности тока по высоте стержня в том случае становится более равномерным, что ведет к уменьшению активного сопротивления ротора. При работе двигателя с номинальной частотой вращения, когда f2«f1 процесс «вытеснения» тока практически прекращается и двигатель работает, как обычный короткозамкнутый.

Рис. 1. Ротор с глубокими пазами:

б — распределение плотности тока ротора  по высоте стержня при пуске и при работе двигателя

Эффект вытеснения тока хорошо проявляется при пазах ротора бутылочной формы (рис. 2). В этом случае «вытеснение» тока происходит в верхнюю часть паза, имеющую меньшее сечение, а следовательно, большее активное сопротивление. Применение пазов бутылочной формы позволяет сократить высоту пазов ротора, а следовательно, уменьшить диаметр ротора по сравнению с глубокопазным ротором.

Рис. 2. Бутылочная форма стержней ротора

34. Принцип работы и устройство синхронных машин (гидрогенератор)

 Синхронная машина состоит из неподвижной части — статора — и вращающейся части — ротора. Статоры синхронных машин в принципе не отличаются от статоров асинхронных двигателей, т.е. состоят из корпуса, сердечника и обмотки Конструктивное исполнение статора синхронной машины может быть различным в зависимости от назначения и габаритов машины. Так, в многополюсных машинах большой мощности при наружном диаметре сердечника статора более 900 мм пластины сердечника делают из отдельных сегментов, которые при сборке образуют цилиндр сердечника статора. Корпуса статоров крупногабаритных машин делают разъемными, что необходимо для удобства транспортировки и монтажа этих машин. Роторы синхронных машин могут иметь две принципиально различающиеся конструкции: явнополюсную и неявнополюсную. В энергетических установках по производству электроэнергии переменного тока в качестве первичных (приводных) двигателей синхронных генераторов применяют в основном три вида двигателей: паровые турбины, гидравлические турбины либо двигатели внутреннего сгорания (дизели). Применение любого из перечисленных двигателей принципиально влияет на конструкцию синхронного генератора. Если приводным двигателем является гидравлическая турбина, то синхронный генератор называют гидрогенератором. Гидравлическая турбина обычно развивает небольшую частоту вращения (60—500 об/мин), поэтому для получения переменного тока промышленной частоты (50Гц) в гидрогенераторе применяют ротор с большим числом полюсов. Роторы гидрогенераторов имеют явнополюсную конструкцию, т.е. с явно выраженными полюсами, при которой каждый полюс выполняют в виде отдельного узла, состоящего из сердечника 1, полюсного наконечника 2 и полюсной катушки 3 (рисунок 1). Все полюсы ротора закреплены на ободе 4, являющемся также и ярмом магнитной системы машины, в котором замыкаются потоки полюсов. Гидрогенераторы обычно изготовляются с вертикальным расположением вала. Паровая турбина работает при большой частоте вращения, поэтому приводимый ею во вращение генератор, называемый турбогенератором, является быстроходной синхронной машиной. Роторы этих генераторов выполняют либо двухполюсными (n1=3000об/мин), либо четырехполюсными (n1= 1500 об/мин).

35. Принцип действия и устройство турбогенератора Для выработки электроэнергии на современных электрических станциях применяют синхронные генераторы трехфазного переменного тока. Различают турбогенераторы (первичный двигатель – паровая или газовая турбина) и гидрогенераторы (первичный двигатель - гидротурбина). Для синхронных электрических машин в установившемся режиме работы имеется строгое соответствие между частотой вращения агрегата n, об/мин, и частотой сети f, Гц:  где p – число пар полюсов обмотки статора генератора. Паровые и газовые турбины выпускают на большие частоты вращения (3000 и 1500 об/мин), так как при этом турбоагрегаты имеют наилучшие технико-экономические показатели. Быстроходность турбогенератора определяет особенности его конструкции. Эти генераторы выполняются с горизонтальным валом. Ротор турбогенератора, работающий при больших механических и тепловых нагрузках, изготавливаются из цельной поковки специальной стали (хромоникелевой или хромоникельмолибденовой), обладающей высокими магнитными и механическими свойствами. Ротор выполняется неявнополюсным. Вследствие значительной частоты вращения диаметр ротора ограничивается по соображениям механической прочности до 1,1 – 1,2 м при 3000 об/мин. Длина бочки ротора также имеет предельное значение, равное 6 – 6,5 м. Определяется оно из условий допустимого статического прогиба вала и получения приемлемых вибрационных характеристик. В активной части ротора, по которой проходит основной магнитный поток, фрезеруются пазы, заполняемые катушками обмотки возбуждения. В пазовой части обмотки закрепляются немагнитными легкими, но прочными клиньями из дюралюминия. Лобовая часть обмотки, не лежащая в пазах, предохраняется от смещения под действием центробежных сил с помощью бандажа. Бандажи являются наиболее напряженными в механическом отношении частями ротора и обычно выполняются из немагнитной высокопрочной стали. По обеим сторонам ротора на его валу устанавливаются вентиляторы, обеспечивающие циркуляцию охлаждающего газа в машине. Статор турбогенератора состоит из корпуса и сердечника. Корпус изготавливается сварным, с торцов он закрывается щитами с уплотнениями в местах стыка с другими частями. Сердечник статора набирается из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Листы набирают пакетами, между которыми оставляют вентиляционные каналы. В пазы, имеющиеся во внутренней расточке сердечника, укладывается трехфазная обмотка, обычно двухслойная.

Во время работы синхронного генератора его обмотки и активная сталь нагреваются. Допустимые температуры нагрева обмоток статора и ротора зависят в первую очередь от применяемых изоляционных материалов и температуры охлаждения среды. По способу отвода тепла от нагретых обмоток статора и ротора различают косвенное и непосредственное охлаждение. При косвенном охлаждении охлаждающий газ (воздух или водород) с помощью вентиляторов, встроенных в торцы ротора, подается внутрь генератора и прогоняется через немагнитный зазор и вентиляционные каналы. При этом охлаждающий газ не соприкасается с проводниками обмоток статора и ротора и тепло, выделяемое ими, передается газу через значительный «тепловой барьер» - изоляцию обмоток. При непосредственном охлаждении охлаждающее вещество (газ или жидкость) соприкасается с проводником обмоток генератора, минуя изоляцию и сталь зубцов, т. е. непосредственно. Преимущество водородного охлаждения: во-первых оно эффективней воздушного, так как водород как охлаждающий газ по сравнению с воздухом имеет ряд существенных преимуществ. Он имеет в 1,51 раза больший коэффициент теплопередачи, в 7 раз более высокую теплопроводность. Последнее обстоятельство предопределяет малое тепловое сопротивление прослоек водорода в изоляции и зазорах пазов. Значительно меньшая плотность водорода по сравнению с воздухом позволяет уменьшить вентиляционные потери в 8 – 10 раз, в результате чего к.п.д. генератора увеличивается на 0,8 – 1%. Отсутствие окисления изоляции в среде водорода по сравнению с воздушной средой повышает надежность работы генератора и увеличивает срок службы изоляции обмоток. К достоинствам водорода относится и то, что он не поддерживает горения, поэтому в генераторах с водородным охлаждением можно отказаться от устройства пожаротушения. Недостатки водородного охлаждения: водород, заполняющий генератор в смеси с воздухом, образует взрывоопасную смесь, поэтому у машин с водородным охлаждением должна быть обеспечена высокая газоплотность корпуса статора масляными уплотнениями вала, уплотнением токопроводов к обмоткам статора и ротора и т. д. Чем выше избыточное давление водорода, тем эффективнее охлаждение генератора, и, следовательно, при одних и тех же размерах генератора можно увеличить его номинальную мощность. Однако при избыточном давлении более 0,4 – 0,6 МПа прирост мощности генератора не оправдывает затрат на преодоление возникающих при этом технических трудностей (усложнение работы уплотнений и изоляции обмоток). Поэтому давление водорода в современных генераторах более 0,6 МПа не применяется.

36-37 Векторная диаграмма синхронной явнополюсной машины при RL-RC нагрузке.

Воспользовавшись уравнением ЭДС  построим векторную диаграмму явнополюсного синхронного генератора, работающего на RL нагрузку (ток I1 отстаёт по фазе от ЭДС E0). Векторную диаграмму строят на основании следующих данных: ЭДС генератора в режиме х.х.  E0; тока нагрузки I1 и его угла сдвига ψ1 относительно ЭДС E0; продольного хad и поперечного хaq индуктивных сопротивлений реакции якоря; активного сопротивления фазной обмотки статора r1. При симметричной нагрузке генератора диаграмму строят лишь для одной фазы. Построение RL: В произвольном направлении откладываем вектор ЭДС E0 и под углом 1 к нему – вектор тока I1. Последний разложим на состовляющие: реактивную Id=I1sinψ1 и активную Iq=I1cosψ1. Далее, из конца вектора E0 откладываем векторы ЭДС E1d=-jIdxad; E1q=-jIqxaq; Eσ1=-jI1x1; Ua1=-I1r1. Соединив конец вектора Ua1 с точкой О, получим вектор напряжения U1, значение которого равно геометрической сумме векторов ЭДС. При построении векторной диаграммы генератора, работающего на RC нагрузку (ток I1 опережает по фазе ЭДС E0), вектор тока I1 откладывают влево от вектора ЭДС, а направление вектора E1d, так как при ёмкостном характере нагрузки реакция якоря имеет подмагничивающий характер. В остальном порядок построения остаётся прежним.

38-39. Векторная диаграмма неявнополюсной синхронной машины  при RC и RL

Векторную диаграмму  синхронного неявнополюсного генератора строят на основании уравнения(1)

Ủ1=∑E – I1r1=Eo+Ec.

при  этом вектор Eo откладывают под углом ψ1 к вектору тока I1 рисунок (в)

Следует отметить , что построенные векторные диаграммы не учитывают векторные насыщения магнитной цепи, поэтому отражают лишь качественную сторону явлений. Но тем не менее эти диаграммы дают возможность сделать следующие выводы: основным фактором влияющим  на изменение напряжения нагруженного генератора, является продольная составляющая магнитного потока якоря, создающая ЭДС Еad; при работе генератора на активно индуктивную нагрузку т.е. с током  I1, отстающим по фазе от ЭДС Eo, напряжение на выводах обмотки статора Ủ1 с увеличением нагрузки уменьшается, что объяснятся размагничивающим влиянием реакции якоря. При работе генератора на активно – ёмкостную нагрузку ( с током  I1 опережающим по фазе ЭДС, Eo) напряжение  Ủ1 с увеличением нагрузки повышается, что объясняется  подманичивающим влиянием  реакции якоря. Рисунок (г)

40-43. Теорема Блонделя. Продольное намагничивающее и размагничивающее поле реакции якоря синхронной машины.

   При нагрузке обмотки якоря синхронной машины током она создает собственное магнитное поле, которое называется полем реакции якоря.

  В нормальных машинах постоянного тока, с установкой щеток на геометрической нейтрали, поле реакции якоря является поперечным, т. е. действует поперек оси главных полюсов. Поэтому оно не индуктирует ЭДС в обмотке якоря и оказывает относительно слабое влияние на величину потока в воздушном зазоре и на характеристики машины. В отличие от машин постоянного тока в синхронной машине влияние реакции якоря на величину магнитного потока весьма значительно. Это обусловлено прежде всего тем, что в синхронной машине в общем случае возникает также значительная продольная реакция якоря усиливающая или ослабляющая поток полюсов. Кроме того, поле поперечной реакции якоря синхронной машины также индуктирует значительную ЭДС в обмотке якоря.

   Поэтому реакция якоря синхронной машины оказывает весьма значительное влияние на характеристики и поведение синхронной машины как при установившихся, так и при переходных режимах работы.

  Метод двух реакций основан на принципе наложения, при котором предполагается, что магнитные потоки, действующие по поперечной оси, не влияют на величину потоков, действующих по продольной оси, и наоборот.

Продольная и поперечная реакция якоря. Рассмотрим действие реакции якоря многофазной синхронной машины при установившейся симметричной нагрузке (рисунок 3.3). Для наглядности будем иметь в виду двухполюсную машину и предположим, что она работает в режиме генератора. Получаемые результаты нетрудно распространить также на двигательный режим работы. Ради простоты и наглядности на рисунке 3.3 каждая фаза обмотки изображена в виде одного витка с полным шагом (А — X, В — У, С — Z), буквами N, S указана полярность поля возбуждения, а магнитные линии этого поля не показаны.

              

Рисунок 3.3   Поперечная   (а),   продольная  размагничивающая   (б)   и   

продольная намагничивающая (в) реакция якоря синхронной машины

   Сначала рассмотрим случай, когда угол сдвига фаз  между током якоря İ и э. д. с. Ė, индуктируемой в обмотке якоря током или полем возбуждения, равен нулю (рис. 32-9, а). Ротор вращается с электрической угловой скоростью

и при положении ротора, изображенном на рисунке 3.3,а, ЭДС фазы А максимальна. Так как угол  = 0, то ток этой фазы также максимален и

   Направления ЭДС нетрудно установить по правилу правой руки, и они указаны на рисунке 3.3, а крестиками и точками. Направления токов ia, ib, ic зависит от характера нагрузки и в данном случае совпадают с направлением  ЭДС При этих направлениях токов магнитные линии поля реакции якоря в полюсах и теле якоря направлены, как показано на рисунке 3.3, а, поперек оси полюсов d. Следовательно, поток реакции якоря Фа действует по поперечной оси. Такой характер поля реакции якоря при =0 сохраняется при любом положении вращающегося ротора, так как ротор и поле реакции якоря вращаются синхронно.

  Следовательно, при =0  реакция якоря синхронной машины является чисто поперечной.

    Поперечная реакция якоря вызывает искажение кривой поля в воздушном зазоре, как и в машинах постоянного тока, но в синхронной машине действие ее не ограничивается этим, так как вращающееся поле поперечной реакции якоря индуктирует также ЭДС в обмотке якоря. Величина этой ЭДС определяется ниже.

   Если ток İ отстает от э. д. с. Ė на = 90°, то максимум тока в фазе А наступает по сравнению со случаем на рис. 32-9,а на четверть периода позднее, когда ротор повернется на 90° по часовой стрелке (рис. 32-9, б). Токи фаз на рисунке 3.3, б имеют такие же значения, как и на рисунке 3.3, а, вследствие чего и ориентация магнитного потока  якоря в пространстве является   такой же.

   Как видно из рисунка 3.3, б, при отстающем токе и =90° реакция якоря действует по продольной оси и является по отношению к полю возбуждения чисто размагничивающей (продольная размагничивающая реакция якоря).

   Если ток İ опережает ЭДС Ė на =-90°, то максимум тока в фазе А наступает по сравнению со случаем на рисунке 3.3, а на четверть периода раньше и в этот момент времени ротор занимает по сравнению с рисунком 3.3, а положение, повернутое на 90° против направления вращения (рисунок 3.3, в). Токи фаз на рисунке 3.3, б имеют такие же значения, как и на рисунке 3.3, а.

  Из рисунка 3.3, в видно, что при опережающем токе и =-90°, реакция якоря также действует по продольной оси, но является по отношению к полю возбуждения чисто намагничивающей, т.е. она увеличивает поток по продольной оси машины (продольная намагничивающая реакция якоря).

  Как следует из рисунка 3.3,а ток İ совпадающий по фазе с ЭДС Ė, создает поперечную реакцию якоря, а ток İ, сдвинутый относительно Ė на =90°, создает продольную реакцию якоря.

Id=I sin;     Id= I cos.   (3.1)

  Поэтому в общем случае, когда  0° и   90°,  ток İ  можно разложить на две составляющие (рисунок 3.4):  первая из которых называется продольной составляющей тока или продольным током якоря и создает продольную реакцию якоря, а вторая называется поперечной составляющей тока или поперечным током якоря и создает поперечную реакцию якоря. Угол  считается положительным, когда İ  отстает от Ė.

   Магнитные поля и ЭДС продольной и поперечной реакции якоря. Рассмотрим основные гармоники м.д.с якоря при симметричной нагрузке

  Продольный ток Id создает продольную м.д.с якоря с амплитудой

   а поперечный ток Iq создает поперечную м.д.с якоря с амплитудой

Н. с. Fad и Faq можно также рассматривать как составляющие полной н. с. якоря

по осям dиq, причем

   Магнитодвижущие силы реакции якоря по продольной Fd и поперечной Fq осям создают в магнитопроводе синхронной машины магнитные потоки реакции якоря. Основные гармоники этих потоков: по продольной оси Фd и по поперечной оси Фq.

В неявнополюсной машине воздушный зазор по периметру расточки статора равномерен, а поэтому магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям равны.

Магнитные потоки реакции якоря, сцепляясь с обмоткой статора, наводят в этой обмотке ЭДС реакции якоря:

по продольной оси Ėd=-jİdxad и по поперечной оси Ėq=-jĖqxaq.

Здесь и xaq — индуктивные сопротивления реакции якоря явнополюсной машины по продольной оси и по поперечной оси.

xd =xad+x,   xaq= xaq +x - синхронные индуктивные сопротивления явнополюсной машины по продольной оси и по поперечной оси.

 

44. Отношение КЗ синхронного генератора.

Один из важных параметров синхронной машины — отношение короткого замыкания (ОКЗ), которое представляет собой отношение тока возбуждения iВ0HOМ, соответствующего номинальному напряжению при х.х., к току возбуждения iВКHOМ, соответствующему номинальному току статора при опыте к.з.  (рис) ОКЗ = iВ0HOМ / iВКHOМ. (3.5) Для турбогенераторов ОКЗ=0,44-0,7; для гидрогенераторов ОКЗ =1,0-1,4. ОКЗ имеет большое практическое значение при оценке свойств синхронной машины: машины с малым ОКЗ менее устойчивы при параллельной работе (см. гл. 21), имеют значительные колебания напряжения при изменениях нагрузки, но такие машины имеют меньшие габариты и, следовательно, дешевле, чем машины с большим ОКЗ.

45. Диаграмма Потье

Изменение напряжения синхронного генератора UНОМ  при сбросе номинальной нагрузки можно определить графически — построением практической диаграммы ЭДС (диаграммы Потье). Предположим, что синхронный генератор работал в режиме номинальной нагрузки, а затем нагрузка была полностью сброшена, но частота вращения и ток возбуждения при этом остались неизменными. Напряжение генератора после сброса нагрузки возросло на UНОМ . Для определения этого значения проделаем следующее (рисунок 1): в одних осях координат построим характеристики холостого хода и короткого замыкания. Затем на оси ординат построим вектор ОА=UHOM и под углом 1  к вектору ОА проведем вектор тока IНОМ. Прибавив к вектору UHOM  векторы падения напряжения İНОМRa и jİx найдем ЭДС нагруженного генератора:

    (3.6)

Перенося точку В на характеристику х.х. (точка С), проведем ординату CD. Полученный на оси абсцисс отрезок OD определяет ток возбуждения i/В, необходимый для создания ЭДС нагруженного генератора. Для учета влияния продольной реакции якоря к току i/В  под углом / =+ прибавим ток возбуждения iВd, соответствующий продольно-размагничивающему действию реакции якоря. Сумма токов  i/В + iВd= iВНОМ, необходимый для обеспечения заданного режима работы. Если ток iВНОМ снести на ось абсцисс, можно найти напряжение  UНОМ = Е0, которое получится при сбросе нагрузки при неизменном значении iВНОМ, а также изменение напряжения

46. Характеристики синхронного генератора.

Свойства синхронного генератора определяются характеристиками холостого хода, короткого замыкания, внешними и регулировочной. Характеристика холостого хода синхронного генератора  Характеристика холостого хода синхронного генератора представляет собой график зависимости напряжения на выходе генератора в режиме х.х. U1 = Е0 от тока возбуждения iB при п=const. Схема включения синхронного генератора для снятия характеристики х.х. приведена на рис. 1, а. Если характеристики х.х. различных синхронных генераторов изобразить в относительных единицах Е*=f(iВ*), то эти характеристики мало отличаются друг от друга и будут очень схожи с нормальной характеристикой х.х. (рисунок 1, б), которую используют при расчетах синхронных машин:

Здесь Е*= E0/U1HOМ - относительная ЭДС фазы обмотки статора; iВ*=iВ0/iВ0HOМ - относительный ток возбуждения; iВ0HOМ-ток возбуждения в режиме х.х., соответствующий ЭДС х. х. E0 =U1HOМ.

Характеристика короткого замыкания Характеристику трехфазного к.з. получают следующим образом: выводы обмотки статора замыкают накоротко (рисунок 2, а) и при вращении ротора с частотой вращения п постепенно увеличивают ток возбуждения до значения, при котором ток к.з. превышает номинальный рабочий ток статорной обмотки не более чем на 25% (IIK = 1,25IIНОМ ). Так как в этом случае ЭДС обмотки статора имеет значение, в несколько раз меньшее, чем в рабочем режиме генератора, и, следовательно, основной магнитный поток весьма мал, то магнитная цепь машины оказывается ненасыщенной. По этой причине характеристика к.з. представляет собой прямую линию (рисунок 2,6). Активное сопротивление обмотки статора невелико по сравнению с ее индуктивным сопротивлением, поэтому, принимая R1=0, можно считать, что при опыте к.з. нагрузка синхронного генератора (его собственные обмотки) является чисто индуктивной. Из этого следует, что при опыте к.з. реакция якоря синхронного генератора имеет продольно-размагничивающий характер. Векторная диаграмма, построенная для генератора при опыте трехфазного к.з., представлена на рисунок 2,в. Из диаграммы видно, что ЭДС ĖК, индуцируемая в обмотке статора, полностью уравновешивается ЭДС продольной реакции якоря Ėd=-jİdxad и ЭДС рассеяния Ė=-jİx, т.е.  ĖК= Ėd+ Ė. При этом МДС обмотки возбуждения имеет как бы две составляющие: одна компенсирует падение напряжения jİх1, а другая компенсирует размагничивающее влияние реакции якоря jİdxad. Характеристики к.з. и х.х. дают возможность определить значения токов возбуждения, соответствующие указанным составляющим МДС возбуждения. С этой целью характеристики х.х. и к.з. строят в одних осях (рисунок 3), при этом на оси ординат отмечают относительные значения напряжения х. х. Е*=E0/U1HOМ и тока к.з. IК*=IК/I1HOМ. На оси ординат откладывают отрезок 0В, выражающий в масштабе напряжения значение ЭДС рассеяния Ė=-jİx. Затем точку В сносят на характеристику х.х. (точка В') и опускают перпендикуляр B'D на ось абсцисс. Полученная таким образом точка D разделила ток возбуждения на две части: iВ0HOМ-ток возбуждения, необходимый для компенсации падения напряжения jİx, и iВd-ток возбуждения, компенсирующий продольно-размагничивающую реакцию якоря. Один из важных параметров синхронной машины-отношение короткого замыкания (ОКЗ), которое представляет собой отношение тока возбуждения iВ0HOМ, соответствующего номинальному напряжению при х.х., к току возбуждения iВКHOМ, соответствующему номинальному току статора при опыте к.з. (рис 2)

ОКЗ = iВ0HOМ / iВКHOМ. (3.5) Для турбогенераторов ОКЗ=0,44-0,7; для гидрогенераторов ОКЗ =1,0-1,4. ОКЗ имеет большое практическое значение при оценке свойств синхронной машины: машины с малым ОКЗ менее устойчивы при параллельной работе, имеют значительные колебания напряжения при изменениях нагрузки, но такие машины имеют меньшие габариты и, следовательно, дешевле, чем машины с большим ОКЗ. 

 Внешняя характеристика Представляет собой зависимость напряжения на выводах обмотки статора от тока нагрузки: U1=f(I) при iВ=const; cos1= const; n=const. На рисунке 3.9,а представлены внешние характеристики, соответствующие различным по характеру нагрузкам синхронного генератора. При активной нагрузке (cos1=1) уменьшение тока нагрузки I сопровождается ростом напряжения U1, что объясняется уменьшением падения напряжения в обмотке статора и ослаблением размагничивающего действия реакции якоря по поперечной оси. При индуктивной нагрузке (cos1<1; инд.) увеличение U1  при сбросе нагрузки более интенсивно, так как с уменьшением тока I ослабляется размагничивающее действие продольной составляющей реакции якоря. Однако в случае емкостной нагрузки генератора (cos1<1; емк.) уменьшение I сопровождается уменьшением напряжения U1, что объясняется ослаблением подмагничивающего действия продольной составляющей реакции якоря. Изменение напряжения синхронного генератора, вызванное сбросом номинальной нагрузки при iВ=const и п=const, называется номинальным изменением (повышением) напряжения (%): При емкостной нагрузке генератора сброс нагрузки вызывает уменьшение напряжения, а поэтому UНОМ  отрицательно. В процессе эксплуатации синхронного генератора напряжение U1 при колебаниях нагрузки поддерживается неизменным посредством быстродействующих автоматических регуляторов. Однако во избежание повреждения изоляций обмотки UНОМ  не должно превышать 50%.

Регулировочная характеристика Она показывает, как следует изменять ток возбуждения генератора при изменениях нагрузки, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось неизменно равным номинальному: iВ=f(I) при U1=U1HOM=const; cos1= const; n= nHOM =const. На рисунке 4,б представлены регулировочные характеристики синхронного генератора. При активной нагрузке (cos1=1) увеличение тока нагрузки I сопровождается уменьшением напряжения U1, поэтому для поддержания этого напряжения неизменным по мере увеличения тока нагрузки I  следует повышать ток возбуждения. Индуктивный характер нагрузки (cos <l; инд) вызывает более резкое понижение напряжения U1 (рис. рисунке 4,а), поэтому ток возбуждения iВ  необходимый для поддержания U1=U1HOM, следует повышать в большей степени. При емкостном же характере нагрузки (cos <1; емк.) увеличение нагрузки сопровождается ростом напряжения U1, поэтому для поддержания U1=U1HOM ток возбуждения следует уменьшать.

48. Построить схему-развертку обмотки со следующими параметрами: -----

Фаза однослойной обмотки образуется из нескольких (по числу пар полюсов) катушечных групп, состоящих либо из концентрических, охватывающих одна другую и разных по размерам катушек, либо из катушек, имеющих одинаковые размеры. Обмотку первого вида называют концентрической однослойной, второго - равнокатушечной однослойной.

Однослойные обмотки могут быть соединены в несколько параллельных ветвей, возможное число которых определяется из условия а = р/к, где к-целое число.

Основными достоинствами двухслойных петлевых обмоток являются возможность выполнения катушек с укорочением шага (при этом ку < 1) и равномерность распределения их лобовых частей. К недостаткам относятся наличие изоляционной прокладки между слоями обмотки в пазу и необходимость подъема шага при укладке, что не дает возможности механизировать процесс укладки двухслойных обмоток в пазы машины.

Число возможных параллельных ветвей двухслойных обмоток определяется из условия а = 2р/к, где к — целое число. Наибольшее возможное число параллельных ветвей аmах = 2р.

Наибольшее возможное число параллельных ветвей атах = 2р. Различные способы соединения обмоток в несколько параллельных ветвей показаны на упрощенных схемах (табл. 4.8), в которых каждая катушечная группа изображена одним символом — прямоугольником, над диагональю которого цифрой указан порядковый номер группы от начала обмотки, а под диагональю — число катушек в данной катушечной группе. Такое изображение схемы возможно, так как все катушки в группах соединяются между собой только последовательно. Стрелки над каждым прямоугольником, обозначающим катушечные группы, условно показывают полярность данной группы. Для обмоток с 2р = 6 и 8 в таблице приведены не все возможные варианты соединений. Они, так же как и соединения для обмоток с любыми другими числами 2р и q, могут быть получены при соблюдении следующих условий: число катушечных групп в каждой параллельной ветви обмотки должно быть одинаковым, а полярности групп должны последовательно чередоваться.

Петлевые обмотки статоров крупных машин, например турбогенераторов, образуются не из цельных катушек, а из отдельных стержней. Однако все соединения схем таких обмоток не отличаются от рассмотренных схем двухслойных петлевых катушечных обмоток.

Например Z = 24 и 2р = 4. Тогда

Е*	0,58	1,0	1,21	1,33	1,40	1,46	1,51
iВ*	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5

Схема этой обмотки при последовательном соединении всех катушечных групп фазы изображена на рис. 21-1, причем для большей наглядности разные фазы показаны линиями разного характера. Порядок составления схемы рис. 21-1 можно пояснить следующим образом.

Сначала распределяем верхние стороны катушек (пазов) по фазным зонам по q — 2 стороны (пазов) в каждой зоне. Если пазы 1 н 2 отвести для зоны фазы А, то зоне фазы В нужно отвести пазы 5 и 6, так как фаза В должна быть сдвинута относительно фазы А на 120°, т. е. на две зоны по 60° или на 4 паза (1 +4 = 5; 2 + 4 = = 6). Зона С сдвинута относительно зоны В также на 120° и занимает пазы 5 + 4 = 9и6 + 4 = /0. На протяжении следующего двойного полюсного деления (пазы 13—24) чередование зон А, В и С происходит с такой же закономерностью (зона А — пазы 13, 14; зона В — лазы 17, 18; зона С — пазы 21, 22). Таким образом, распределена половина фазных зон и пазов верхнего слоя. Другие фазные зоны также распределяем по фазам Л, В, С и обозначаем их соответственно X, Y, Z. При этом для зон X, принадлежащих фазе Л, отводим пазы, которые сдвинуты относительно зон Л на т = 6 пазов, т, е, пазы 1+6-7, 2 + 6 = 5, 13 + 6 = 19, 14 + 6 = 20. Аналогично зонам У принадлежат пазы 5 + 6 = И, 6 + 6 = 12, 17 + 6 = 23, 18 + 6 = 24, а зонам Z — пазы 9 — 6 = 5, 10 — 6 = 4, 21 — 6 =— 15, 22 — 6 = 16. Различие между зонами А, В, С и X, Y, Z состоит в том, что э. д. с. в соответствующих сторонах катушек (например, катушек зон А и X) сдвинуты по фазе на 180° вследствие их сдвига в магнитном поле на одно или нечетное число полюсных делений.

В рассматриваемом случае у = 1807(3-2) = 30°, как изображено на рис. 21-2, а. После обхода векторов пазовых э. д. с. на протяжении двух полюсных делений (в нашем случае векторы 1—12) звезда векторов э. д. с. при целом q будет повторяться вследствие совпадения э. д. с. соответствующих пазов (/ и 1 + 12 = 13 и т. д.) по фазе. Если отвести первые два вектора (рис. 21-1) для зоны А (векторы /; 2 и 13, 14), то векторы зон В и С будут сдвинуты от векторов А на 120° и 240°. Векторы зон X, Y, Z будут сдвинуты относительно векторов зон А, В, С соответственно на 180°. В результате получим такое же распределение пазов по зонам, как показано в верхнем ряду на рис. 21-1.

 

51. Параллельная работа с сетью бесконечно большой мощности синхронных машин. Метод точной самосинхронизации.

На каждой электрической станции обычно бывает установлено несколько генераторов, которые включаются на параллельную работу в общую сеть. Следовательно - большая надежность энергоснабжения потребителей, снижение мощности аварийного и ремонтного резерва, возможность маневрирования энергоресурсами сезонного характера. Все параллельно работающие генераторы должны отдавать в сеть ток одинаковой частоты.

Поэтому они должны вращаться строго синхронно, т. е.: Условия синхронизации генераторов. При включении генераторов на параллельную работу с другими генераторами необходимо избегать большого толчка тока и ударных электромагнитных моментов и сил, способных вызвать повреждение генератора и другого оборудования, а также нарушить работу электрической сети или энергосистемы. Поэтому необходимо отрегулировать надлежащим образом режим работы генератора на хх перед его включением на параллельную работу и в надлежащий момент времени включить генератор в сеть. Совокупность этих операций называется синхронизацией генератора. Идеальные условия для включения генератора на параллельную работу достигаются при: 1. Напряжение включаемого генератора Ur = напряжению сети fс или уже работающего генератора; 2. Частота генератора fг должна равняться частоте сети fс; 3. Чередование фаз- генератора и сети должно быть одинаково; 4. Напряжения Ur и Uz должны быть в фазе. При этом векторы напряжений генератора и сети совпадают и вращаются с одинаковой скоростью (рис.35-1), разности напряжений между контактами выключателя при включении генератора (рис. 35-2) равны: Ura-Uca=Urb-Ucb=Urc-Ucc = 0, (35-1) и поэтому при включении не возникает никакого толчка тока.

Равенство напряжений достигается путем регулирования тока возбуждения генератора и контролируется с помощью вольтметра. Изменение частоты и фазы напряжения генератора достигается изменением скорости вращения генератора. Правильность чередования фаз необходимо проверять только при первом включении генератора после монтажа или сборки схемы. Совпадение напряжений по фазе контролируется с помощью ламп, нулевых вольтметров или специиальных синхроноскопов, а в автоматических синхронизаторах-с помощью специальных измерительных элементов. Неправильная синхронизация может вызвать серьезную аварию. Действительно, если, например, напряжения Ur и Vc будут в момент включения генератора на параллельную работу сдвинуты по фазе на 180°, то это эквивалентно кз при удвоенном напряжении (Uг-Uc = 2Uг). Если генератор включается в сеть мощной энергетической системы, то сопротивление этой сети по сравнению с сопротивлением самого генератора можно принять равным нулю, и поэтому ударный ток при включении может превысить ток при обычном кз в два раза. Ударные электромагнитные моменты и силы при этом возрастают в четыре раза. Сущность метода самосинхронизации заключается в том, что генератор включается в сеть в невозбужденном состоянии (Uг= 0) при скорости вращения, близкой к синхронной (допускается отклонение до 2%). При этом отпадает необходимость в точном выравнивании частот, величины и фазы напряжений, благодаря чему процесс синхронизации предельно упрощается и возможность ошибочных действий исключается. После включения невозбужденного генератора в сеть немедленно включается ток возбуждения и генератор втягивается в синхронизм (т. е. его скорость достигает синхронной и становится). При самосинхронизации неизбежно возникновение значительного толчка тока, т к включение невозбужденного генератора в сеть с напряжением Uc экв внезапному кз этого генератора при работе на хх с Е = Uс. Однако толчок тока при самосинхронизации будет все же меньше, так как, кроме сопротивления генератора, в цепи будут действовать также сопротивления элементов сети (повышающие трансформаторы, линия и т. д.).

Режим работы синхронной машины параллельно с сетью при синхронной скорости вращения называется синхронным. Рассмотрим особенности этого режима подробнее, причем предположим для простоты, что сеть, к к-рой приключена рассматриваемая машина, является бесконечно мощной, т. е. в ней U=const и f= const. Это означает, что суммарная мощность всех приключенных к этой сети синхронных г-ров настолько велика по сравнению с мощностью приключаемой машины, что изменение режима работы машины не влияет на напряжение и частоту сети. Напряжение параллельно работающего генератора равно напряжению сети на зажимах генератора. Предположим также, что включаемая на параллельную работу машина является неявнополюсной и сопротивление якоря rа= 0. Тогда, согласно диаграмме рис. 33-4, ток якоря машины определяется простой зависимостью

  

53. Угловые характеристики активной мощности. Зависимость Р=f() при Е=const и U=const называется угловой характеристикой активной мощности синхронной машины. Изучение этой зависимости позволяет выяснить ряд важных свойств синхронной машины. Выведем математическое выражение для угловой характеристики мощности, приняв Rа=0, так как это сопротивление весьма мало влияет на вид угловой характеристики.  откуда Учитывая, что, согласно рисунку 3.5а, =-, для мощности генератора имеем  Заменив здесь Id и Iq по формулам (3.1), получим (3,8). Равенство (3.8) и является искомым математическим выражением угловой характеристики мощности, согласно которому Р=f(E,U,,Xd,Хq). Электромагнитный момент М=P/ =рР/  пропорционален мощности Р, и поэтому зависимость М= f(E,U,,Xd,Хq) имеет подобный же вид.

54. Невозбуждённая явнополюсная машина. Если iВ=0, то и Е=0, так как в нормальных машинах ЭДС от остаточного магнитного потока пренебрежимо мала. В этом случае на основании выражения  (3.8) (3.10)

Зависимость Р=(), согласно равенству (3.8), представляет собой синусоиду с удвоенной частотой (рис 3.14, б). Из равенства (3.10) и рисунка 3.14, б следует,  что явнополюсная машина в состоянии развивать мощность при синхронном режиме работы также без возбуждения. Устойчивая работа в режиме генератора происходит при 0<<45°, а в режиме двигателя – при -45°<< 0°. Пределу устойчивой работы соответствует КР=±45° вместо КР=±90° в предыдущем случае. В рассматриваемом случае в машине существует только поток реакции якоря. При цилиндрическом роторе (рисунок 316, а), когда Xd=Хq положение ротора относительно вращающегося поля реакции якоря безразлично, поэтому машина не развивает электромагнитного момента и мощности. В явнополюсной машине ротор стремится занять по отношению к вращающемуся полю положение, при котором сопротивление магнитному потоку и энергия магнитного поля минимальны. Если при этом приложенный к валу момент MСT=0, то =0 (рис 3.16, б) и электромагнитный момент, действующий на ротор, также равен нулю. При этом, согласно равенству (3-10), также Р=0. Если вал нагружен внешним моментом, то положение ротора относительно поля смещается, 0 и в машине развиваются электромагнитный момент и активная мощность (рис 3.16, в). Так как сам ротор не намагничен, то поворот ротора относительно поля на 180° не приводит к изменению режима. У невозбужденной явнополюсной машины электромагнитный момент развивается исключительно вследствие действия поля реакции якоря при наличии неравномерности воздушного зазора XdХq и называется поэтому реактивным.

60. Синхронный двигатель

Синхронные двигатели имеют по сравнению с асинхронными большое преимущество, заключающееся в том, что благодаря возбуждению постоянным током они могут работать с cos=1 и не потребляют при этом реактивной мощности из сети, а при работе с перевозбуждением даже отдают реактивную мощность в сеть. В результате улучшается коэффициент мощности сети и уменьшаются падение напряжения и потери в ней, а также повышается коэффициент мощности генераторов, работающих на электростанциях. Одним из препятствий к широкому использованию синхронных двигателей, кроме их повышенной стоимости по сравнению с асинхронными двигателями, является сложность их запуска. Чтобы ротор синхронного двигателя пришел во вращение его необходимо раскрутить с помощью постороннего двигателя до оборотов близких к синхронным и только после этого двигатель может быть подключён к сети. Таким образом, чтобы запустить синхронный двигатель необходим дополнительный двигатель, способный раскрутить его ротор до оборотов, близких к синхронным. Пусковая установка получается усложненной и экономически неоправданной для двигателей небольших и средних мощностей. Выходом из такого положения является использование синхронных двигателей с модернизированным ротором, оснащенным специальной пусковой короткозамкнутой обмоткой, помещенной в закрытых пазах сердечников полюсов. Для таких двигателей применяется так называемый асинхронный пуск. Для уменьшения пусковых токов асинхронный пуск мощных синхронных двигателей осуществляется при пониженном напряжении.

61. Синхронный компенсатор

Синхронные компенсаторы предназначаются для компенсации коэффициента мощности сети и поддержания нормального уровня напряжения сети в районах сосредоточения потребительских нагрузок. Нормальным является перевозбужденный режим работы синхронного компенсатора, когда он отдает в сеть реактивную мощность. В связи с этим компенсаторы, как и служащие для этих же целей батареи конденсаторов, устанавливаемые на потребительских подстанциях, называют также генераторами реактивной мощности. Однако в периоды спада потребительских нагрузок (например, ночью) нередко возникает необходимость работы синхронных компенсаторов также в недовозбужденном режиме, когда они потребляют из сети индуктивный ток и реактивную мощность, так как в этих случаях напряжение сети стремится возрасти и для поддержания его на нормальном уровне необходимо загрузить сеть индуктивными токами, вызывающими в ней дополнительные падения напряжения. Для этого каждый синхронный компенсатор снабжается автоматическим регулятором возбуждения или напряжения, который регулирует величину его тока возбуждения так, что напряжение на зажимах компенсатора остается постоянным. Синхронные компенсаторы лишены приводных двигателей и с точки зрения режима своей работы в сущности являются синхронными двигателями, работающими на холостом ходу. Поэтому в отличие от случая, которому соответствуют векторные диаграммы рис. 35-5, а и б, синхронные компенсаторы загружены также небольшим активным током и потребляют из сети активную мощность для покрытия своих потерь. Компенсаторы строятся на мощность до SH = 100 000 квВа и имеют явнополюсную конструкцию, обычно с 2р = 6 или 8. Мощные компенсаторы имеют водородное охлаждение. В ряде случаев в маловодные периоды для работы в режиме компенсаторов используются также генераторы гидроэлектростанций.

64.Принцип обратимости машины постоянного тока.

Рассмотрим сначала работу машины в режиме генератора. Предположим, что якорь машины  приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется э. д. с, направление которой может быть определено по правилу правой руки. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта э. д. с. индуктируется только вследствие вращения якоря и называется э. д. с. вращения. Величина индуктируемой в проводнике обмотки якоря э.д.с. enp = Blv,,где В — величина магнитной индукции в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; / — активная длина проводника, т. е. та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; v — линейная скорость движения проводника. В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые э. д. с, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная э. д. с. якоря рассматриваемой машины- Э. д. с. Еа является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление э. д. с. в проводниках меняется. Частота э. д. с. / в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря п, выраженной й оборотах в секунду: f = n, а в общем случае, когда машина имеет р пар полюсов с чередующейся полярностью, Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток 1а. В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой э. д. с. Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора на 90° и изменении направления э. д. с. в проводниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой-пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными. Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи. Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше Еа на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря га: Ua = Ea-lara.

Проводники обмотки якоря с током 1а находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы Fnp = BlIa направление которых определяется по правилу левой руки. Эти силы создают механический вращающий момент М9м, который называется электромагнитным моментом  равенMэм = FapDa = BlDaIa где Da — диаметр якоря. Как видно из рис.  в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.

Режим двигателя. Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы Fnp и возникнет электромагнитный момент МЬ№. Величины Fnp и Мэм, как и для генератора, определяются равенствами Fnp = BlIa и Mэм = FapDa = BlDaIa. (Da — диаметр якоря) При достаточной величине Мэм якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент Мэм при этом является движущим и действует в направлении вращения. Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направления вращения генератора и двигателя были одинаковы, то направление действия МЭм, а следовательно, и направление тока 1а у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором. В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве механического инвертора тока. Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется э. д. с. Еа, величина которой определяется равенством - Таким образом, в двигателе э. д. с. якоря Еа направлена против тока /а и приложенного к зажимам якоря напряжения Ua. Поэтому э. д. с. якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой. Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается э. д. с. Еа и падением напряжения в обмотке якоря:Ua=Ea+Iara. Из сравнения равенств Ua = Ea-lara и Ua=Ea+Iara. видно, что в генераторе Ua < Еа, а в двигателе Ua > Ea. Принцип обратимости. Из изложенного выше следует, что каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью. Для перехода машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря. Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.

65.Генераторы постоянного тока. Классификация генераторов по способу возбуждения. Энергетическая диаграмма, уравнение ЭДС, электромагнитный момент.

Все генераторы постоянного тока делятся на две основные группы, а именно: на генераторы независимого возбуждения и самовозбуждающиеся. Основными частями генератора являются: ярмо, главные и дополнительные полюса с обмотками, якорь с обмоткой, коллектор и щетки.

В процессе работы генератора постоянного тока в обмотке якоря индуцируется ЭДС Еа.

При подключении к генератору нагрузки в цепи якоря возникает ток, а на выводах генератора устанавливается напряжение, определяемое уравнением напряжений для цепи якоря генератора: . (1) Здесь (2) — сумма сопротивлений всех участков цепи якоря: обмотки якоря rа, обмотки добавочных полюсов rд,  компенсационной обмотки rко, последовательной обмотки возбуждения гс и переходного щеточного контакта гщ.

При отсутствии в машине каких-либо из указанных обмоток в (2) не входят соответствующие слагаемые.

Якорь генератора приводится во вращение приводным двигателем, который создает на валу генератора вращающий момент М. Если генератор работает в режиме х.х. (Iа=0), то для вращения его якоря нужен сравнительно' небольшой момент холостого хода Мо. Этот момент обусловлен тормозными моментами, возникающими в генераторе при его работе в режиме х.х.: моментами от сил трения и вихревых токов в якоре.

При работе нагруженного генератора в проводах обмотки якоря появляется ток, который, взаимодействуя с магнитным полем возбуждения, создает на якоре электромагнитный момент М. В генераторе этот момент направлен встречно вращающему моменту приводного двигателя ПД (рис. 1), т. е. он является нагрузочным (тормозящим).

При неизменной частоте вращения (п=соnst) вращающий момент приводного двигателя М уравновешивается суммой противодействующих моментов: моментом х. х. М0 и электромагнитным моментом М, т. е М1 = М0 + М  (3)

Выражение (3) — уравнение моментов для генератора при п = соnst. Умножив члены уравнения (3) на угловую скорость вращения якоря со, получим уравнение мощностей:Р1 = Р0 + Рэм, (4) где Р1 = М1ω— подводимая от приводного двигателя к генератору мощность (механическая); Р0 = М0ω — мощность х. х., т. е. мощность, подводимая к генератору в режиме х. х. (при отключенной нагрузке); Рэм = Мω — электромагнитная мощность генератора. Рэм=EaIa Рэм=UIa+Ia2Σr=Р2+Рэа,(.5) где Р2 - полезная мощность генератора (электрическая) т.е. мощность, отдаваемая генератором нагрузке; Рэа - мощность потерь на нагрев обмоток и щеточного контакта в цепи якоря.

Учитывая потери на возбуждение генератора Рэв, получим уравнение мощностей для генератора постоянного тока: Р1=Р2+Р0+Рэм+Рэв.                       (28.6)

Следовательно, механическая мощность, развиваемая приводным двигателем Р1,преобразуется в генераторе в полезную электрическую мощность Р2, передаваемую нагрузке, и мощность, затрачиваемую на покрытие потерь (Р1+Рэа+Рэв).

Рис 2. Практическая диаграмма ЭДС

Так как генераторы обычно работают при неизменной частоте вращения, то их характеристики рассматривают при условии п = const. Рассмотрим основные характеристики генераторов постоянного тока.

Характеристика холостого хода — зависимость напряжения на выходе, генератора в режиме х.х. U0   от тока возбуждения Iв: U0= f(Iв) при I=0 и п = const.

Нагрузочная характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U при работе с нагрузкой от тока возбуждения Iв: U=f(1В) при I=0 и п = const.

Внешняя характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U от тока нагрузки I: U= f(I) при rрг = const и п = const, где rpr — регулировочное сопротивление в цепи обмотки возбуждения.

Регулировочная характеристика — зависимость тока возбуждения Iв от тока нагрузки I при неизменном напряжении на выходе генератора: Iв = f(I) при U = const          и n = const.

Вид перечисленных характеристик определяет рабочие свойства генераторов постоянного тока.

По способу возбуждения классифицируются на: независимого, параллельного, последовательного и смешанного.

66.Основные элементы конструкции и принцип действия машины постоянного тока в режиме генератора.

Характерным признаком коллекторных машин является наличие у них коллектора — механического преобразователя переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость в таком преобразователе объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток, так как только в этом случае в машине происходит непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии.

Рассмотрим принцип действия коллекторного генератора постоянного тока. На рис. 1 изображена упрощенная модель такого генератора: между полюсами N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть генератора — якорь, вал которого посредством шкива и ременной передачи механически связан с приводным двигателем (на рисунке не показан) — источником механической энергии. В двух продольных пазах на сердечнике якоря расположена обмотка в виде одного витка abcd, концы которого присоединены к двум медным изолированным друг от друга полукольцам, образующим простейший коллектор. На поверхность коллектора наложены щетки A и В, осуществляющие скользящий контакт с коллектором и связывающие генератор с внешней цепью, куда включена нагрузка сопротивлением R.

Предположим, что приводной двигатель вращает якорь генератора против часовой стрелки, тогда в витке на якоре, вращающемся в магнитном поле постоянного магнита, наводится ЭДС, мгновенное значение которой е = 2В1у, а направление для положения якоря, изображенного на рисунке, указано стрелками.

В процессе работы генератора якорь вращается и виток аbcd занимает разное пространственное положение, поэтому в обмотке якоря наводится переменная ЭДС. Если бы в машине не было коллектора, то ток во внешней цепи (в нагрузке R) был бы переменным, но посредством коллектора и щеток переменный ток обмотки якоря преобразуется в пульсирующий ток во внешней цепи генератора, т. е. ток, неизменный по направлению. После поворота якоря на 180° (рис. 2, а) направление тока в витке якоря изменится на обратное, однако полярность щеток, а следовательно, и направление тока во внешней цепи (в нагрузке) останутся неизменными (рис. 2, б).

Рис. 1. К принципу действия генератора постоянного тока: ЭДС и ток в обмотке  якоря; ЭДС и ток во внешней цепи генератора

Объясняется это тем, что в тот момент, когда ток в витке якоря меняет свое направление, происходит смена коллекторных пластин под щетками. Таким образом, под щеткой А всегда находится пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным магнитным полюсом, а под щеткой В — пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. Благодаря этому полярность щеток генератора остается неизменной независимо от положения витка якоря. Что же касается пульсаций тока во внешней цепи, то они намного ослабляются при увеличении числа витков в обмотке якоря при их равномерном распределении по поверхности якоря и соответствующем увеличении числа пластин в коллекторе.

67.Характеристики генераторов постоянного тока с независимым возбуждением.

Схема включения генератора независимого возбуждения показана на рис. 1, а. Реостат грг, включенный в цепь возбуждения, дает возможность регулировать ток Iв в обмотке возбуждения, а следовательно, и основной магнитный поток машины. Обмотка возбуждения питается от источника энергии постоянного тока: аккумулятора, выпрямителя или же другого генератора постоянного тока, называемого в этом случае возбудителем.

Рис. 1. Принципиальная схема (а) и характеристики х.х. (б) генератора независимого возбуждения

Характеристика холостого хода. При снятии характеристики U0=f(Iв) генератор работает в режиме х.х. (Iа = 0). Установив номинальную частоту вращения и -поддерживая ее неизменной, постепенно увеличивают ток в обмотке возбуждения Iв от нулевого значения до +Iв = Оа, при котором напряжение x.x. U0=1.15Uном Получают данные для  построения кривой 1 (рис. 1, б). Начальная ордината кривой 1 не равна нулю, что объясняется  действием   небольшого   магнитного   потока   остаточного магнетизма,   сохранившегося   от   предыдущего   намагничивания машины.  Уменьшив ток  возбуждения  до  нуля  и  изменив  его направление, постепенно увеличивают ток в цепи возбуждения до -Iв = Оb. Полученная таким образом кривая 2 называется нисходящей ветвью характеристики.  В  первом квадранте кривая 2 располагается выше кривой 1. Объясняется это тем, что в процессе снятия кривой 1 произошло увеличение магнитного потока остаточного намагничивания. Далее опыт проводят в обратном направлении, т. е. уменьшают ток возбуждения от -Iв = Оb до Iв = 0, а затем увеличивают его до значения +Iв = Оа. В   результате получают   кривую   3,   называемую   восходящей ветвью характеристики  х.х.   Нисходящая  и   восходящая  ветви характеристики х.х. образуют петлю намагничивания. Проведя между кривыми 2 и 3 среднюю линию 4,  получим  расчетную характеристику х.х.

Прямолинейная часть характеристики х.х. соответствует ненасыщенной магнитной системе машины. При дальнейшем увеличении тока сталь машины насыщается и характеристика приобретает криволинейный  характер.  Зависимость U0=f(Iв) повторяет в другом   масштабе   магнитную   характеристику   машины и дает возможность судить о магнитных свойствах машины.

Нагрузочная характеристика генератора. Эта характеристика выражает зависимость напряжения  U на выходах генератора от тока возбуждения  Iв  при неизменных токе нагрузки, например номинальном, и частоте вращения. При указанных  условиях напряжение на выводах генератора меньше ЭДС, поэтому нагрузочная   характеристика 1 располагается   ниже характеристики холостого хода 2  (рис. 2). Если из точки а, соответствующей   номинальному   напряжению Uном, отложить вверх отрезок ab, равный Iа∑r, и провести горизонтально отрезок bc до пересечения с характеристикой х.х., а затем соединить точки а и с, то получим abc — треугольник реактивный (характеристический).

Рис. 2. Нагрузочная характеристика генератора независимого возбуждения

Так, при работе генератора в режиме х.х. при токе возбуждения Iв1=Iв.ном напряжение на выводах  U0=de; с подключением нагрузки (при неизменном токе возбуждения) напряжение генератора снизится до значения Uном=de. Таким образом, отрезок da выражает значение напряжения ΔU=U0—U ном при Iв1=Iв.ном. Напряжение на выводах генератора в этом случае уменьшилось в результате действия двух причин: падения напряжения в цепи якоря  и размагничивающего влияния реакции якоря. Измерив значение сопротивления цепи якоря и подсчитав падение напряжения Iа∑r, можно определить ЭДС генератора при заданном токе нагрузки: Ea=U + Iа∑r. На рис. 2 эта ЭДС представляет отрезком be. Электродвижущая  сила генератора при нагрузке меньше, чем в режиме х. х. (be<de), что объясняется  размагничивающим   влиянием  реакции  якоря. Для  количественной оценки этого влияния из точки с опускаем перпендикуляр на ось абсцисс.  Полученный отрезок cf представляет собой ЭДС  генератора при нагрузке; в режиме х. х.  для создания этой ЭДС  необходим ток возбуждения Iв2<Iв1. Следовательно, отрезок fe, равный   разности   токов   возбуждения Iв2-Iв1 , представляет собой ток возбуждения, компенсирующий размагничивающее влияние реакции якоря. Катеты реактивного треугольника количественно определяют причины, вызывающие уменьшение напряжения  генератора при его нагрузке: падение напряжения в цепи якоря определяет катет ab = Iа∑r ток возбуждения Iв2-Iв1, компенсирующий размагничивающее действие реакции якоря, определяет катет ,где Fad и Fad — величины, определяющие размагничивающее действие реакции якоря по поперечной и продольной осям ωв.к. -  число витков в полюсной катушке обмотки  возбуждения.

Реактивный треугольник a' b' c' построен для другого значения тока возбуждения Iв3. Сторона a' b' треугольника осталась неизменнои (а' Ь' = ab), что объясняется неизменностью тока нагрузки, но сторона b'с' уменьшилась (b’c’<bc) так как при меньшем токе возбуждения уменьшилась степень насыщения магнитной цепи генератора, а  следовательно, и размагничивающее действие реакции якоря.

Внешняя характеристика генератора. Эта характеристика представляет собой зависимость напряжения U на выводах генератора от тока нагрузки I. При снятии данных для построения внешней характеристики генератор приводят во вращение с номинальной скоростью и нагружают его до номинального тока при номинальном напряжении. Затем, постепенно уменьшая нагрузку вплоть до х. х. (I = 0), снимают показания приборов. Сопротивление цепи возбуждения гв и частоту вращения в течение опыта поддерживают неизменными.

На рис. 3 а представлена внешняя характеристика генератора независимого возбуждения, из которой видно, что при увеличении тока нагрузки I напряжение на выводах генератора понижается; это объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря и падением напряжения в цепи якоря. Наклон внешней характеристики к оси абсцисс (жесткость внешней характеристики) оценивается номинальным изменением напряжения генератора при сбросе нагрузки:     Обычно для генератора независимого возбуждения ΔUном=5÷10%

Регулировочная характеристика генератора. Характеристика I = f(I) показывает, как следует менять ток в цепи возбуждения, чтобы при изменениях нагрузки генератора напряжение на его выводах оставалось неизменным, равным номинальному. При этом частота вращения сохраняется постоянной (п = const).

Пои работе  генератора  без   нагрузки в   цепи   возбуждения устанавливают ток До, при котором напряжение на выводах генератора становится равным номинальному.  Затем постепенно увеличивают нагрузку генератора, одновременно повышают ток возбуждения таким образом, чтобы напряжение генератора во всем диапазоне нагрузок оставалось равным номинальному. Так получают восходящую ветвь характеристики (кривая на рис. 3, б). Постепенно уменьшая нагрузку генератора до х.х. и регулируя соответствующим образом, ток возбуждения, получают нисходящую ветвь характеристики (кривая 2 на рис. 3,б). Нисходящая ветвь регулировочной характеристики  расположена  ниже восходящей, что объясняется влиянием возросшего остаточного намагничивания магнитной цепи машины в процессе снятия восходящей ветви. Среднюю кривую 3, проведенную между восходящей и нисходящей ветвями, называют практической регулировочной характеристикой генератора.

Рис. 3. Внешняя  (а)  и регулировочная   (б)  характеристики генератора независимого возбуждения

Основной недостаток генераторов независимого возбуждения — это необходимость в постороннем источнике энергии постоянного тока — возбудителе. Однако возможность регулирования напряжения  в  широких  пределах,   а  также  сравнительно жесткая внешняя характеристика этого генератора являются его достоинством.

68.Характеристики генераторов постоянного тока со смешанным возбуждением.

Генератор смешанного возбуждения (рис. 1, а) имеет параллельную и последовательную обмотки возбуждения. Поток возбуждения создается в основном параллельной обмоткой. Последовательная обмотка обычно включается согласно с параллельной (чтобы МДС обмоток складывались), что обеспечивает получение жесткой внешней характеристики генератора.

В режиме х.х. генератор имеет только параллельное возбуждение, т.к. I=0. С появлением нагрузки возникает МДС последовательной обмотки возбуждения, которая, подмагничивая машину, компенсирует размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения в якоре.

Внешняя характеристика в этом случае становится наиболее жесткой (рис. 2, б, кривая 2), т. е. напряжение на зажимах генератора при увеличении тока остается почти неизменным. Если же требуется, чтобы напряжение на зажимах потребителя (в конце линии)  оставалось практически неизменным, то число витков последовательной обмотки  увеличивают так, чтобы МДС этой обмотки компенсировала еще и падение напряжения в  проводах линии (кривая 1), При встречном включении обмоток возбуждения напряжение генератора с ростом тока нагрузки резко уменьшается (кривая 3), что объясняется  размагничивающим действием последовательной обмотки возбуждения, МДС которой  направлена против МДС параллельной обмотки. Встречное включение обмоток применяют лишь в генераторах специального назначения, например в сварочных, где  необходимо получить круто падающую внешнюю характеристику.

Генераторы смешанного возбуждения с согласным включением обмоток возбуждения применяют для питания силовой нагрузки в случаях, когда требуется постоянство напряжения в линии.

69. Характеристики генераторов постоянного тока с последовательным возбуждением.

В генераторе последовательного возбуждения ток возбуждения IВ=IЯ (рисунок 6.12, а), а поэтому свойства этого генератора определяются лишь внешней характеристикой (рисунок 6.12, б). Все другие характеристики генератора могут быть сняты только при включении его на независимое возбуждение. Внешняя характеристика генератора последовательного возбуждения показывает, что с увеличением тока нагрузки от нуля до номинального напряжения на зажимах генератора в начале, когда магнитная цепь еще не насыщена, растет почти прямо пропорционально току нагрузки. Затем рост напряжения постепенно уменьшается и, наконец, прекращается. Объясняется это тем, что IЯ одновременно является и током возбуждения IВ, и с ростом нагрузки происходит насыщение стали. Однако повременно с ростом тока якоря увеличивается как размагничивающее влияние реакции якоря, так и падение напряжения в сопротивлениях цепи якоря и обмотки возбуждения, вызывающее уменьшение напряжения на зажимах генератора. При большом насыщении стали магнитной цепи машины рост магнитного потока э.д.с. практически прекращается. В то же время падение напряжения и реакция якоря будут продолжать возрастать. При к.з. напряжение генератора будет равно нулю, а ток к.з. намного превышать номинальный ток машины. Генератор последовательного возбуждения практического применения не имеет, так как не удовлетворяет требованиям большинства потребителей в отношении постоянства напряжения.

70. Самовозбуждение машин постоянного тока.

Для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы в нем был небольшой поток остаточного намагничивания ФОСТ (2-3% от номинального). При вращении якоря генератора в его обмотке магнитным потоком ФОСТ наводится остаточная э.д.с. EОСТ=(2-3%)EОСТ, которая создает в обмотке возбуждения небольшой ток. Этот ток при согласном направлении намагничивающего и остаточного потоков усилит магнитный поток полюсов и вызовет соответствующее увеличение э.д.с., индуктированной в обмотке якоря. Увеличение э.д.с. повлечет за собой увеличение тока возбуждения, а, следовательно, и магнитного потока главных полюсов, и т.д. Так как ток возбуждения непрерывно изменяется, то в цепи возбуждения действуют следующие э.д.с.: 1) напряжение UВ на зажимах цепи возбуждения, которое в то же время является и напряжением на зажимах якоря; 2) падение напряжения IВ RВ; 3) э.д.с. самоиндукции – LB(dIВ/dt), где LB – индуктивность цепи возбуждения. Таким образом

или .  (6.7)

Обычно процесс самовозбуждения происходит при х.х. и RВ=const. Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения возможно при соблюдении следующих условий:

а) магнитная система машины должна обладать остаточным магнетизмом;

б) магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, должен совпадать по направлению с потоком остаточного магнетизма;

в) сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического: RВ<RВ.КР;

г) сопротивление нагрузки не должно быть очень малым.

72.Характеристики генераторов постоянного тока с параллельным возбуждением.

Принцип самовозбуждения генератора постоянного тока основан на том, что магнитная система машины, будучи намагниченной, сохраняет длительное время небольшой магнитный поток остаточного магнетизма сердечников полюсов и станины Фост (порядка 2—3 % от полного, потока). При вращении якоря поток Фост индуцирует в якорной обмотке ЭДС Еост под действием кото рой в обмотке возбуждения возникает небольшой ток Iв.ост. Если МДС обмотки возбуждения Iв.остωв имеет такое же направление, как и поток, то она увеличивает поток главных полюсов. Это, в свою очередь, вызывает увеличение ЭДС генератора, отчего ток возбуждения вновь увеличится. Так будет продолжаться до тех пор, пока напряжение генератора не будет уравновешено падением напряжения в цепи возбуждения, т.е. lBrB=U0.

Рис. 1.  Принципиальная схема   (а)   и характеристика х. х. (б) генератора параллельного возбуждения

На рис. 1, а показана схема включения генератора параллельного возбуждения, на рис. 1, б — характеристика х.х. генератора (кривая 1) и зависимость падения напряжения от тока возбуждения Iвгв = f(Iв) (прямая 2). Точка пересечения А соответствует окончанию процесса самовозбуждения, так как именно в ней U0  = IBrB.

Угол наклона прямой ОЛ к оси абсцисс определяется из треугольника OAB: , где тi - масштаб тока (по оси абсцисс), А/мм; ти — масштаб напряжения (по оси ординат), В/мм.

Угол наклона прямой Iвгв = f(Iв) к оси абсцисс прямо пропорционален сопротивлению  цепи возбуждения. Однако при некотором значении сопротивления реостата rрг сопротивление гв достигает значения, при котором зависимость Iвrв = f(Iв) становится  касательной к прямолинейной части характеристики х.х. (прямая 3). В этих условиях  генератор не самовозбуждается. Сопротивление цепи возбуждения, при которой  прекращается самовозбуждение генератора, называют критическим сопротивлением  (гв.крит).

Следует отметить, что самовозбуждение генератора возможно лишь при частоте вращения, превышающей критическую пкр. Это условие вытекает из характеристики самовозбуждения генератора (рис. 2), представляющей собой зависимость напряжения генератора в режиме х. х. от частоты вращения при неизменном сопротивлении цепи возбуждения, т.е. Uо=f(n) при rв = const.

Рис. 2. Характеристика самовозбуждения

Анализ характеристики самовозбуждения показывает, что при п<пкр увеличение частоты вращения якоря генератора сопровождается незначительным увеличением напряжения, так как процесса самовозбуждения нет и появление напряжения на выходе генератора обусловлено лишь остаточным намагничиванием магнитной цепи генератора. Процесс самовозбуждения начинается при п>пкр. В этом случае увеличение частоты вращения сопровождается резким ростом напряжения U0. Однако при частоте вращения, близкой к номинальной, рост напряжения несколько замедляется, что объясняется магнитным насыщением генератора. Критическая частота вращения зависит от сопротивления цепи возбуждения и с ростом последнего увеличивается.

Таким образом, самовозбуждение генераторов постоянного тока возможно при соблюдении следующих условий: а) магнитная система машины должна обладать остаточным магнетизмом; б) присоединение обмотки возбуждения должно быть таким, чтобы МДС обмотки совпадала по направлению с потоком остаточного магнетизма Фост; в) сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического; г) частота вращения якоря должна быть больше критической.

Так как генератор параллельного возбуждения самовозбуждается лишь в одном направлении, то и характеристика х.х. этого генератора может быть снята только для одного квадранта осей координат.

Нагрузочная и регулировочная характеристики генератора параллельного возбуждения практически не отличаются от соответствующих характеристик генератора независимого возбуждения

Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения 1 (рис. 3) менее жесткая, чем у генератора независимого возбуждения. Объясняется это тем, что в генераторе параллельного возбуждения помимо причин, вызывающих уменьшение напряжения в генераторе независимого возбуждения (реакция якоря и падение напряжения в цепи якоря), действует еще и третья причина — уменьшение тока возбуждения, вызванное снижением напряжения от действия первых двух причин. Этим же объясняется и то, что при постепенном уменьшении сопротивления нагрузки гн ток увеличивается лишь до критического значения Iкр, а затем при дальнейшем уменьшении сопротивления нагрузки ток начинает уменьшаться. Наконец, ток нагрузки при коротком замыкании Iк<Iкр. Дело в том, что с увеличением тока усиливается размагничивание генератора (усиление реакции якоря и уменьшение тока возбуждения), машина переходит в ненасыщенное состояние, при котором даже небольшое уменьшение сопротивления нагрузки вызывает резкое уменьшение ЭДС машины (см. рис. 1, б). Т.к. ток определяется напряжением на выводах генератора U и сопротивлением нагрузки rн т.е. I=U/rн, то при токах нагрузки I<Iкр, когда напряжение генератора уменьшается медленнее, чем убывает сопротивление нагрузки, происходит рост тока нагрузки. После того как I=Iкр дальнейшее уменьшение гн сопровождается уменьшением тока нагрузки, так как в этом случае напряжение U убывает быстрее, чем уменьшается сопротивление нагрузки гн.

Рис. 3. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения

Таким образом, короткое замыкание, вызванное постепенным уменьшением сопротивления нагрузки, не опасно для генератора параллельного возбуждения. Но при внезапном к.з. магнитная система генератора не успевает размагнититься и ток Iкр достигает опасных для машины значений Iк=(8÷12)IНом. (кривая 2). При таком резком возрастании тока нагрузки на валу генератора возникает значительный тормозящий момент, а на коллекторе появляется сильное искрение, переходящее в круговой огонь. Поэтому необходимо защищать генератор от перегрузки и к.з. посредством плавких предохранителей или же применением релейной защиты.                                      Генераторы параллельного возбуждения широко применяют в установках постоянного тока, т.к. отсутствие возбудителя выгодно отличает эти генераторы от генераторов независимого возбуждения. Номинальное   изменение   напряжения   генератора   параллельного возбуждения составляет   10÷30%.

74.Двигатели постоянного тока. Энергетическая диаграмма. Уравнения напряжений, скоростей, моментов Двигатели постоянного тока находят широкое применение в промышленных, транспортных, крановых и других установках, где требуется широкое плавное регулирование частоты вращения. Одна и та же электрическая машина может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Это свойство электрических машин называют обратимостью. Для двигателя, работающего с постоянной частотой вращения, можно составить уравнение э.д.с. UСЕТИ=ЕЯ+IЯRЯ ,где ЕЯ и IЯ – э.д.с и ток, соответствующие установившемуся режиму работы; IЯRЯ – падение напряжения в сопротивлениях цепи якоря двигателя. Уравнение моментов двигателя. Электромагнитный момент двигателя М=(1/π)NIЯpФ/(2а)=CМIЯФ   (7.2)

создается в результате взаимодействия основного магнитного поля Ф и тока в обмотке якоря IЯ и расходуется на преодоление тормозящих моментов: а) момента х.х. М0; б) полезного момента М2; в) динамического момента Mj… Mj=±J(dω/d),  Энергетическая диаграмма двигателя. На рисунке 7.3 изображена энергетическая диаграмма двигателя параллельного возбуждения, работающего в установившемся режиме, т.е. при n=const. К двигателю из сети подводится мощность P1=UCI, которая покрывает потери в цепи возбужденияRВ и электрические потери в цепи якоря I2ЯRЯ  В зависимости от способа включения обмотки возбуждения и обмотки якоря различают следующие типы двигателей постоянного тока: а) параллельного возбуждения; б) последовательного возбуждения; в) смешанного возбуждения, в которых имеются две обмотки возбуждения: параллельная и последовательная. Двигатели постоянного тока оцениваются по совокупности следующих видов характеристик: пусковых, рабочих, регулировочных и механических.

75. Пуск в ход и пусковые характеристики двигатели постоянного тока. Пусковые характеристики. Пусковые характеристики определяются следующими величинами: а) пусковым током IПУСК характеризуемым отношением IПУСК/IНОМ; б) пусковом моментом МПУСК, характеризуемым отношением МПУСК/МНОМ в) плавностью пусковой операции; г) временем пуска в ход tПУСК; д) экономичностью операции, определяемой стоимостью пусковой аппаратуры.

В начальный момент пуска двигателя его якорь неподвижен, противо-э.д.с. в обмотке якоря равна нулю и ток в якоре двигателя IЯ=UС/RЯ. Сопротивление цепи якоря невелико, поэтому пусковой ток превышает номинальный в 20 и более раз. Резкий скачок тока при пуске создает на валу двигателя большой пусковой момент, который может вызвать механические разрушения, как самого двигателя, так и исполнительного механизма, привести к резкому падению напряжения в сети и вызвать интенсивное искрение под щетками. Поэтому при пуске двигателя в ход для ограничения пускового тока применяют пусковые реостаты, включаемые последовательно в цепь якоря (рисунок 1). По мере увеличения частоты вращения якоря противо-э.д.с. увеличивается, а ток якоря уменьшается, поэтому сопротивление реостата следует уменьшить так, чтобы в конце пуска оно было полностью выведено, и чтобы пусковой ток превышал номинальный не более чем в два-три раза. Для пуска в ход двигателей постоянного тока применяют двух-, трех- и четырехзажимные пусковые реостаты. На рисунке 1 представлена схема включения трехзажимного пускового реостата для двигателя параллельного возбуждения.

Реостат имеет шесть контактов: пять рабочих (1, 2, 3, 4, 5) и один холостой (нулевой 0); три зажима Л, Ш, Я, которые соответственно подключаются к линии, обмотке возбуждения и к якорю. Скользящий контакт реостата перемещается по неподвижным контактам и контактной дуге Д, благодаря которой обмотка возбуждения оказывается включенной на полное напряжение сети. Регулировочный реостат в цепи возбуждения rРГ следует вывести, так как в этом случае ток возбуждения IВ, магнитный поток Ф и вращающий момент двигателя достигают наибольшей величины, что облегчает пуск двигателя в ход. Пусковой реостат рассчитывают на кратковременный режим работы, когда количество его секций определяется условиями плавности пуска двигателя. Так как в первый момент пуска n=0, то и противо-э.д.с. ЕЯ=0, и IП.МАКС=UС/(RЯ+ΣRП), где RП – сумма сопротивлений всех секций пускового реостата. Так как вращающий момент двигателя М прямо пропорционален потоку Ф, то для облегчения пуска двигателя параллельного и смешанного возбуждения сопротивление реостата в цепи возбуждения rрг следует полностью вывести (rрг =0). Поток возбуждения Ф в этом случае получает наибольшее значение и двигатель развивает необходимый вращающий момент при меньшем токе якоря. Для пуска двигателей большей мощности применять пусковые реостаты нецелесообразно, так как это вызвало бы значительные потери энергии. Кроме того, пусковые реостаты были бы громоздкими. Поэтому в двигателях большой мощности применяет безреостатный пуск двигателя путем понижения напряжения. Примерами этого являются пуск тяговых двигателей электровоза переключением их с последовательного соединения при пуске на параллельные при нормальной работе или пуск двигателя в схеме «генератор-двигатель».

76. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением.

Одним из основных достоинств двигателей постоянного тока является возможность плавного регулирования частоты вращения в широких пределах. В общем случае в цепь якоря двигателя может быть включен регулировочный реостат Rрг. Тогда из формулы п=[U–IЯ(RЯ+Rрг)]/(сеФ) следует, что частоту вращения двигателей постоянного тока можно регулировать: а) изменением напряжения сети U; б) изменением падения напряжения в сопротивлениях цепи якоря IЯ(RЯ+Rрг); в) изменением потока возбуждения, а следовательно, изменением тока возбуждения IЯ. Первый способ возможен только в специальных установках, допускающих регулирование напряжения сети U. Реостат Rpг в цепи якоря должен быть подобран так, чтобы можно было регулировать частоту вращения в желаемых пределах. Предположим, что напряжение сети и ток возбуждения остаются постоянными, т.е. U=const и IЯ=const, кроме того, статический момент МСТ=М0+М2 не зависит от частоты вращения двигателя. При выведенном реостате Rpг установившийся режим работы двигателя характеризуется вращающим моментом М2, частотой вращения п1, и током в цепи якоря I21. Сразу же после введения регулировочного реостата Rpг частота вращения и противо-э.д.с. остаются без изменения вследствие значительного момента инерции якоря, а ток в цепи якоря уменьшается до значения I21'. Соответственно уменьшается и вращающий момент двигателя.  Превышение нагрузочного момента над вращающим моментом приводит к снижению частоты вращения якоря, уменьшению противо-э.д.с. и увеличению тока в цепи якоря (рисунок 1). Новое значение тока I22 и частота вращения п2 устанавливаются при равенстве вращающего момента двигателя и нагрузочного момента приводимого им во вращение механизма. При постоянном токе возбуждения и нагрузочном моменте М2 установившееся значение тока в цепи якоря I22= I21 и частота вращения якоря n2=п1[U–I21(RЯ+Rpг)]/(U–I21RЯ). Подведенная к двигателю мощность Р1=U(IЯ+IВ) в установившихся режимах сохраняется неизменной.

Полезная мощность Р2=М2ω=М22πп2/60 уменьшается пропорционально частоте вращения. Недостатки этого способа регулирования частоты вращения – малая экономичность и ухудшение условий охлаждения, поэтому его применяют, главным образом, для регулирования частоты вращения двигателей малой мощности. Если двигатель работает в установившемся режиме при неизменном напряжении на зажимах якоря и токе в обмотке возбуждения, то для необходимого вращающего момента М2 по соответствующим рабочим характеристикам могут быть определены частота вращения п1 ток I21 в цепи якоря и вычислена противо-э.д.с. Е21. При уменьшении тока возбуждения до значения IВ2 уменьшается магнитный поток. Вследствие значительного момента инерции якоря частота вращения его сразу же после изменения тока возбуждения остается прежней, противо-э.д.с. уменьшается до значения Е21' пропорционально магнитному потоку, ток в цепи якоря увеличивается до значения I21'=(U–Е21')/RЯ. Так как падение напряжения в цепи якоря составляет небольшую часть напряжения сети, то относительное увеличение тока (I21'–I21)/I21=(Е21–Е21')/(U–Е21)=(Е21–Е21')/IЯRЯ значительно превосходит относительное уменьшение магнитного потока. Это приводит к увеличению вращающего момента и к ускорению вращения якоря. Противо-э.д.с. в обмотке якоря увеличивается, ток уменьшается, пока не наступит равновесие между вращающим моментом двигателя и нагрузочным моментом приводимого им во вращение механизма при новых установившихся значениях тока I22 и частоте вращения п2 (рисунок 1). Подведенная к двигателю мощность Р2=U(IЯ+IВ) и полезная мощность P2=M22πп/60 увеличиваются в одинаковой мере, следовательно, к.п.д. двигателя при этом способе регулирования частоты вращения практически не изменяется. Зависимость частоты вращения п от величины тока возбуждения IВ выражается регулировочной характеристикой двигателя п=f(IВ) при IЯ=const и U=const. На рисунке 2 представлены две регулировочные характеристики двигателя, снятые при различных значениях тока якоря: при IЯ<IНОМ и при IЯ=IНОМ. Из этих характеристик видно, что при малом значении тока возбуждения, а тем более при обрыве цепи возбуждения IВ=0 частота вращения неограниченно возрастает, что приводит к «разносу» двигателя.

77. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением.

 

Частота вращения двигателей последовательного возбуждения регулируется также изменением напряжения. Этим способом можно регулировать частоту вращения и у двигателей параллельного возбуждения. Рассматриваемый способ применяют в тяговых установках (кранах, метро, трамваях и др.), где устанавливают несколько двигателей, причем на малых частотах вращения их включают последовательно, а на больших – параллельно, одновременно используя и включение регулировочного реостата Rрг, как показано на рисунке 1, а. Регулирование частоты вращения изменением магнитного потока возбуждения. При обычной схеме включения обмоток двигателя ток в обмотке возбуждения равен току якоря. Если замкнуть рубильник Р1 (рисунок 1, б), то ток возбуждения уменьшится, увеличивая частоту. При повышении частоты вращения условия коммутации ухудшаются и ограничивают верхний предел частоты вращения якоря, который не превышает 1,4 номинальной. Для оценки этого способа регулирования частоты вращения введено понятие о коэффициенте ослабления поля kО.П.=RШ.В/(RВ+RШ.В), где RШ.В – шунтирующее сопротивление параллельной обмотки возбуждения. Аналогичное увеличение частоты вращения якоря можно получить, если выполнить обмотку возбуждения секционированной, т.е. сделать отводы от некоторых витков обмотки возбуждения и производить изменения н.с. этой обмотки (рисунок 1, в). Изменение сопротивления регулировочного реостата в цепи якоря также позволяет регулировать частоту вращения двигателя (UД – напряжение на двигателе). При уменьшении нагрузки двигателя последовательного возбуждения частота вращения резко увеличивается и при нагрузке меньше 25% от номинальной может достигнуть опасных для двигателей значения («разнос»). Поэтому работа двигателя последовательного возбуждения или его пуск при нагрузке на валу меньше 25% от номинальной недопустима. Для более надежной работы вал двигателя последовательного возбуждения должен быть жестко соединен с рабочим механизмом посредством муфты и зубчатой передачи. Рис. а – изменением схемы включения; б – изменением тока возбуждения; в – секционированием обмотки возбуждения.

80. Механические характеристики двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением.

 

,  (27)где  - падение скорости при данном моменте нагрузки и сопротивлении якорной цепи. Согласно выражению (27) механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения представляет собой прямую линию. При выборе соответствующих масштабов для тока и момента можно совместить в одной системе координат как скоростную, так и механическую характеристики (рисунок 38). 2.2.2 Влияние напряжения сети, сопротивления якорной цепи и магнитного потока на характеристики двигателя. Из выражений (22), (24) и (26) следует, что при изменении напряжения, приложенного к якорной цепи двигателя, пропорционально меняется скорость идеального холостого хода. Наклон характеристик остается постоянным, следовательно, характеристики двигателя при различных напряжениях параллельны. Семейство таких характеристик показано на рисунке.

8

PAGE  9

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

 В

 С

     А

О

 б)

İ2

İ2

İН= İН

İУ

İУ

 В

 А1

А2

 а)

-ZҚİT

Ė2

Ė2

Ė

İУ

İУ

-ZҚİT

 О

Рисунок 7.3- Диаграммы параллельной работы трансформаторов с неодинаковыми коэффициентами трансформации

Рисунок 7.4- Схема замещения параллельной работы трансформаторов

ZК

ZК

İ

İ

İ

Ė2

Ė2

Ė

İу

İу

Қ

300

150

Ė

Рисунок 7.1- Векторная диаграмма параллельной работы трансформаторов  с группами соединений обмоток /-11 и /-12

Рис.12.2 Схемы замещения   асинхронного двигателя

Рис. 12-21. Непрерывная спиральная катушечная обмотка

Рис 12-22 Соединение трехфазной обмотки зигзагом

1. тема являющаяся компонентом более сложных систем ~ биологической и социальной.html
2. Токката и фуга И
3. Лірі ПІП досліджуваного ___________________________________________________________ Вік_______________ Стать______________________ Дата п
4. і. Тому Ренесанс до певної міри є еталоном культурного розвитку у світовій історії який можна порівняти з VIII
5. пользователь информации как субъект информационного рынка
6. дипломная практика в ООО Либерти Введение Данная работа представляет аналитический отчет о прохожден
7. ФЗ Об акционерных обществах весьма детальным образом регламентирует порядок образования деятельности
8. Бухгалтерский учет анализ аудит и статистика МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБ
9. Уголовная ответственность за бандитизм
10. Инженеры. 29.10.2005 Вопрос 2- В преданиях Древнего Египта сказано что ОНИ помогли найти Исиде сундук с тел.html
11. Сопоставьте слово с его определением 10x1- wireless ~ communicting without connecting wires or other mteril contcts rdition ~ the emission or trnsfer of rd.html
12. От гармонии деятельности к гармонии личности
13. 2006г
14. Юриспруденция 8 семестр 15 недель
15. записка 1 Вступ
16. Языки Центральной и Северной Америки
17. фактору; наличие сведений о вирусологическом обследовании; отсутствие взвеси и хлопьев
18. РЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата юридичних наук Київ ~ 200
19. Статья- Положение субъекта познания в контексте концепции глобального эволюционизма
20.  Личные гражданские составляют основу правового статуса и закреплены в наибольшем количестве статей кон

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе