Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1.Трансформаторы.. Устройство принцип действия.
Трансформатор представляет собой статический электромагнитный преобразователь с двумя или больше обмотками, предназначенный (наиболее часто) для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем. 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. Действие трансформатора основано на явлении взаимной индукции. Если первичную обмотку 1 трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то по ней будет протекать переменный ток I0 , который создает в сердечнике 2 трансформатора переменный магнитный поток. Этот магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки 3, будет индуктировать в ней э.д.с. E2 . Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник энергии (лампа накаливания 4), то под действием индуктируемой э.д.с.E2 по этой обмотке и через приемник энергии начнет протекать ток 12. Одновременно в первичной обмотке также появится нагрузочный ток I`1, который в сумме с током I0 составит ток первичной обмотки I1. Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, будет передаваться из первичной сети во вторичную при напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную сеть.
2.Типы магнитопроводов трансформаторов.
Магнитопровод представляет собой магнитную цепь трансформатора, по которой замыкается основной магнитный поток. Одновременно магнитопровод служит основой для установки и крепления обмоток, отводов, переключателей и других деталей активной части трансформатора.
Магнитопровод собирают из отдельных тонких пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга пленкой специального жаростойкого покрытия или лака.
Магнитопроводы выполняют двух типов: стержневого и броневого.
В магнитопроводе стержневого типа вертикальные стержни / имеют ступенчатое сечение, вписывающееся в круг. На них расположены обмотки цилиндрической формы. Части магнитопровода, не имеющие обмоток и служащие для образования замкнутой дети, называют ярмами.
В броневом магнитопроводе стержни расположены горизонтально и имеют прямоугольное поперечное сечение. Соответственно этому и обмотки такого магнитопровод а имеют прямоугольную форму. Из-за очень сложной технологии изготовления броневую конструкцию в России применяют только для некоторых типов специальных трансформаторов; все силовые трансформаторы отечественного производства имеют стержневую конструкцию.
По способу соединения стержней с ярмами различают стыковую и шихтованную конструкции стержневого магнитопровода.
При стыковой конструкции стержни и ярма собирают раздельно, насаживают обмотки на стержни, а затем сверху приставляют верхнее ярмо. Чтобы .избежать замыкания пластин, между стыкующимися частями магнитапровода помещают прокладки из электрокартона. После установки верхнего ярма (всю конструкцию прессуют я стягивают вертикальными шпильками.
При шихтованной конструкции стержни и ярма собирают в переплет, т. е. разбивают по толщине на слои (обычно по два или три листа), составленные из отдельных пластин так, чтобы в каждом слое часть пластин стержня заходила в ярмо. При этом пластины одного слоя перекрывают стыки пластин смежного слоя. Преимуществом шихтованной конструкции перед стыковой являются меньшая масса и большая механическая прочность, небольшие зазоры в местах стыков и ток холостого хода трансформаторов.
3.Уравнение трансформаторов в комплексном виде
В реальном трансформаторе помимо основного магнитного потока Ф, замыкающегося по стали и сцепленного со всеми обмотками трансформатора, имеются также потоки рассеяния Фσ1и Фσ2 (рис. 2.25), которые сцеплены только с одной из обмоток. Потоки рассеяния не участвуют в передаче энергии, но создают в каждой из обмоток соответствующие ЭДС самоиндукции
Еσ1 = 4,44fw1Фσ1m; Eσ2 = 4,44fw2Фσ2m.
С учетом ЭДС самоиндукции и падений напряжения в активных сопротивлениях обмоток можно составить комплексные уравнения для первичной и вторичной обмоток трансформатора. С учетом (2.13) получим следующую систему уравнений:
Ú1 + É1 + Éσ1 = Í1R1;
É2 + Éσ2 = Í2R2 + Í2Zн;
Í1 = Í0 + ( - Í2w2/w1),
где Zh — сопротивление нагрузки, подключенной к трансформатору.
Поскольку потоки рассеяния полностью или частично замыкаются по воздуху, они пропорциональны МДС соответствующих обмоток или соответствующим токам:
Eσ1 = I1X1; Eσ2 = I2X2.
Величины X1 и Х2 называют индуктивными сопротивлениями обмоток трансформатора, обусловленными потоками рассеяния.
Так как векторы ЭДС Е́σ1 и Е́σ2 отстают от соответствующих потоков и токов на 90o,то
Éσ1 = -jÍ1X1; Éσ2 = -jÍ2X2
При этом комплексные уравнения трансформатора примут вид
Ú1 + É1 = Í1R1 + jÍ1X1 = Í1Z1;
É2 + Í2R2 + jÍ2X2 + Í2Zн = Í2Z2 + Í2Zн;
Í1 + ( -Í2w2/w1) = Í0.
Замена ЭДС Éσ1 и Eσ2 падениями напряжений -jÍ1X1 и -jÍ2X2 наглядно показывает роль потоков рассеяния: они создают индуктивные падения напряжения в обмотках, не участвуя в передаче энергии из одной обмотки в другую.
4. 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)Ток приведенного трансформатора определяется из условия равенства мощностей во вторичной обмотке реаль.и прив.тр-ра.
3)Сопротивление r2’ определяется из условия равенства потерь прив и реаль. Тр-ра.
4) ,
тогда
.
5. Схемы замещения трансформаторов.
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
Если , то потенциалы точек a и b равны и потенциалы точек с и д соответственно, то поэтому я могу их совместить:
Схема замещения с учетом потерь в магнитопроводе:
это схема Т-образная. ( фиктивное сопротивление пропорциональное потерям в стали)
Схема замещения без учета потерь в магнитопроводе:
,где Хm-индуктивное сопротивление взаимоиндукции.
6. Работа трансформатора под нагрузкой. Векторная диаграмма при RL нагрузке.
Ур-ния при RL нагрузке:
Формула зависимости действительных значений эдс от амплитудного значения потока Ф.
е=-(dФ/dt)W
Ф=Фmcoswt
e=-Фmwsin(wt)W
E=((2πf)/) ФmW
E=4.44*ФmfW
1-поток взаимоиндукции Фm
2-поток взаимоинд инд-ет Е1=.Эти 2 вектора отс-ют от потока на 900 по з-ну эл-маг инд-ции.3-строится в соот-и с хар-ом нагр.4-пад-е напр-я на инд-ом сопр-и рассеяние вторичной обмотки, этот вектор прибавляется к под углом 900 к току
5-паралеллен но противоп-о направлен.6-замыкает 3 вектора 2,4 и 5. И так далее.
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.
7.Опыт холостого хода трансформатора.
В опыте холостого хода (рис. 1.10) вторичная обмотка трансформатора разомкнута, а к первичной подводится номинальное напряжение U1н = U10.
Схема замещения трансформатора для режима холостого хода (I2=0) примет вид
Измерив ток холостого хода I10 и мощность P10, потребляемую трансформатором, согласно схеме замещения находим
где: Zвх х – входное сопротивление трансформатора при опыте холостого хода.
Так как ток холостого хода мал по сравнению с номинальным током трансформатора, электрическими потерями ΔPэл1 = I210 R1 пренебрегают и считают, что вся мощность, потребляемая трансформатором, расходуется на компенсацию магнитных потерь в стали магнитопровода. При этом
,
откуда R0 = P10 / I210.
Аналогично считают, что X1 + X0 ≈ X0, так как сопротивление X0 определяется основным потоком трансформатора Ф (потоком взаимоиндукции), а X1 – потоком рассеяния ФΔ1, который во много раз меньше Ф. Поэтому с большой степенью точности полагают, что
Z0 = U10 / I10 ; .
Измерив напряжения U10 и U20 первичной и вторичной обмоток, определяют коэффициент трансформации
n = U10 / U20.
В действительности ток Í10 создает в первичной обмотке падения напряжения Í10 R1 и j Í10 X1, поэтому .
8. Опыт короткого замыкания трансформатора.
Вторичную обмотку замыкают накоротко сопротивление Zн = 0), а к первичной подводят пониженное напряжение (см. рис.1.12) такого значения, при котором по обмоткам проходит номинальный ток Iном. В мощных силовых трансформаторах напряжение Uк при коротком замыкании обычно составляет 5-15% от номинального. В трансформаторах малой мощности напряжение Uк может достигать 25-50% от Uном.
Так как поток, замыкающийся по стальному магнитопроводу, зависит от напряжения приложенного к первичной обмотке трансформатора, а магнитные потери в стали пропорциональны квадрату индукции, т.е. квадрату магнитного потока, то ввиду малости Uк пренебрегают магнитными потерями в стали и током холостого хода. При этом из общей схемы замещения трансформатора исключают сопротивления R0 и X0 и преобразуют ее в схему.Параметры этой схемы определяют из следующих соотношений:
9. Система относительных единиц трансформаторов.
Система относительных единиц — способ расчета параметров в системах передачи электроэнергии, при котором значения системных величин (напряжений,токов, сопротивлений, мощностей и т.п.) выражаются как множители определенной базовой величины, принятой за единицу. Это упрощает вычисления, так как величины, выраженные в относительных единицах, не зависят от уровня напряжения. Так, для устройств (например, трансформаторов) одного типа, импеданс, падение напряжения и потери мощности при различных уровнях напряжения будут различаться по абсолютной величине, но выраженные относительно базовых величин, будут примерно одинаковы. После расчета полученные результаты могут быть переведены обратно в системные единицы (вольты, амперы, омы, ватты и т.п.), если известны базовые величины, принятые за основу. Для сравнения параметров тр-ра и вообще машин разной мощ-ти вводятся отн-е знач-я.
U*=U1/Un=0.5
r*m=rm/zn
r*1=r1/zn
z*m=25-250
r*m=5-25
z*m=x*m
r1=r2,=0.15-0.5
10. Потери 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
11. Треугольник КЗ трансформатора.
Напряжение короткого замыкания трансформатора, представляющее полное падение напряжения в нем, измеряется у готового трансформатора при опыте короткого замыкания.
Опыт короткого замыкания заключается в том, что вторичную обмотку (обычно НН) замыкают накоротко, а к первичной обмотке через регулятор напряжения РН подводят напряжение. Схема опыта короткого замыкания изображена на рис. 15.5.
Напряжение поднимают от нуля до тех пор, пока амперметр не покажет номинальное значение тока I1.Так как вторичная обмотка,ставляет собой замкнутый контур, то в ней также возникнет локальный ток I2(I1ω1= I2ω2).
Ввиду отсутствия внешней вторичной цепи мощность, которую по-.ажет ваттметр, называется мощностью, или потерями, короткого замыкания Рк, которые состоят, как было сказано в § 5.2, из потерь в обмоточных проводах, добавочных потерь и потерь в отводах.
Рис. 5.4. Треугольник короткого замыкания (векторная диаграмма)
Напряжение, которое необходимо подвести к одной из обмоток трансформатора, чтобы в ней установился ток, соответствующий номинальной мощности, при замкнутой накоротко второй обмотке называется напряжением короткого замыкания.
Это напряжение UK компенсирует активные и реактивные падения напряжения в обеих обмотках, вызванные токами I1 и I2, и поэтому является полным падением напряжения в трансформаторе. Напряжение короткого замыкания составляет несколько процентов
от номинального напряжения (от 5,5 до 7,5% для трансформаторов габаритов I—II—III напряжением до 35 кв). Так как насыщение магнито-провода, а следовательно, потери и ток холостого хода будут при этом весьма малы, то последними при расчете UK можно пренебречь.
Векторная диаграмма короткого замыкания трансформатора может быть получена из упрощенной векторной диаграммы приведенного трансформатора, в которой вектор вторичного напряжения Ич равен нулю. Треугольник ЛВО, построенный на катетах, равных суммам активных и реактивиых падений напряжения обеих обмоток, называется треугольником короткого замыкания (см. рис. 5.4).
Напряжение короткого замыкания UK, а также и его составляющие Uа и Up удобнее выражать в % от номинального напряжения. Расчет напряжения рассеяния Up уже был рассмотрен в § 5.5.
Активная составляющая Uа зависит от величины потерь короткого замыкания и ее формула выводится следующим образом. Для каждой из обмоток на основании закона Ома
Ua1=I1r1 и Ua1=I1r1,
или, выразив падения напряжения в % от номинального,
ua1=Ua1/U1•100= (I1r1/U1)•100= (I21r1/ U1I21)•100=(Pk1/S)•100%;
ua2=Ua2/U2•100= (I2r2/U2)•100= (I22r2/ U2I22)•100=(Pk2/S)•100%;
ua= ua1+ ua2= [(Pk1+ Pk2) /S]•100%
Потери Рк обычно выражаются в вт, а мощность — в ква, поэтому окончательно
ua= (Pk /1000S)•100=Pk /10S, % (5.9)
Так как в треугольнике короткого замыкания напряжение короткого замыкания Pк является гипотенузой, то через свои составляющие это напряжение, очевидно, будет выражено формулой
UK=√U2a+U2p
Соотношения между Ua и Up различны и зависят от мощности трансформатора. У самых малых трансформаторов (мощностью до 1 ква) реактивная составляющая мала, и напряжение UKможно считать равным Ua. С ростом мощности значение Upотносительно увеличивается, и у самых крупных трансформаторов, наоборот, напряжение UKстановится уже почти равным реактивной составляющей Up.
12 Режим нагрузки трансформатора. Физический смысл
При подключении нагрузки к вторичной обмотке во вторичной цепи возникает нагрузочный ток, создающий магнитный поток в магнитопроводе, направленный противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате в первичной цепи нарушается равенство ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения.
Схематично, процесс преобразования можно изобразить следующим образом:
Мгновенный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора определяется интегралом по времени от мгновенного значения ЭДС в первичной обмотке и в случае синусоидального напряжения сдвинут по фазе на 90° по отношению к ЭДС. Наведённая во вторичных обмотках ЭДС пропорциональна первой производной от магнитного потока и для любой формы тока совпадает по фазе и форме с ЭДС в первичной обмотке. Векторная диаграмма напряжений и токов в трансформаторе с нагрузкой при согласном включении обмоток:
13 ИЗМЕНЕНИЕ напряжения трансформатора
Изменением напряжения ΔU трансформатора называется арифметическая разность между номинальным вторичным напряжением (U2ном и вторичным напряжением U2, которое получается (устанавливается) на зажимах вторичной обмотки при нагрузке трансформатора и заданном коэффициенте мощности нагрузки cosφ2.
Номинальным вторичным напряжением U2ном силового трансформатора называется вторичное напряжение, определенное по коэффициенту трансформации К без учета падений напряжения от тока холостого хода. Практически это будет вторичное напряжение при холостом ходе
U2ном=U1(ω2/ω1)=U1/K
Изменение вторичного напряжения обычно выражается в процентах по отношению к номинальному вторичному напряжению U2ном
Δu=[( U2ном- U2)/ U2ном ]100%.
Изменение напряжения происходит вследствие наличия активных и реактивных падений напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора.
14 КПД ТРАНСФОРМАТОРА
При работе в трансформаторе возникают потери энергии.Коэффициентом полезного действия трансформатора (КПД) называют отношение отдаваемой мощности Р2 к мощности Р1 поступающей в первичную обмотку:
Мощность Р2 подсчитывается по формуле:
где SH = mI2HU2H — номинальная мощность, кВт.
Мощность Р1, подводимая к трансформатору:
Коэффициент полезного действия трансформатора
Как видно из последней формулы, величина КПД зависит от загрузки трансформатора. Кроме того, коэффициент полезного действия трансформатора тем больше, чем выше cosφ2. Максимальный коэффициент полезного действия трансформатора соответствует такой загрузке, при которой магнитные потери равны электрическим потерям:
Отсюда значение коэффициента загрузки, соответствующее максимальному КПД трансформатора, равно:
Обычно коэффициент полезного действия трансформатора имеет максимальное значение при β= 0,5 — 0,6. Тогда η= 0,98 — 0,99.
15 Группы трансформатора
Трехфазный трансформатор имеет две трехфазные обмотки - высшего (ВН) и низшего (НН) напряжения, в каждую из которых входят по три фазные обмотки, или фазы. Таким образом, трехфазный трансформатор имеет шесть независимых фазных обмоток и 12 выводов с соответствующими зажимами, причем начальные выводы фаз обмотки высшего напряжения обозначают буквами A, B, С, конечные выводы - X, Y, Z, а для аналогичных выводов фаз обмотки низшего напряжения применяют такие обозначения: a,b,c,x,y,z.
В большинстве случаев обмотки трехфазных трансформаторов соединяют либо в звезду -Y, либо в треугольник - Δ (рис. 1).
Выбор схемы соединений зависит от условий работы трансформатора. Например, в сетях с напряжением 35 кВ и более выгодно соединять обмотки в звезду и заземлять нулевую точку, так как при этом напряжение проводов линии передачи будет в √3 раз меньше линейного, что приводит к снижению стоимости изоляции.
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
16 Параллельная работа трансформаторов . Условия и требования
При переменном графике нагрузки экономически выгодной может оказаться установка на подстанции двух (реже – более двух) трансформаторов, которые работают на общую электросеть. При небольшой нагрузки сети работает один трансформатор, а при возрастании потребления электроэнергии параллельно подключают другой
Условия работы
İ
İ
İ
ZК
ZК
Рисунок 7.4- Схема замещения параллельной работы трансформаторов
Параллельная работа трансформаторов возможна при соблюдении следующих требований:
1. Номинальные первичные и вторичные напряжения равны;
2. Трансформаторы имеют одинаковые группы соединения обмоток;
3. Напряжения короткого замыкания трансформаторов равны;
4. Отношение номинальных мощностей трансформаторов не превышает 3:1.
При несоблюдении первого и второго требования в цепи вторичных обмоток появляются большие уравнительные токи, которые вызывают ненужный нагрев обмоток и потери мощности.
При несоблюдении третьего и четвертого требования трансформаторы будут неравномерно нагружаться, следовательно, параллельная работа будет невозможна.
При установке трансформатора для параллельной работы с другим его фазируют, то есть определяют одноименные фазы на низшем напряжении (НН), включив в сеть обмотку высшего напряжения.
Сначала попарно определяют концы обмоток низшего напряжения (НН), между которыми нет разницы в напряжении. Затем измеряют напряжение между каждым из концов одной фазируемой стороны и двумя разноименными концами другой стороны (всего шесть измерений). Эти напряжения тоже должны быть одинаковыми.
При напряжении вторичной обмотки до 380 В для фазировки используют вольтметр или две последовательно соединенные лампы, рассчитанные на фазное напряжение.
Для получения замкнутого электрического контура нейтральные точки вторичных обмоток соединяют. У трансформаторов без заземленной нейтрали соединяют два одноименных зажима.
Высоковольтные обмотки фазируют с использованием трансформаторов напряжения.
Схема подключения
схема подключения параллельной работы трансформаторов
17 Параллельная работа трансформаторов при неравенстве коэффициентами трансформации. Режим 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%.
18 Параллельная работа трансформаторов при неравестве коэф-ов тра-ции. Режим нагрузки
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 IZ=IZ I I1/ZК1/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 31.
19 Параллельная работа трансформаторов с неодинаковыми напряжениями короткого замыкания. Если коэффициенты трансформации обоих трансформаторов равны, то уравнительный ток равен нулю и согласно упрощенной схеме замещения параллельной работы, построенной без намагничивающих ветвей (см. рис. 3.22, б), нагрузочные токи трансформаторов распределяются обратно пропорционально сопротивлениям короткого замыкания, т. е.
Это выражение показывает, что при неравенстве напряжений короткого замыкания относительные токи трансформаторов обратно пропорциональны напряжениям короткого замыкания. В случае, если известны внешние характеристики, удобно по заданной величине вторичного напряжения графически определять токи при параллельной работе трансформаторов (рис. 3.25). Чем больше значение напряжения короткого замыкания ик, тем больше падение напряжения в обмотках трансформатора при нагрузке и, следовательно, тем больше наклон его внешней характеристики. Токи находят по точкам пересечения характеристик с горизонтальной прямой, ордината которой соответствует напряжению uн.
20 Параллельная работа трансформаторов при неравенстве групп тр-ов
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 Е2Е2Sin150=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.
21 Асинхронные машины.Конструкция и принцип действия. АД -устройство, преобразующее электр-ую энергию в мех.энергию вращательного движения.
Плюсы: простота конструкции, низкая стоимость, высокая надежность. В основном бывают 3,2 и 1фазными. 3-фазный АД состоит из неподвижной части (статора) и вращающегося ротора. Статор предназначен для создания вращающегося магнитного поля при подключении трехфазной обмотки статора к трехфазному источнику напряжения, он состоит из чугунного, стального или алюминиевого корпуса, в который вмонтирован шихтованный из тонких стальных пластин сердечник. На внутренней стороне сердечника имеются пазы, в которых располагаются секции трех статорных обмоток.
Ротор - цилиндрический шихтованный стальной сердечник, в пазы которого методом горячей заливки помещается короткозамкнутая обмотка типа "беличья клетка" из алюминия или меди.
Шихтовка сердечников статора и ротора из покрытых электроизоляционным лаком тонких пластин (толщиной 0,35 — 0,5 мм) производится с целью снижения потерь в электротехнической стали от вихревых токов.
Между вращающимся ротором и неподвижным статором есть небольшой воздушный зазор.
Обмотка статора выполняется из изолированного медного провода. Для изоляции секций обмотки от сердечника применяются электроизоляционный картон, слюда, стекловолокно, лавсан и др.
Обмотка статора состоит из трех отдельных обмоток, называемых фазами. Фазы между собой могут быть соединены на отдельном клеммном щитке звездой или треугольником. Начала обмоток обозначают A,B,C концы — X,Y,Z .
В зависимости от соединения обмоток один и тот же двигатель может быть подключен на напряжение U(cоединение звездой) или на напряжение U/√3 (соединение треугольником). Обмотки ротора бывают двух типов — короткозамкнутые и фазные. Исполнение двигателя с фазными обмотками вращающегося ротора требует наличия на валу трех контактных колец и трех контактных металлографитных щеток. К контактным кольцам подключаются резисторы для улучшения пусковых и регулировочных характеристик.
Обмотка состоит из трех секций, а каждая секция представлена тремя витками. Все витки секции располагаются в одном пазу.
Две другие фазные обмотки имеют одинаковые параметры с первой обмоткой и располагаются на сердечнике статора со сдвигом на треть длины внутренней окружности статора (со сдвигом на 120°).
Фазную обмотку ротора, если она имеется, выполняют так же, как и обмотку статора, и соединяют всегда звездой. Начала фаз обмотки пайкой соединяют с контактными кольцами, которые изолированы как друг от друга и от вала. К кольцам примыкают три щетки с токоотводами. Щетки вставляются в щеткодержатели, закрепленные неподвижно на корпусе.
Принцип действия АД основан на использовании вращающегося магнитного поля обмоток статора.При вращении магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора, из-за чего в них наводится переменная ЭДС e=Blν, где B — магнитная индукция, l — длина проводника, ν — лин.скорость перемещения проводника относительно нормальной составляющей индукции. В замкнутой обмотке ротора ЭДС вызывает появление тока. При взаимодействии тока ротора с вращающимся магнитным полем на проводник, по закону Ампера, действует сила F=BIl, направление которой определяется по правилу левой руки. Под действием силы возникает момент, приводящий во вращение ротор двигателя в направлении вращения магнитного поля. Скорость вращения ротора n в двигательном режиме меньше скорости вращения поля n0. При n=n0 поле обмоток статора не пересекало бы проводники ротора, и следовательно, момент двигателя равнялся бы нулю. Разность между скоростью вращения поля обмоток статора и скоростью вращения ротора, отнесенная к скорости вращения поля обмоток статора, называется скольжением S. При работе двигателя с нагрузкой S=3…5%
25 Режим генератора
Этот режим служит для преобразования механической энергии в электрическую, т.е. асинхронная машина должна развивать на валу тормозной момент и отдавать в сеть электрическую энергию. Асинхронная машина переходит в режим генератора, если ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля (n>n0). Этот режим может наступить, например, при регулировании частоты вращения ротора.
Пусть n>n0. При этом изменится (по сравнению с режимом двигателя) направление ЭДС и тока ротора, а также изменится направление электромагнитной силы и электромагнитного момента (рис. 2.10). Машина начинает развивать на валу тормозной момент (потребляет механическую энергию) и возвращает в сеть электрическую энергию (изменилось направление тока ротора, т.е. направление передачи электрической энергии).
Рис. 2.10
При n>n0,S=0.
При n→+∞,S→−∞.
Таким образом, в режиме генератора скольжение изменяется в пределах: 0>S>−∞.
В режиме электромагнитного тормоза машина потребляет механическую энергию, развивая на валу тормозной момент, и одновременно потребляет из сети электрическую энергию. Вся эта энергия идёт на нагрев машины.
Рис.2.11
При n=n0,S=1.
При n→−∞,S→+∞.
Таким образом, в режиме электромагнитного тормоза скольжение изменяется в пределах: 0<S<∞.
28 Зависимость эл/магнитного момента от актив.составляющей тока ротора. При увеличении скольжения, как показывает выражение ( 3 - 8), одновременно увеличивается как полный ток ротора, так и отношение его реактивной и активной составляющих
С увеличением нагрузки магнитная цепь машины насыщается и пропорциональность между потоком Ф и током / и нарушается. При значительных насыщениях поток Ф практически постоянен. Зависимость электромагнитного момента М от тока якоря / и ( рис. 2.7) в начальной части ( когда нет насыщения) имеет форму параболы, затем отклоняется от параболы и в области больших нагрузок переходит в прямую. При отсутствии нагрузки на валу синхронного двигателя ось полюсов его обмотки возбуждения практически совпадает с осью полюсов вращающегося магнитного поля, создаваемого обмоткой статора. Увеличение нагрузки синхронного двигателя приводит к появлению угла сдвига между осями полюсов полей статора и ротора.
29 Зависимость электромагнитного момента от скольжения
Часть характеристики, соответствующая режиму двигателя, т.е. при скольжении, изменяющемся от 1 до 0. Момент, развиваемый двигателем при пуске в ход (S=1) - Mпуск. Скольжение, при котором момент достигает наибольшего значения-Sкр, а наибольшее значение момента –Mкр. Отношение критического момента к номинальному называют перегрузочной способностью двигателя Mкр/Mн=λ=2÷3. Критический момент не зависит от активного сопротивления ротора, но зависит от подведенного напряжения. При уменьшении U1 снижается перегрузочная способность асинхронного двигателя.
Участок харак-ки, где скольжение изменяется от 0 до Sкр, соответствует устойчивой работе двигателя. На этом участке располагается точка номинального режима (Mн, Sн). В пределах изменения скольжения от 0 до Sкр изменение нагрузки на валу двигателя будет приводить к изменению частоты вращения ротора, изменению скольжения и вращающего момента. С увеличением момента нагрузки на валу частота вращения ротора станет меньше, что приведет к увеличению скольжения и электромагнитного (вращающего) момента. Если момент нагрузки превысит критический момент, то двигатель остановится. Участок характеристики, на котором скольжение изменяется от Sкр до 1, соответствует неустойчивой работе двигателя. Этот участок характеристики двигатель проходит при пуске в ход и при торможении.
30 Условие устойчивой работы АД. Перегрузочная способность. Под устойчивостью работы электродвигателя понимают способность двигателя восстанавливать установившуюся частоту вращения при кратковременных возмущениях (изменениях нагрузки, напряжения питающей сети и пр.). Условие равновесия моментов, приложенных к ротору двигателя:М =Mст + Jdω2 /dt,
где М — электромагнитный момент двигателя; Mст — статический момент нагрузки (момент сопротивления механизма, приводимого во вращение, с учетом механических потерь в двигателе); Jdω2 /dt — динамический момент, зависящий от момента инерции вращающихся массJ и ускорения ротора dω2 /dt.
При М = Mст ускорение ротора: dω2 /dt = (М - Mст )/J= = 0,
т. е. ротор вращается с установившейся частотой. Если М > Мст - ротор ускоряется, а при М < Мст - замедляется.
Устойчивость зависит от конкретных условий, при которых работает электродвигатель, в частности от формы механических характеристик двигателя и приводимого им во вращение производственного механизма.
Рис. 4.23. Механические характеристики некоторых производственных механизмов (а) и графики для определения статической устойчивости асинхронного двигателя (б)
Устойчивость «в малом». Рассмотрим работу асинхронного электродвигателя [механическая характеристика 1 на рис. 4.23, б], приводящего во вращение производственный механизм, у которого статический (нагрузочный) момент Мст падает с увеличением частоты вращения (механическая характеристика 2). В этом случае условие М = Мст выполняется в точках А и В при значениях частоты вращения пА и пB. Однако в точке В двигатель не может работать устойчиво, так как при малейшем изменении момента Мст (нагрузки) и возникающем в результате этого отклонении частоты вращения от установившегося значения появляется избыточный замедляющий или ускоряющий момент ± (М - Мст), увеличивающий это отклонение. Например, при случайном небольшом увеличении статического момента Мст ротор двигателя начинает замедляться, а его частота вращения п2 - уменьшаться. При работе машины в режиме, соответствующем точке В, т. е. на участке М - П характеристики 1, это приводит к уменьшению электромагнитного момента М, т. е. к еще большему возрастанию разности (М - Мст). В результате ротор продолжает замедляться до полной остановки. При случайном уменьшении статического момента ротор начинает ускоряться, что приводит к дальнейшему увеличению момента М и еще большему ускорению до тех пор, пока машина не переходит в режим работы, соответствующий точке А. При работе машины в режиме, соответствующем точке А, двигатель работает устойчиво, так как при случайном увеличении момента Мст и замедлении ротора (т. е. уменьшении частоты вращения п2 ) электромагнитный момент М возрастает. Когда момент М станет равным новому значению Мст, двигатель снова работает с установившейся, но несколько меньшей частотой вращения.
Таким образом, асинхронный двигатель при работе на участке С - М механической характеристики обладает свойством внутреннего саморегулирования, благодаря которому его вращающий момент автоматически регулируется по закону М = Мст. Это регулирование осуществляется за счет увеличения или уменьшения частоты вращения ротора п2 , т. е. система регулирования является статической.
Сравнивая условия работы двигателя в точках А и В, можно сделать вывод, что работа двигателя устойчива, если с увеличением частоты вращения п2 статический момент Мстуменьшается медленнее, чем электромагнитный момент двигателя М. Это условие представим в следующем виде:
(4.54)
dM/dn2 < dМст /dn2 .
Оно выполняется практически для всех механизмов с падающими характеристиками Мст = f(n) и с характеристиками, не зависящими от частоты вращения (кривые 3 и 1 на рис. 4.23, а), если двигатель работает на участке С - М характеристики 1 (рис. 4.23,6). Следовательно, двигатель, приводящий во вращение подобные механизмы, может устойчиво работать только в диапазоне изменения скольжения 0 < s < sкр . При s > sкр , т.е. на участке М - П механической характеристики 1, устойчивая работа становится невозможной.
При работе электродвигателя совместно с производственным механизмом, имеющим вентиляторную характеристику (см. рис. 4.23, а), устойчивая работа возможна и на участке М - Пмеханической характеристики 1, т. е. при S > Sкp . Однако допускать работу при скольжениях, больших критического, не следует, так как при этом резко уменьшается КПД двигателя, а потери мощности в его обмотках становятся настолько большими, что могут в короткое время вывести двигатель из строя.
Устойчивость «в большом». Практически условие (4.54) является необходимым, но недостаточным. В эксплуатации возможны не только кратковременные небольшие измененияМст, но и существенные увеличения нагрузочного момента при резких изменениях режима работы. Когда двигатель работает при скольжении, меньшем sкp , но близком к нему, случайная перегрузка двигателя может привести к его остановке при Мст > Mmax. Поэтому максимальный момент иногда называют опрокидывающим моментом.
При больших перегрузках устойчивость работы двигателя обеспечивают путем выбора номинального момента Мном < Mmax . Отношение kм = Mmax /Мном , называемое перегрузочной способностью, регламентируется ГОСТом. Перегрузочная способность для различных двигателей различна: kм = 1,7 ÷ 3,5. Большие значения имеют двигатели, предназначенные для работы с большими перегрузками, — крановые, металлургические и т. п.
Рис. 4.24. Механические характеристики асинхронного двигателя при различных напряжениях
Увеличение перегрузочной способности асинхронного двигателя ведет к возрастанию его габаритов и массы или к снижению энергетических показателей. Из формулы (4.48) видно, что значение максимального момента приблизительно обратно пропорционально индуктивным сопротивлениям Х1 + Х'2 обмоток. Для увеличения перегрузочной способности двигателя следует уменьшать эти сопротивления, т. е. числа витков обмоток статора и ротора. А это приводит к возрастанию магнитного потока (а следовательно, к увеличению сечения магнитопровода) и тока холостого хода. Поэтому двигатели с повышенным значением kм имеют большие габариты и массу, а ток холостого хода у них достигает 40 - 60% от номинального.
31.Пуск в ход асинхронного двигателя
При пуске двигателя в ход должны по возможности удовлетворяться следующие основные требования: процесс пуска должен быть простым и осуществляться без сложных пусковых устройств, пусковой момент должен быть достаточно большим, а пусковые токи — по возможности малыми. Иногда к этим требованиям добавляются и другие, обусловленные особенностями конкретных приводов, в которых используются двигатели: необходимость плавного пуска, наибольшего пускового момента и пр. Практически используются следующие способы пуска: непосредственное подключение обмотки статора к сети (прямой пуск); понижение напряжения, подводимого к двигателю при пуске; подключение к обмотке ротора пускового реостата.
Прямой пуск применяется для двигателей малой и средней мощности. Обычно при прямом пуске действующее значение пускового тока превосходит номинальное значение в четыре - шесть раз, а пусковой момент примерно равен: Мп = (1,0 – 1,2)Мном
Прямой пуск самый распространенный способ пуска в ход асинхронных двигателей. Недостатками его являются: большой пусковой ток и сравнительно малый пусковой момент, достоинство - простота.
Пуск асинхронного двигателя при пониженном напряжении применяют для двигателей большой мощности. Понижение напряжения может осуществляться тремя способами:
а) путем переключения обмотки статора при пуске с нормальной схемы "треугольник" на пусковую схему "звезда". В этом случае фазовое напряжение уменьшается в раз, что обуславливает уменьшение фазовых токов в раз и линейных токов в 3 раза. По окончании процесса пуска обмотку статора переключают на нормальную схему "треугольник".
б) путем включения в цепь статора на период пуска добавочных активных или реактивных сопротивлений.
в) путем подключения двигателя к сети через понижающий автотрансформатор. Секции трансформатора в процессе пуска переключаются соответствующей аппаратурой.
Недостатком всех этих способов является значительное уменьшение пускового момента, который пропорционален квадрату приложенного напряжения. Поэтому пуск асинхронного двигателя при пониженном напряжении может применяться только при пуске двигателей без нагрузки.
Пуск с помощью пускового реостата применяется для двигателей с фазовым ротором. Этим способом можно осуществить пуск двигателя при и резко уменьшить пусковой ток. Двигатели с фазовым ротором применяют только при тяжелых условиях пуска (когда необходимо развивать максимально возможный пусковой момент), при малой мощности электрической сети или при необходимости плавного регулирования скорости вращения.
32. Регулирование скорости вращения асинхронной машины
Скорость вращения асинхронного двигателя определяется зависимостью
.
Следовательно, ее можно регулировать, изменяя питающего напряжения, число пар полюсов и величину скольжения . Последнее можно осуществить изменяя и .
Регулирование путем изменения частоты питающего напряжения. Применяемые ранее электромашинные преобразователи частоты очень громоздки, сложны в эксплуатации и дороги. Поэтому они практически полностью вытеснены полупроводниковыми преобразователями частоты, которые в настоящее время обеспечивают достаточную надежность в работе. При применении этого способа регулирования необходимо обеспечить (при изменении частоты питающей сети и питающего напряжения) постоянство потока намагничивания асинхронной машины.
Регулирование путем изменения числа пар полюсов позволяет получить ступенчатое изменение скорости вращения. Для двукратного изменения скорости отдельные катушки, составляющие данную фазу, переключаются с последовательного согласного соединения на встречное или с последовательного на параллельное. Обмотку ротора в этом случае выполняют короткозамкнутой. Если нужно иметь три или четыре скорости, то на статоре располагают еще одну обмотку, при переключении которой можно получить еще две скорости. Асинхронные электродвигатели с переключением числа пар полюсов называются многоскоростными. Недостатки этого способа регулирования скорости вращения: большие габариты и вес по сравнению с двигателями нормального исполнения, а, следовательно, и большая стоимость; большая величина ступеней регулирования (при частоте 50 Гц скорость вращения поля n, при переключениях изменяется в отношении 3000:1500:1000:750).
Регулирование путем включения в цепь ротора добавочных сопротивлений. Этот способ применяется для двигателей с фазовым ротором, он позволяет плавно изменять скорость вращения двигателя.
Недостатки: плохие энергетические характеристики асинхронной машины и чрезмерно "мягкая" механическая характеристика машины, что в некоторых случаях (при пульсациях нагрузочного момента) недопустимо.
Регулирование путем изменения питающего напряжения. Для двигателей нормального исполнения этот метод неприменим, т.к. пропорционально квадрату уменьшения напряжения питающей сети уменьшается величина момента двигателя. Он применяется для двигателей малой мощности, которые имеют значительные активные сопротивления роторной обмотки, т.к. в этом случае скольжение резко возрастает и максимум момента сдвигается в зону близкую и даже в область . Снижение КПД двигателя, связанное с увеличением потерь мощности для этих типов двигателей не имеет существенного значения.
33. Асинхронные двигатели с эффектом вытеснения тока ротора. Глубокопазные двигатели.
Глубокопазный двигатель. Принцип действия этого двигателя основан на явлении вытеснения тока. Беличья клетка выполнена из узких медных или алюминиевых стержней, заложенных в глубокие пазы ротора, высота которых в 6—12 раз больше ширины. Такие стержни можно рассматривать как проводники, разделенные на большое число слоев. «Нижние» слои проводников сцеплены с большей частью потока рассеяния Фσ2, чем «верхние», и имеют соответственно большую индуктивность. В начальный момент пуска при s = 1 частота изменения тока в роторе большая и распределение тока по параллельным слоям определяется в основном их индуктивным сопротивлением. Поэтому при пуске происходит вытеснение тока в «верхние» слои что равносильно увеличению активного сопротивления стержня. В результате происходит повышение пускового момента двигателя. При s ≈ sном частота тока в роторе мала (например, при f = 50 Гц и s ≈ 0,02, частота f2 ≈ 1 Гц) и соответственно меньше его индуктивное сопротивление. Вытеснения тока в этом случае не происходит; распределение его происходит приблизительно равномерно по высоте стержня. При этом резко уменьшается активное сопротивление ротора и потери мощности ΔРэл2 ; одновременно увеличивается поток рассеяния Фσ2 , а следовательно, и сопротивление Х'2 .
Изменение параметров R'2 и Х'2 глубокопазного двигателя в зависимости от скольжения приводит к тому, что характеристика М = f(s) близка к соответствующей характеристике двигателя с двойной беличьей клеткой. Существуют разновидности глубокопазных двигателей с трапецеидальной, двухступенчатой и колбообразной формой стержней.
Магнитный поток рассеяния ротора двигателя с повышенным пусковым моментом по сравнению с магнитным потоком рассеяния ротора двигателя нормального исполнения увеличен, а поэтому он имеет несколько уменьшенный cos φ1 при номинальном режиме и обладает пониженной перегрузочной способностью kм.
Явление вытеснения тока при пуске и связанное с этим увеличение активного и уменьшение индуктивного сопротивлений встречается (в меньшей степени) и у двигателей с короткозамкнутым ротором нормального исполнения. Чтобы усилить эффект вытеснения тока в короткозамкнутых двигателях мощностью до 100 кВт, пазам ротора и стержням придают специальную, сильно вытянутую в радиальном направлении форму. В микродвигателях размеры пазов ротора обычно настолько малы, что использование эффекта вытеснения тока оказывается невозможным.
34. Асинхронные двигатели с эффектом вытеснения тока ротора. Двухклеточные двигатели.
Двигатель с двойной беличьей клеткой. Ротор этого двигателя имеет две короткозамкнутые обмотки. Наружная клетка является пусковой; она выполнена из стержней малого поперечного сечения и поэтому обладает повышенным активным сопротивлением R2п. Внутренняя клетка является основной рабочей обмоткой двигателя; она выполнена из стержней сравнительно большого поперечного сечения и обладает малым активным сопротивлением R2p .
Индуктивные сопротивления клеток определяются значениями потоков рассеяния Фσ2, сцепленных с их стержнями. Так как пусковая клетка расположена близко к поверхности ротора, то сцепленные с ее стержнями потоки рассеяния Фσ2 сравнительно невелики, и она обладает малым реактивным сопротивлением Х2п . Рабочая клетка, наоборот, удалена от поверхности ротора, поэтому она имеет большое реактивное сопротивление Х2р . Увеличение реактивного сопротивления рабочей клетки обеспечивается благодаря соответствующему выбору ширины и высоты паза ротора, а также выбору щели между стержнями обеих клеток. Для повышения активного сопротивления пусковой клетки стержни обычно изготовляют из марганцовистой латуни или бронзы. Стержни рабочей клетки выполняют из меди. Торцовые короткозамыкающие кольца делают медными. В некоторых случаях обе обмотки объединяют и выполняют литыми из алюминия. В электрическом отношении обе клетки включены параллельно, вследствие чего ток ротора распределяется между ними обратно пропорционально их полным сопротивлениям z2п и z2р :
I2п /I2р = Z2p /Z2п = √R22p + X22p /√R22п + X22п . (1)
В начальный момент пуска, когда s = 1 и частота тока в роторе f2 максимальна, индуктивные сопротивления клеток во много раз больше их активных сопротивлений, поэтому
I2п /I2р ≈ Х2р /Х2п ,
т. е. ток ротора проходит в основном через пусковую клетку, у которой Х2п < Х2р . В то же время эта клетка обладает сравнительно большим активным сопротивлением, а следовательно, создает повышенный пусковой момент.
По мере разгона ротора уменьшается скольжение s и частота f2 , а поэтому изменяются индуктивные сопротивления Х2р и Х2п и распределение тока между клетками. Из (1) следует, что ток начинает постепенно переходить из пусковой клетки в рабочую. По окончании процесса разгона величина s становится малой и роль реактивных сопротивлений в токораспределении оказывается незначительной. В этом случае распределение токов определяется отношением
I2п /I2р ≈ R2р /R2п ,
т. е. ток начинает проходить в основном по рабочей клетке, где R2p < R2п . Таким образом, в рассматриваемом двигателе ток в начальный момент пуска вытесняется в наружную пусковую клетку, создающую большой пусковой момент, а по окончании процесса пуска проходит по рабочей клетке с малым активным сопротивлением, вследствие чего двигатель работает с высоким КПД. Поэтому двигатели с повышенным пусковым моментом часто называют двигателями с вытеснением тока.
Зависимость М = f(s) для двигателей с двойной беличьей клеткой можно построить, рассматривая действие пусковой и рабочей обмоток раздельно. Поскольку пусковая обмотка имеет повышенное сопротивление, максимум образуемого ею момента смещен в область больших скольжений. Характеристика М = f(s), создаваемая рабочей обмоткой, имеет такую же форму, как и характеристика короткозамкнутого двигателя нормального исполнения; у нее максимум момента соответствует скольжению sкp = 0,1÷0,2. У двигателя с двойной беличьей клеткой пусковой момент значительно больше, чем у короткозамкнутого двигателя нормального исполнения. Кратность пускового момента этого двигателя Мп /Мном = 1,3 ÷ 1,7, а кратность пускового тока Iп /Iном = 4 ÷ 6.
35. Синхронные машины
Синхронные машины это такие машины переменного тока, в которых частота движения ротора равно частоте тока в статоре. А, следовательно, определяется частотой питающей сети. Для производства электричество чаще всего используют синхронные генераторы. А синхронные двигатели отличаются тем, что у них скорость вращения постоянна и не зависит от нагрузки.
Все синхронные машины в принципе имеют одинаковую конструкцию. Они состоят из неподвижной части, которую называют статором. Он представляет собой корпус внутри, которого закреплён сердечник. Сердечник имеет цилиндрическую форму и набирается из тонких пластин для уменьшения потерь на вихревые токи и гистерезис. В сердечнике с внутренней стороны имеются пазы, в которые уложена обмотка статора. Сердечник вместе с обмоткой называется якорем.
Внутри статора находится ротор, представляющий собой цилиндрической формы сердечник из сплошной стали который находится на валу. На сердечнике ротора намотана обмотка возбуждения, которая запитывается постоянным током потому нет необходимости делать сердечник ротора из шихтованной стали. Так как магнитный поток ротора постоянный.
Ток к ротору подводится через скользящие контакты в виде колец находящихся на валу, к которым прижаты графитовые щетки. Кольца изолированы друг от друга и от вала. А к ним подключены концы обмотки возбуждения. Сердечник ротора с обмоткой возбуждения называются индуктором.
Обмотка возбуждения размещается на роторе, так как ток возбуждения имеет малую величину по сравнению с током якоря. Иногда синхронные машины выполняют и наоборот. Это когда индуктор находится на статоре, а якорь на роторе. Ток возбуждения подводится к статору, а якорный ток, например для двигателя подводится к ротору.
Все синхронные машины можно разделить на два вида. Первый из них это синхронные машины, у которых ротор выполнен с неявно выряженными полюсами. Неявно выраженные полюса это когда обмотка ротора равномерно уложена в пазы сердечника. Не имея при этом явно выраженных полюсов. Это, как правило, высоко оборотистые машины. Так как на высокой скорости вращения ротор с явно выраженными полюсами будет испытывать высокие динамические нагрузки.
Синхронные машины с явно выряженными полюсами применяют на низких частотах вращения. Это, как правило, гидрогенераторы. Поскольку ротор вращается под напором столба воды, а создать на реке большой перепад воды достаточно сложно.
На роторе явно полюсной машины отчетливо выделяются магнитные полюса, на которые укладывается обмотка возбуждения.
Рассмотрим принцип действия синхронной машины на примере генератора переменного тока. К индуктору генератора подводится постоянный ток от внешнего источника тока. Этот ток создает основной магнитный поток, который пронизывает обмотки якоря. Обмотки якоря имеют одинаковое число витков и уложены друг относительно друга со смещением в 120 градусов.
При вращении ротора в обмотках статора наводится эдс вследствие электромагнитной индукции. Чтобы ток в обмотках якоря изменялся по синусоидальному закону, в явно полюсных машинах применяют полюсные наконечники особой формы. То есть воздушный зазор между полюсным наконечником и якорем не однородный, а изменяется с движением от середины к краю. Таким образом, магнитное поле в зазоре будет изменяться по закону близкому к синусоидальному.
В неявнополюсных машинах для получения формы тока близкой к синусоидальной используют неоднородное распределение обмотки возбуждения в пазах индуктора.
Когда синхронная машина работает в режиме электродвигателя, трех фазное напряжение подается на якорь. При этом обмотка индуктора замыкается накоротко, что обеспечивает асинхронный режим пуска синхронной машины. После разгона на индуктор подается постоянный ток, и машина входит в синхронизм
36. Поперечная реакция якоря синхронного генератора
При холостом ходе генератора в машине имеется только магнитный поток ротора . При нагрузке, кроме потока ротора, появляется мдс статора и поток статора , который вращается с той же скоростью, что и ротор. Воздействие мдс статора на мдс ротора называется реакцией якоря. Следствием этого воздействия является изменение результирующего потока и результирующей эдс статора, а следовательно, потока и результирующейэдс статора.
Поперечная реакция якоря синхронного генератора происходит при активной и ёмкостной нагрузки.
Чисто активная нагрузка. Для момента времени, изображённого на рис. 2.15, максимальная эдс будет в фазе А, так как проводники этой фазы в данный момент находятся под полюсами, т. е. на продольной оси dd. В этот момент эдс в других фазах будет иметь величину и направление,соответствующие звезде эдс на рис. 2.15, а.
Так как при чисто активной нагрузке , то векторы токов во всех фазах будут совпадать с векторами соответствующих эдс. Направление токов в обмотках на чертеже поперечного сечения машины (рис. 2.15, а) будет такое же, как и эдс. По правилу буравчика для статорной обмотки определяется направление результирующего потока якоря. Он замыкается по поперечной оси ротора qq. Последовательность всех электромагнитных процессов, вызывающих реакцию якоря, может быть представлена следующей схемой:
(2.23) где - поперечный ток статора (ток статора, создающий поперечную реакцию якоря); , - поперечная мдс и поперечный поток реакции якоря; - поперечная эдс реакции якоря. Векторная диаграмма по этой схеме представлена на рис. 2.15. На векторной диаграмме условно показан ротор, продольная ось которого совмещена с векторами и . Векторы эдс и отстают от векторов, создающих их потоки, на угол .
а)
б)
Рис. 2.15. Реакция якоря при чисто активной нагрузке: а – векторная диаграмма эдс и направление токов в обмотке ротора; б – веторная диграмма действия мдс и поперечного потока при реакции якоря
Итак, при чисто активной нагрузке мдс реакции якоря является поперечной . На обегающей части полюса ротора она действует согласно с мдс ротора, а на набегающей – встречно, соответственно увеличивая магнитную индукцию в воздушном зазоре под полюсами.
Чисто ёмкостная нагрузка. При ёмкостной нагрузке ток якоря I опережает эдс на угол , поэтому ток в фазах статора по сравнению с предыдущим случаем изменяет своё направление на обратное (рис. 2.17, а). Поток реакции якоря будет также замыкаться по продольной оси, но действовать согласно с потоком ротора.
На рис. 2.17, б представлены кривые мдс и векторная диаграмма при ёмкостной нагрузке. Как видим на рисунке, при чисто ёмкостной нагрузке мдсреакции якоря является продольной и намагничивающей.
а)
б)
Рис. 2.17. Реакция якоря при чисто ёмкостной нагрузке: а – направление ток в обмотке ротора; б – определение максимального значения мдс; в – векторная диаграмма эдс, направление токов в обмотке ротора и поперечного потока при реакции якоря
37. Продольная реакция якоря синхронного генератора
При холостом ходе генератора в машине имеется только магнитный поток ротора . При нагрузке, кроме потока ротора, появляется мдс статора и поток статора , который вращается с той же скоростью, что и ротор. Воздействие мдс статора на мдс ротора называется реакцией якоря. Следствием этого воздействия является изменение результирующего потока и результирующей эдс статора, а следовательно, потока и результирующейэдс статора.
Продольная реакция якоря синхронного генератора происходит при индуктивной нагрузки.
Чисто индуктивная нагрузка. При чисто индуктивной нагрузке ток статора отстаёт от эдс на угол , как это показано на звезде эдс и токов (рис. 2.16).
|
|
|
Рис. 2.16. Реакция якоря при чисто индуктивной нагрузке: а – направление ток в обмотке ротора; б – определение максимального значения мдс; в – векторная диаграмма эдс, направление токов в обмотке ротора и поперечного потока при реакции якоря
Максимальная эдс в момент, соответствующий рис. 2.16, а, будет также в проводниках фазы А, однако ток в этой фазе . Направление тока в фазах В и C и результирующей мдс определяем как и в предыдущем случае. Результирующая мдс реакции якоря и поток действуют по продольной оси dd навстречу потоку ротора (рис. 2.16, б). Последовательность электромагнитных процессов
, (2.24)
где - ток статора, создающий продольную реакцию (продольный ток якоря); и - соответственно продольная мдс и продольный поток реакции якоря; - продольная эдс реакции якоря. Векторная диаграмма по этой схеме представлена на рис. 2.16, в.
38. Смешная реакция якоря синхронного генератора
При холостом ходе генератора в машине имеется только магнитный поток ротора . При нагрузке, кроме потока ротора, появляется мдс статора и поток статора , который вращается с той же скоростью, что и ротор.Воздействие мдс статора на мдс ротора называется реакцией якоря. Следствием этого воздействия является изменение результирующего потока и результирующей эдс статора, а следовательно, потока и результирующейэдс статора.
Общий случай нагрузки. При смешанной нагрузке генератора мдс реакции якоря будет действовать частично по продольной и частично по поперечной оси.
У явнополюсного генератора вектор мдс , направленный по току статора I (рис. 2.17, а), раскладываем на составляющие – продольную и поперечную:
Fad=Fa * sinΨ; . (2.25)
Аналогично мдс раскладываем на продольную и поперечную составляющие ток статора:
; (2.26)
Действие реакции якоря может быть изображено следующей схемой (рис. 2.18).
Рис. 2.18. Действие реакции якоря
В общем случае нагрузки реакцию якоря рассматривают как реакцию при чисто активной и чисто реактивной нагрузках.
39. Индуктивные сопротивления реакции якоря синхронных машин
Определение индуктивных сопротивлений Xd и Xq . Из формулы (6.23) можно определить синхронное индуктивное сопротивление машины по продольной оси Xd = Е0/Iк , где ЭДС Е0 и токIк должны быть взяты при одном и том же значении тока возбуждения (рис. 6.30, а). Для прямолинейного участка характеристики холостого хода не имеет значения, при каком токе возбуждения определяется Xd , так как во всех случаях Xd = const. Это же значение сопротивленияXd получим при определении Е0 по спрямленной характеристике холостого хода Оа , соответствующей ненасыщенной машине.
|
Рис. 6.30. Характеристики холостого хода и короткого замыкания (а) и векторная диаграмма явнополюсной машины при коротком замыкании (б) |
При учете насыщения сопротивление Xd уменьшается. Однако его значение различно для разных точек реальной характеристики холостого хода. Поэтому практически употребляется значение Xd для ненасыщенной машины, а учет насыщения, если это требуется, производится путем непосредственного определения соответствующих ЭДС по характеристике холостого хода (как это показано в § 6.6). Если известны коэффициенты приведения kd и kq , то по полученному значению Xd можно определить синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси Хq = (kq /kd ) Xd . В неявнополюсных машинах Xd = Xq = Хсн , т. е. Хсн = Е0/Iк . Если выразить синхронные индуктивные сопротивления в относительных единицах, то
(6.25)
Xd* = (Iаном /Uном )Xd ; Xq* = (Iаном /Uном )Xq ,
где Iаном и Uном — номинальные значения фазных тока и напряжения.
В современных синхронных явнополюсных машинах средней и большой мощности Xd* = 0,6 ÷ 1,6, а Xq* = 0,4 ÷ 1. Сопро-тивление Xd* определяется в основном реакцией якоря, так как относительная величина индуктивного сопротивления, обусловленного потоком рассеяния, мала (Xσa* = 0,1 ÷ 0,2). В неявнополюсных машинах средней и большой мощности обычно сопротивление Хсн* = 0,9 ÷ 2,4.
Сопротивления, выраженные в относительных единицах, характеризуют параметры машины, показывая относительную (относительно номинального напряжения) величину падения напряжения при номинальном токе. Кроме того, эти величины позволяют сравнивать свойства генераторов различной мощ-ности.
Определение индуктивного сопротивления Хσа . Для определения Хσа снимают индукционную нагрузочную характеристику генератора, т. е. зависимость его напряжения U от тока возбуждения Iв при неизменных токе нагрузки Ia = Iном , частоте f1 и cos φ = 0 (чисто индуктивная нагрузка). Нагрузочная характеристика 2 (рис. 6.31, а) проходит ниже характеристики холостого хода 1, которую можно рассматривать как частный случай нагрузочной характеристики при Ia = 0. Так как при снятии индукционной нагрузочной характеристики в машине имеется только продольная составляющая МДС Fad реакции якоря, то, как следует из векторной диаграммы (рис. 6.31,б), результирующая МДС F́peз = F́в - F́ad и напряжение машины Ú = É0 - jÍa Xad - jÍa Xσа = E - jÍa Xσа . Точка А кривой 2 соответствует режиму короткого замыкания, т. е. значению U = 0 при Iк = Iном . Треугольник ABC называют реактивным или характеристическим треугольником; его горизонтальный катет СА соответствует току возбуждения Iв.к , компенсирующему размагничивающее действие реакции якоря Fad ном , а вертикальный катет ВС— ЭДС, необходимой для компенсации падения напряжения Ia ном Xσа при номинальном токе якоря. Для любой другой точки нагрузочной характеристики при φ = 90° составляющая тока возбуждения, компенсирующая размагничивающее действие реакции якоря, остается неизменной, так как значение тока якоря постоянно. Неизменным остается и падение напряжения Ia ном Xσа . Следовательно, нагрузочную характеристику можно получить как след вершины А реактивного треугольника при перемещении его так, чтобы вершина В скользила по характеристике холостого хода, а стороны треугольника оставались бы параллельными соответствующим сторонам первоначально построенного треугольника. В этом легко убедиться, рассматривая точку А' и треугольник А'В'С' (рис. 6.31) при номинальном напряжении Uном . В этом режиме ЭДС Е = Uном + Iaном Xσа , т. е. равна ординате точки В'; отрезок А'С' соответствует току Iв.к , компенсирующему размагничивающее действие реакции якоря. Отрезок О'С' = ОСсоответствует составляющей тока возбуждения, необходимой для индуцирования ЭДС Еσа = IaномXσа.
Из рассмотренного выводим следующий способ определения индуктивного сопротивленияХσа. На кривой 2 находят точку А', соответствующую номинальному напряжению Uном , и откладывают влево от этой точки отрезок О'А' = ОА (его определяют по характеристике короткого замыкания на рис. 6.30, а для тока Iк = Iном ). Затем через точку О' проводят прямую, параллельную начальной части характеристики 1, до пересечения с этой характеристикой в точке В'. Опустив из точки В' перпендикуляр на линию О'А', получают отрезок В'С' = Iaном Xσа . Следовательно, Xσа=В'С'/Iaном .
Сопротивление, найденное описанным способом (его называют сопротивлением Потье), несколько превышает действительное сопротивление Xσа, обусловленное потоками рассеяния; обычно ХР≈ (1,05 ÷ 1,3) Xσа. Последнее объясняется тем, что в точках В' (при холостом ходе) и А'(при токе Iaном ) токи возбуждения различны, и, хотя ЭДС и потоки в воздушном зазоре одинаковы, при большем токе возбуждения наблюдается увеличение магнитного сопротивления из-за больших потоков рассеяния обмотки возбуждения, насыщающих полюсы и ярмо индуктора, т. е. реально А'С' > АС.
40. Диаграмма потоков и ЭДС синхронных машин
Как было установлено, в синхронной машине, кроме основного магнитного потока при нагрузке возникают магнитные потоки реакции якоря, которые взаимодействуя, создают результирующий магнитный поток (рис. 15.1).
. (15.1)
Каждый поток создаёт свою эдс, которые от своих потоков отстают на 90°
1. Поток обмотки возбуждения ротора, сцепляясь с обмоткой статора наводит в ней основную эдс генератора .
2. Поток реакции якоря по продольной оси наводит эдс , значение которой пропорционально значению индуктивного сопротивления реакции якоря по продольной оси и
. (15.2)
3. Поток реакции якоря по поперечной оси наводит эдс
. (15.3)
4. Магнитный поток рассеяния обмотки статора наводит в обмотке статора эдс рассеяния , значение которой пропорционально индуктивному сопротивлению рассеяния фазы обмотки статора :
(15.4)
Величина в реальной машине не превышает 5 % от номинального напряжения, поэтому в дальнейшем для упрощения анализа работы синхронного генератора будем ею пренебрегать.
5. Ток в обмотке статора создает активное падение напряжения на сопротивлении фазы обмотки статора
. (15.5)
Геометрическая сумма эдс по пунктам 1,2,3,5 дает напряжение на выходе синхронного генератора с явновыраженными полюсами
, (15.6)
что нашло отражение на рис. 15.2, а. Через падение напряжений напряженияе на выходе этого генератора
. (15.7)
Векторная диаграмма, соответствующая (15.7), приведена на рис. 15.2, б. Нагрузка на генератор активно-индуктивная.
Рис. 15.2. Векторные диаграммы синхронного генератора
при работе на активно-индуктивной нагрузке, выраженные через:
а – векторы эдс; б – векторы падений напряжений
Выражения (15.6) и (15.7) представляют собой уравнения напряжений явнополюсного синхронного генератора.
15.2. Векторные диаграммы, уравнения эдс и напряжений синхронного генератора с неявновыраженными полюсами ротора
В неявнополюсных синхронных генераторах магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям одинаковые, ; падения напряжения также равны , а суммы падений напряжений
(15.8)
Пренебрегая эдс от потоков рассеяния, уравнение напряжений для неявнополюсного генератора будет иметь вид
, (15.9)
. (15.10)
Выражению (15.10) соответствуют векторные диаграммы напряжений, приведенные на рис. 15.3, для синхронного генератора с неявновыраженными полюсами.
Рис. 15.3. Векторные диаграммы напряжений неявнополюсного
генератора: а – активно-индуктивная нагрузка; б – емкостная нагрузка
Из приведенного выше материала следует, что чем меньше воздушный зазор, тем больше индуктивное сопротивление, тем больше влияние реакции якоря.
Увеличение воздушного зазора уменьшает влияние реакции якоря, но приводит к увеличению объема обмотки возбуждения, увеличению габаритов и удорожанию машины. Заниженный зазор приводит к тому же к снижению устойчивости и значительному влиянию нагрузки на характеристики машины.
41. Работа синхронного генератора при нагрузке. Уравнения и векторные диаграммы.
Явнополюсная машина. Уравнение напряжения синхронного явнополюсного генератора имеет вид:
где - ЭДС рассеяния фазы обмотки якоря; - индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки якоря.
Используя векторную диаграмму ЭДС (рис.3.11) построим векторную диаграмму напряжения генератора при активно-индуктивной нагрузке, просуммировав с вектором векторы падений напряжения на активном (-) и индуктивном (-) сопротивлениях фазы обмотки якоря (рис.3.12). Угол между и называется углом нагрузки. В генераторном режиме работы опережает , и угол имеет всегда положительное значение, машина отдает активную мощность в сеть.
Проведя преобразования, получим и :
,
где - продольное и поперечное синхронные индуктивные сопротивления фазы обмотки якоря.
|
Рис.3.12 Рис. 3.13. |
Неявнополюсная машина. Вследствие равномерности воздушного зазора , , поэтому нет необходимости раскладывать ток якоря на составляющие и . Уравнение напряжения неявнополюсного генератора имеет следующий вид:
Построение векторной диаграммы неявнополюсного генератора осуществляют следующим образом. С вектором просуммируем векторы падений напряжения на синхронном индуктивном сопротивлении - и активном сопротивлении (-) фазы обмотки якоря (рис.3.13).
42. Рабочие характеристики синхронного генератора при автономной работе.
Рабочие свойства синхронного генератора оценивают его характеристиками, важнейшими из которых являются: характеристики холостого хода, трехфазного короткого замыкания, внешние, регулировочные, индукционная нагрузочная.
1. Характеристика холостого хода
при I=0,
Рабочая точка A на характеристике холостого хода (рис.3.14) располагается на участке перегиба характеристики. Характеристика (1) совпадает с ненасыщенным участком характеристики холостого хода и соответствует ненасыщенному состоянию магнитной цепи машины.
|
Рис.3.14 |
Под коэффициентом насыщения магнитной цепи понимают отношение суммарной МДС (отрезок ВА) к МДС воздушного зазора (отрезок BC). Для синхронных машин общего назначения
Выбор рабочей точки в области насыщения приводит к резкому увеличению тока возбуждения. Обмотка возбуждения становится громоздкой. Выбор рабочей точки на линейной части приводит к недоиспользованию магнитных материалов машины, увеличивает их расход.
2. Характеристика трехфазного короткого замыкания
при
Если пренебречь активным сопротивлением обмотки якоря (), то уравнение напряжения в режиме короткого замыкания имеет вид
|
Рис.3.15 |
где .
Вследствие малости величины падения напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния фазы обмотки якоря следует, что ЭДС от результирующего магнитного потока индуктируется магнитным потоком такой малой величины, что магнитная цепь не насыщена и характеристика имеет линейный характер (рис.3.15).
3. Внешние характеристики
при
Они показывают, как изменяется напряжение генератора U при изменении тока нагрузки I.
|
Рис. 3.17 |
Вид внешних характеристик при разных характерах нагрузки (рис.3.17) объясняется различным действием реакции якоря. При отстающем токе (1) существует продольная размагничивающая реакция якоря. При активной нагрузке (2) также имеется продольная размагничивающая реакция якоря. В этом случае угол , но и его малая величина вызывает слабое размагничивающее действие. При опережающем токе (3) существует продольная намагничивающая реакция якоря.
- изменение напряжения на клеммах обмотки якоря генератора от величины нагрузки. При (инд.)
4. Регулировочные характеристики
при , ,
|
Рис. 3.18 |
Они показывают, как нужно регулировать ток возбуждения синхронного генератора, чтобы при изменении нагрузки его напряжение оставалось неизмененным. Вид характеристик зависит от характера действия реакции якоря (рис.3.18).
5. Индукционная нагрузочная характеристика
при , ,
|
Рис. 3.19 |
Она показывает, как изменяется напряжение генератора U с изменением тока возбуждения при условии постоянства тока нагрузки I и (рис.3.19).
Индукционная нагрузочная характеристика используется для определения размагничивающего действия реакции якоря.
43. Характеристика Х.Х. и К.З. синхронного генератора.
1. Характеристика холостого хода
при I=0,
Рабочая точка A на характеристике холостого хода (рис.3.14) располагается на участке перегиба характеристики. Характеристика (1) совпадает с ненасыщенным участком характеристики холостого хода и соответствует ненасыщенному состоянию магнитной цепи машины.
|
Рис.3.14 |
Под коэффициентом насыщения магнитной цепи понимают отношение суммарной МДС (отрезок ВА) к МДС воздушного зазора (отрезок BC). Для синхронных машин общего назначения
Выбор рабочей точки в области насыщения приводит к резкому увеличению тока возбуждения. Обмотка возбуждения становится громоздкой. Выбор рабочей точки на линейной части приводит к недоиспользованию магнитных материалов машины, увеличивает их расход.
2. Характеристика трехфазного короткого замыкания
при
Если пренебречь активным сопротивлением обмотки якоря (), то уравнение напряжения в режиме короткого замыкания имеет вид
|
Рис.3.15 |
где .
Вследствие малости величины падения напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния фазы обмотки якоря следует, что ЭДС от результирующего магнитного потока индуктируется магнитным потоком такой малой величины, что магнитная цепь не насыщена и характеристика имеет линейный характер (рис.3.15).
44. Отношение короткого замыкания синхронного генератора.
|
Рис. 3.16 |
Отношением короткого замыкания ОКЗ называется отношение установившегося тока трехфазного короткого замыкания при токе возбуждения , который при холостом ходе создает E=Uн, к номинальному току якоря Iн (рис.3.16)
.
Величина ОКЗ у явнополюсных генераторов составляет , у неявнополюсных - , и определяет предельное значение нагрузки, которую способен нести генератор при установившемся режиме работы.
45. Внешняя характеристика синхронного генератора.
при
Она показывает, как изменяется напряжение генератора U при изменении тока нагрузки I.
|
Рис. 3.17 |
Вид внешней характеристики при разных характерах нагрузки (рис.3.17) объясняется различным действием реакции якоря. При отстающем токе (1) существует продольная размагничивающая реакция якоря. При активной нагрузке (2) также имеется продольная размагничивающая реакция якоря. В этом случае угол , но и его малая величина вызывает слабое размагничивающее действие. При опережающем токе (3) существует продольная намагничивающая реакция якоря.
- изменение напряжения на клеммах обмотки якоря генератора от величины нагрузки. При (инд.)
46. Регулировочная характеристика синхронного генератора.
при , ,
Они показывают, как нужно регулировать ток возбуждения синхронного генератора, чтобы при изменении нагрузки его напряжение оставалось неизмененным. Вид характеристик зависит от характера действия реакции якоря (рис.3.18)
47. Диаграмма Потье (диаграмма с учетом насыщений).
Этой диаграммой пользуются у неявнополюсных синхронных машин при определении тока возбуждения, необходимого для обеспечения заданного режима работы (), с учетом насыщения магнитной цепи.
Диаграмма Потье представляет собой совмещение характеристики холостого хода и векторной диаграммы напряжения синхронного генератора (рис.3.20).
Рис. 3.20
Порядок построения диаграммы Потье
1.Строится характеристика холостого хода (1);
2.По оси ординат откладывают вектор номинального напряжения , а под углом к нему - вектор тока якоря ;
3.Суммируются векторы и падения напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния фазы обмотки якоря , получая ЭДС обмотки якоря от результирующего магнитного потока ;
4. По характеристике холостого хода и определяют ток возбуждения .
5. Суммируются векторы тока возбуждения и тока нагрузки , приведенного к обмотке возбуждения и направленного к вертикали под углом . В результате получим ток возбуждения , необходимый для обеспечения заданного режима работы.
48. Параллельная работа синхронных машин. Условия включения на параллельную работу.
На каждой электрической станции обычно установлено несколько генераторов, которые включаются на параллельную работу. В современных энергосистемах на параллельную работу включены целый ряд электростанций, чем достигается высокая надежность энергоснабжения потребителей, возможность маневрирования энергоресурсами.
Условия включения генератора на параллельную работу
Необходимо выполнить следующие требования:
1.ЭДС включаемого генератора EГ должна быть равна напряжению сети Uc;
2.Частота генератора fГ должна быть равной частоте сети fc;
3.EГ и Uc должны быть в фазе;
4.Чередования фаз генератора и сети должны быть одинаковыми.
При указанных условиях векторы генератора и сети совпадают и вращаются с одинаковой частотой (рис.3.21), разности ЭДС и напряжений между одноименными контактами выключателя при включении генератора (рис.3.22) равны нулю
.
|
Рис. 3.21 |
Равенство ЭДС и напряжений достигается путем регулирования тока возбуждения генератора, а контролируется с помощью вольтметра (на рисунке отсутствует). Изменение частоты и фазы ЭДС генератора достигается изменением частоты вращения ротора генератора. Правильность чередования фаз проверяется только при первом включении генератора. Совпадение ЭДС и напряжений по фазе контролируется с помощью ламп, нулевых вольтметров или специальных синхроноскопов.
Неправильная синхронизация может вызвать серьезную аварию. Если, например, напряжения и будут в момент включения сдвинуты по фазе на , то это эквивалентно короткому замыканию при удвоенном напряжении ().
49. Метод точной синхронизации.
Метод точной синхронизации осуществляется с помощью синхроноскопа.
Синхронизация с помощью лампового синхроскопа может осуществляться по схеме на погасание (рис.3.22,а) или вращение света (рис.3.22,б). Схема синхронизации на погасание света предполагает включение ламп 1, 2, 3, между одноименными клеммами генератора и сети. Момент синхронизации соответствует одновременному погасанию всех ламп. Схема синхронизации на вращение света предполагает включение ламп 1 и 2 между разноименными клеммами генератора и сети. Момент синхронизации соответствует свечению этих двух ламп с максимальной яркостью и погасанию лампы 3, подключенной к одноименным клеммам генератора и сети.
Рис. 3.22
Метод точной синхронизации предполагает наличие автоматических синхронизаторов, которые осуществляют автоматическое регулирование EГ и fГ синхронизируемого генератора и при достижении необходимых
условий автоматически включают генераторы на параллельную работу. Однако автоматические синхронизаторы сложны и требуют непрерывного и квалифицированного обслуживания. Кроме того, в случае аварий процесс синхронизации с помощью автоматических синхронизаторов затягивается (до мин.), что с точки зрения оперативности ликвидации аварий крайне нежелательно.
50. Метод грубой синхронизации (самосинхронизации).
Сущность метода грубой синхронизации (самосинхронизации) заключается в том, что генератор включается в сеть в невозбужденном состоянии (EГ=0) при частоте вращения близкой к синхронной, затем включается ток возбуждения и генератор втягивается в синхронизм. При самосинхронизации неизбежно возникает значительный бросок тока якоря (до 3,5 IH). Однако этот ток все же меньше чем при внезапном коротком замыкании генератора на холостом ходу при , так как кроме сопротивления обмотки якоря генератора в цепи будут действовать и сопротивления элементов сети. Кроме того, величину броска тока снижает включение в цепь обмотки возбуждения сопротивления гашения поля.
51. Особенности параллельной работы синхронной машины. Изменение реактивной нагрузки.
На каждой электрической станции обычно бывает установлено несколько генераторов, которые включаются на параллельную работу в общую сеть. В современных энергосистемах на общую сеть, кроме того, работает целый ряд электростанций, и поэтому параллельно на общую сеть работает большое число синхронных генераторов. Благодаря этому достигается большая надежность энергоснабжения потребителей, снижение мощности аварийного и ремонтного резерва, возможность маневрирования энергоресурсами сезонного характера и другие выгоды.
Изменение тока возбуждения не вызывает появления активной нагрузки или ее изменения. Чтобы включенная на параллельную работу машина приняла на себя активную нагрузку и работала в режиме генератора, необходимо увеличить движущий механический вращающий момент на ее валу, увеличив, например, поступление воды или пара в турбину.
Тогда равенство моментов на валу нарушится, ротор генератора, а следовательно, и вектор э. д. с. генератора забегут вперед на некоторый угол. При этом возникнет ток I, отстающий, как и ранее, от напряжения на 90 градусов.Т. е. машина отдает в сеть активную мощность.
Если, наоборот, притормозить ротор машины, создав на его валу механическую нагрузку, то э.д.с. отстанет от напряжения на некоторый угол , ток будет отставать от напряжения на угол 90-270 градусов.
т.е. машина будет работать в режиме двигателя.
52. Особенности параллельной работы синхронной машины. Изменение активной нагрузки.
После включения генератора в сеть его напряжение U становится равным напряжению сети Uc . Относительно внешней нагрузки напряжения U и Uc совпадают по фазе, а по контуру «генератор — сеть» находятся в противофазе, т. е. Ú = - Úc (рис. 6.33, а). При точном выполнении указанных трех условий, необходимых для синхронизации генератора, его ток Ia после подключения машины к сети равняется нулю. Рассмотрим, какими способами можно регулировать ток Ia при работе генератора параллельно с сетью на примере неявнополюсного генератора.
Ток, проходящий по обмотке якоря неявнополюсного генератора, можно определить из уравнения (6.23)
Так как U = Uc = const, то силу тока Iа можно изменять только двумя способами — изменяя ЭДС Е0 по величине или по фазе. Если к валу генератора приложить внешний момент, больший момента, необходимого для компенсации магнитных потерь мощности в стали и механических потерь, то ротор приобретает ускорение, вследствие чего вектор É0 смещается относительно вектора Ú на некоторый угол θ в направлении вращения векторов (рис. 6.33,б). При этом возникает некоторая небалансная ЭДС ΔЕ, приводящая согласно (6.28) к появлению тока Iа . Возникающую небалансную ЭДС ΔÉ = É0 - Ú = É0 + Úc = jÍa Xсн можно показать на векторной диаграмме (рис. 6.33, б). Вектор тока Iа отстает от вектора ΔЕ на 90°, поскольку его величина и направление определяются индуктивным сопротивлением Xсн .
При работе в рассматриваемом режиме генератор отдает в сеть активную мощность
Р = mUIa cos φ и на вал его действует электромагнитный тормозной момент, который уравновешивает вращающий момент первичного двигателя, вследствие чего частота вращения ротора остается неизменной. Чем больше внешний момент, приложенный к валу генератора, тем больше угол θ, а следовательно, ток и мощность, отдаваемые генератором в сеть.
Если к валу ротора приложить внешний тормозной момент, то вектор É0 будет отставать от вектора напряжения Ú на угол θ (рис. 6.33, в). При этом возникают небалансная ЭДС ΔÉ и ток Ía , вектор которого отстает от вектора ΔÉ на 90°. Так как угол φ > 90°, активная составляющая тока находится в противофазе с напряжением генератора. Следовательно, в рассматриваемом режиме активная мощность Р = mUIa cos φ забирается из сети, и машина работает двигателем, создавая электромагнитный вращающий момент, который уравновешивает внешний тормозной момент; частота вращения ротора при этом снова остается неизменной.
Таким образом, для увеличения нагрузки генератора необходимо увеличивать приложенный к его валу внешний момент (т. е. вращающий момент первичного двигателя), а для уменьшения нагрузки — уменьшать этот момент. При изменении направления внешнего момента (если вал ротора не вращать, а тормозить) машина автоматически переходит из генераторного в двигательный режим.
53. Угловые характеристики синхронной машины.
Угловой характеристикой синхронной машины называют зависимость P1=f(θ) при постоянных токе возбуждения, напряжении и частоте сети. Знание этой характеристики позволяет установить ряд важных свойств синхронной машины, определяющих устойчивость ее работы параллельно с сетью.
Выражение для угловой характеристики P1=f(θ) явнополюсной синхронной машины содержит составляющую, зависящую от sin2θ. Эта составляющая обусловлена магнитной несимметрией ротора и появлением в связи с этим в явнополюсной машине чисто магнитного вращающего момента из-за стремления ротора ориентироваться по оси магнитного поля (подобно магнитной стрелке компаса). Этот эффект существует даже при отсутствии возбуждения.
54. Невозбужденная явнополюсная машина.
Невозбужденной называется машина, у которой E0=0. Если if = 0, то и Еf = 0. в этом случае
.
Зависимость M = f(θ), согласно равенству (17.13) представляет собой синусоиду с удвоенной частотой (рис. 17.4).
Из равенства (17.13) и рис. 17.4 следует, что явнополюсная машина в состоянии развивать момент при синхронном режиме работы без возбуждения.
Рис. 17.4. Угловая характеристика момента с удвоенной частотой
В этом случае устойчивая работа в режиме генератора происходит при 0° < θ < 45°, а в режиме двигателя – при –45°< θ < 0°. Пределу устойчивой работы соответствует θкр = ±45°. В рассматриваемом случае в машине существует только поток реакции якоря. В явнополюсной машине ротор стремится занять по отношению к вращающемуся полю положение, при котором сопротивление магнитному потоку и энергия магнитного поля минимальны.
Если вал нагружен внешним моментом, то положение ротора относительно поля статора смещается, θ ≠ 0 и в машине развиваются электромагнитный момент и активная мощность.
У невозбужденной явнополюсной машины электромагнитный момент развивается вследствие действия поля реакции якоря при наличии неравномерности воздушного зазора (Xd ≠ Xq) и поэтому называются реактивным.
В электропромышленности выпускается синхронные двигатели малой мощности без обмотки возбуждения и называется реактивными.
55. Статическая устойчивость машины.
Статическая устойчивость синхронных машин характеризует поведение машин при сколь угодно малых изменениях режима.
Угловая характеристика синхронной машины имеет важное значение для оценки статической устойчивости и степени перегружаемости. Под статической устойчивостью синхронной машины, работающей параллельно с сетью, понимают ее способность сохранять синхронное вращение (т. е. условие п2 = п1 ) при изменении внешнего вращающего или тормозного момента Мвн , приложенного к ее валу. Статическая устойчивость обеспечивается только при углах θ, соответствующих М < Мmах .
Допустим, что синхронный генератор работает при некотором внешнем моменте Мвн , передаваемом его ротору от первичного двигателя. При этом ось полюсов ротора сдвинута на некоторый угол в относительно оси суммарного потока ΣФ и машина развивает электромагнитный момент М, который можно считать равным Мвн (точки А и С на рис. 6.40, а).Если момент Мвн возрастает, то ротор генератора ускоряется, что приводит к увеличению угла θ до значения θ + Δθ. При работе машины в точке А возрастание угла в вызывает увеличение электромагнитного момента до значения М + ΔM (точка В); в результате равновесие моментов, действующих на вал ротора, восстанавливается и машина после некоторого колебательного процесса продолжает работать с синхронной частотой вращения.
Аналогичный процесс происходит и при уменьшении Мвн ; при этом соответственно уменьшаются угол θ и момент М, а следовательно, равновесие моментов также восстанавливается. Однако если машина работает при π/2 < θ < π (точка С), то увеличение угла θ вызывает уменьшение электромагнитного момента до значения М - ΔМ (точка D). В результате равновесие моментов, действующих на вал ротора, нарушается, ротор продолжает ускоряться, а угол в возрастать. Возрастание угла θ может привести к двум результатам: 1) машина переходит в точку устойчивой работы (аналогичную точке А) на последующих положительных полуволнах; 2) ротор по инерции проскакивает устойчивые положения, при этом происходит выпадение из синхронизма, т. е. ротор начинает вращаться с частотой, отличающейся от частоты вращения магнитного поля статора.
56. Статическая перегружаемость.
Это отношение максимальной мощности синхронной машины, развиваемой при плавном изменении нагрузки, неизменных возбуждений и напряжений на выводах обмотки якоря и синхронной частоты вращения, к ее номинальной мощности.
S=Pmax/Pном. Значение статической перегружаемости должно быть не менее 1,6-1,7.
Pmax - наибольшая активная мощность, которую генератор может отдавать в сеть, не выпадая из синхронизма, определяется по угловой характеристике.
57. u-образные характеристики синхронного генератора.
U-образная характеристика. Это зависимость тока статора от тока возбуждения ротора I=ƒ(Iв), когда момент на валу двигателя М= const.
Допустим, что двигатель работает при напряжении статора Uc = const и угловой скорости ω = const. Тогда при постоянстве момента:
Полученное соотношение показывает, что при любом токе возбуждения ротора Iв (любой ЭДС Е0) все проекции вектора E0 на линию, перпендикулярную вектору Uс, одинаковы. Следовательно, годографом вектора E0 является прямая а-b, параллельная вектору Uc и отстоящая от него на расстоянии E0sinΘ. На рис. 2.150 построены векторные диаграммы двигателя при трех различных токах возбуждения. При большей ЭДС E03 (перевозбуждение машины и наименьший угол Θ3) ток статора I3 опережает напряжение Uc на угол φ3 т е. двигатель ведет себя как реактивный емкостной элемент. Поэтому двигатель потребляет из сети (вернее отдает) емкостную реактивную отрицательную мощность
Этот режим работы двигателя весьма ценен, так как его емкостной ток статора компенсирует индуктивные токи в сети от большинства других потребителей и тем самым улучшает cosφ всей сети.
При меньшей ЭДС E02 ток статора I2 совпадает по фазе с напряжением Uc (в этом случае угол Θ2 > Θ3) и двигатель работает как активный элемент, потребляя из сети только активную электрическую мощность. Ток возбуждения, при котором cosφ = 1 обычно считается номинальным Iвн. И, наконец, при самой маленькой ЭДС E01 < Uc (недовозбуждение машины и самый большой угол Θ1) двигатель работает с отстающим током статора I1, который имеет индуктивную составляющую. Поэтому потребляемая двигателем из сети реактивная мощность положительна
Таким образом, как при уменьшении, так и при увеличении тока возбуждения Iв по сравнению с номинальным изменяется величина ЭДС E0, а значения тока статора I и фазового угла φ увеличиваются. При этом также меняется характер потребляемой двигателем электрической мощности из сети. Поэтому зависимости I = ƒ(Iв) имеют вид буквы U и называются U-образными. Их строят при условии Uc=const, M=const (P=const). Каждый двигатель имеет семейство U-образных характеристик для различных значений момента М и мощности P.
58. Синхронные двигатели. Преимущества и недостатки. Принцип действия.
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.
59. Способы пуска синхронных двигателей.
Одним из главных недостатков синхронных двигателей является сложность их пуска в ход. Пуск синхронных двигателей может быть осуществлен при помощи вспомогательного пускового двигателя или путем асинхронного пуска.
Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя. Если ротор синхронного двигателя с возбужденными полюсами развернуть другим, вспомогательным двигателем до скорости вращения поля статора, то магнитные полюсы статора, взаимодействуя с полюсами ротора, заставят ротор вращаться далее самостоятельно без посторонней помощи, в такт с полем статора, т. е. синхронно (откуда эти двигатели и получили свое название).
Для осуществления пуска необходимо, чтобы число пар полюсов асинхронного двигателя было меньше числа пар полюсов синхронного двигателя, ибо при этих условиях вспомогательный асинхронный двигатель может развернуть ротор синхронного двигателя до синхронной скорости.
Порядок пуска синхронного двигателя следующий. Включая рубильник 3, пускают вспомогательный асинхронный двигатель 2, который разворачивает ротор синхронного двигателя 1 до скорости, соответствующей скорости поля статора. Скорость вращения вспомогательного двигателя определяется по тахометру1. Затем, включая рубильник 4 постоянного тока, возбуждают полюсы ротора. Чтобы включить синхронный двигатель в сеть трехфазного тока, его нужно синхронизировать так же, как и при включении синхронного генератора на параллельную работу. Для этого реостатом 5 устанавливают такое возбуждение, чтобы напряжение обмотки статора по вольтметру V было равно напряжению сети, указываемому вольтметром V1.
Электролампы 6, включенные параллельно ножам рубильника 7 трех-фазной сети, при разомкнутом рубильнике будут мигать. Сначала мигание будет частым, но если изменять скорость вращения вспомогательного асинхронного двигателя, то лампы будут мигать . все реже и реже. Синхронный двигатель можно включить в сеть трехфазного тока рубильником 7 тогда, когда все три лампы одновременно погаснут. Ротор двигателя при этом входит в синхронизм и может далее вращаться самостоятельно. Теперь вспомогательный двигатель 2 рубильником 3 можно отключить от сети.
Сложность пуска и необходимость вспомогательного двигателя являются существенными недостатками этого способа пуска синхронных двигателей. Поэтому в настоящее время он применяется редко.
Асинхронный пуск синхронного двигателя. Для осуществления этого способа пуска в полюсных наконечниках полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкнутая обмотка. Так как во время пуска в обмотке возбуждения 1 двигателя наводится большая э. д. с, то по соображениям безопасности она замыкается рубильником 2 на сопротивление 3 (фиг. 406).
При включении напряжения трехфазной сети в обмотку статора 4 синхронного двигателя возникает вращающееся магнитное поле, которое, пересекая короткозамкнутую (пусковую) обмотку, заложенную в полюсных наконечниках ротора, индуктирует в ней токи.
Эти токи, взаимодействуя с вращающимся полем статора, приведут ротор во вращение. При достижении ротором наибольшего числа оборотов (95—97% синхронной скорости) рубильник 2 переключают так, чтобы обмотку ротора включить в сеть постоянного напряжения.
Недостатком асинхронного пуска является большой пусковой ток (в 5—7 раз больший рабочего тока). Пусковой ток вызывает падение напряжения в сети, а это отражается на работе других потребителей. Для уменьшения пускового тока применяют пуск при пониженном напряжении с помощью реактора 2 или автотрансформатора.
В настоящее время применяют почти исключительно асинхронный пуск синхронных двигателей ввиду его простоты и надежности. Существуют также схемы автоматического асинхронного пуска синхронных двигателей.
60. Синхронные компенсаторы.
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.
Существуют компенсаторы с воздушным и водородным охлаждением.
61. Машины постоянного тока. Способы возбуждения.
Машина постоянного тока — электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую постоянного тока (генератор) или для обратного преобразования (двигатель). Машина постоянного тока обратима.
Машина постоянного тока образуется из синхронной обращённой конструкции, если её якорь снабдить коллектором, который в генераторном режиме играет роль выпрямителя, а вдвигательном — преобразователя частоты. Благодаря наличию коллектора по обмотке якоря проходит переменный ток, а во внешней цепи, связанной с якорем, — постоянный.
Машина постоянного тока может работать в двух режимах: двигательном и генераторном, в зависимости от того, какую энергию к ней подвести — если электрическую, то электрическая машина будет работать в режиме электродвигателя, а если механическую — то будет работать в режиме генератора. Однако электрические машины, как правило, предназначены заводом изготовителем для одного определенного режима работы — или в режиме генератора, или электродвигателя.
Ток, протекающий в обмотке возбуждения основных полюсов, создает магнитный поток. Электрические машины постоянного тока следует различать по способу возбуждения и схеме включения обмотки возбуждения.
Генераторы постоянного тока могут выполняться с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. Следует заметить, что теперь применение в качестве источников энергии генераторов постоянного тока очень ограничено.
Обмотка возбуждения генератора постоянного тока с независимым возбуждением получает питание от независимого источника — сети постоянного тока, специального возбудителя, преобразователя и др. (рис. 1, а). Эти генераторы применяются в мощных системах, когда напряжение возбуждения должно быть выбрано отличным от напряжения генератора, в системах регулирования скорости вращения двигателей, которые питаются от генераторов и других источников.
Значение тока возбуждения мощных генераторов составляет 1,0—1,5% от тока генераторов и до десятков процентов для машин мощностью порядка десятков ватт.
Рис. 1. Схемы генераторов постоянного тока: а — с независимым возбуждением; б — с параллельным возбуждением; в — с последовательным возбуждением; г — со смешанным возбуждением П — потребители
У генератора с параллельным возбуждением обмотка возбуждения включается на напряжение самого генератора (смотрите рис. 1,б). Ток якоря Iя равен сумме токов нагрузки Iп и тока возбуждения Iв: Iя = Iп + Iв
Генераторы выполняются обычно для средних мощностей.
Обмотка возбуждения генератора с последовательным возбуждением включена последовательно в цепь якоря и обтекается током якоря (рис. 1, в). Процесс самовозбуждения генератора протекает очень бурно. Такие генераторы практически не используются. В самом начале развития энергетики применялась система передачи энергии с последовательно включенными генераторами и двигателями последовательного возбуждения.
Генератор со смешанным возбуждением имеет две обмотки возбуждения — параллельную ОВП и последовательную ОВС обычно с согласным включением (рис. 1, г). Параллельная обмотка может быть включена до последовательной («короткий шунт») или после нее («длинный шунт»). МДС последовательной обмотки обычно невелика и рассчитана только на компенсацию падения напряжения в якоре при нагрузке. Такие генераторы теперь также практически не применяются.
Схемы возбуждения двигателей постоянного тока подобны схемам для генераторов. Двигатели постоянного тока большой мощности выполняются обычно с независимым возбуждением. У двигателей параллельного возбуждения обмотка возбуждения получает питание от того же источника энергии, что и двигатель. Обмотка возбуждения включается непосредственно на напряжение источника энергии, чтобы не сказывалось влияние падения напряжения в пусковом сопротивлении (рис. 2).
Рис. 2. Схема двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением
Ток сети Ic составляется из тока якоря Iя и тока возбуждения Iв.
Схема двигателя последовательного возбуждения подобна схеме на рис. 1, в. Благодаря последовательной обмотке вращающий момент при нагрузке возрастает больше, чем у двигателей параллельного возбуждения, при этом скорость вращения уменьшается. Это свойство двигателей определяет их широкое применение в приводах электровозной тяги: в магистральных электровозах, городском транспорте и др. Падение напряжения в обмотке возбуждения при номинальном токе составляет единицы процентов от номинального напряжения.
Двигатели смешанного возбуждения из-за наличия последовательной обмотки в некоторой мере имеют свойства двигателей последовательного возбуждения. В настоящее время они практически не применяются. Двигатели параллельного возбуждения иногда выполняются со стабилизирующей (последовательной) обмоткой, включаемой согласно с параллельной обмоткой возбуждения, для обеспечения более спокойной работы при пиках нагрузки. МДС такой стабилизирующей обмотки невелика — единицы процентов от основной МДС.
Смещение магнитного поля генератора. Под реакцией якоря понимают явление воздействия магнитного поля, создаваемого током якоря, на магнитное поле главных полюсов.
При холостом ходе генератора магнитное поле машины образовано только главными полюсами. Оно симметрично относительно оси полюсов и его ось совпадает с осью полюсов. Когда генератор работает с нагрузкой, по обмотке якоря протекает ток, который создает свое магнитное поле называемое полем якоря. Ось магнитного поля якоря совпадает с линией, соединяющей щетки, т.е. с геометрической нейтралью, и перпендикулярна оси главных полюсов. При вращении якоря распределение тока в проводниках якоря остается неизменным и поле якоря — неподвижным в пространстве. Индукция этого поля пропорциональна току в якоре.
При работе генератора с нагрузкой поле якоря накладывается на поле полюсов. В генераторе создаётся результирующее поле, повернутое по направлению вращения якоря на некоторый угол у относительно поля главных полюсов. Физическая нейтральная линия оказывается повернутой на тот же угол γ относительно геометрической нейтральной линии. При изменении нагрузки индукция поля якоря изменяется, изменяется и угол γ.
Результаты смещения магнитного поля. Смещение физической нейтральной линии вызывает нежелательные последствия, приводящие к ухудшению работы генератора: Ø уменьшается ЭДС, так как щетки оказываются установленными в точках, между которыми разность потенциалов не максимальная;
Ø переключение проводников обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую происходит не на физической нейтрали, а на геометрической, где расположены щетки и где результирующее поле В′ ≠ 0, что, как будет показано в следующем параграфе, приводит к искрению щеток и обгоранию коллекторных пластин;
Ø индукция магнитного поля под полюсами распределяется неравномерно; под краем полюса, на который якорь набегает, она уменьшается, а под краем полюса, с которого сбегает, – увеличивается настолько, что может создаться насыщение сбегающего края полюса и зубцов якоря. В результате появится продольная размагничивающая составляющая поля якоря, направленная против поля главных полюсов, что также приведет к уменьшению ЭДС якоря. Кроме того, в части проводников, находящихся в зоне магнитного насыщения, наводится значительная ЭДС, которая может вызвать пробой изоляции между соседними коллекторными пластинами и повышенное искрение на коллекторе.
Смещение магнитного поля двигателя. У двигателя постоянного тока при том же направлении тока в якоре направление вращения якоря по сравнению с генератором противоположное , а картина распределения полей одинаковая. Результирующее поле и физическая нейтральная линия оказываются повернутыми на угол γ против направления вращения якоря.
Это приводит к нежелательным последствиям: уменьшается вращающий момент двигателя, так как часть проводников параллельной ветви, расположенных между щеткой и физической нейтралью, будет находиться в зоне полюса противоположной полярности – эта часть проводников будет создавать тормозной момент.
Как и у генератора, возможно искрение щеток и обгорание коллектора, а также появление продольного размагничивающего поля.
Способы уменьшения влияния реакции якоря. Наиболее действенным и распространенным средством уменьшения влияния реакции якоря на работу машины является применение дополнительных полюсов. Дополнительные полюсы устанавливаются на геометрической нейтральной линии между главными полюсами .
Их обмотка включается последовательно с обмоткой якоря и намотана так, что ее магнитное поле направлено против магнитного поля якоря. В зоне геометрической нейтральной линии создаются условия, благоприятные для безыскровой работы щеток (более подробно этот вопрос рассмотрен в следующем параграфе). Дополнительные полюсы выполняют свои функции во всех режимах работы машины: при изменении нагрузки одновременно изменяются ток и поле якоря, ток и поле дополнительных, полюсов; при переходе машины в режим двигателя одновременно изменяется направление токаи поля якоря и направление тока и поля дополнительных полюсов.
Для выравнивания индукции под полюсами в быстроходных машинах большой мощности (свыше 80 кВт на один полюс) применяют компенсационную обмотку, которую закладывают в специальные пазы в полюсных наконечниках .
Компенсационная обмотка включается последовательно с обмоткой якоря и обмоткой дополнительных полюсов. Магнитное поле компенсационной обмотки всегда направлено навстречу магнитному полю якоря и таким образом оно компенсирует поле якоря в зоне главных полюсов.
В машинах малой мощности (до нескольких сотен ватт) вместо дополнительных полюсов применяют сдвиг щеток с геометрической нейтральной линии. При этом, как будет показано в § 1.7, создаются условия, уменьшающие искрение щеток из-за влияния реакции якоря.
63. Генератор постоянного тока независимого возбуждения. Характерисики.
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.
64. Генератор постоянного тока параллельного возбуждения. Характерисики.
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%.
65. Генератор постоянного тока последовательного возбуждения. Характерисики.
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.
66. Генератор постоянного тока смешенного возбуждения. Характерисики.
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.
67. Двигатели постоянного тока параллельного возбуждения. Характеристики.
Электродвигателем параллельного возбуждения называется двигатель постоянного сока, обмотка возбуждения которого включена параллельно обмотке якоря (рис. 1). При снятии характеристик к цепи якоря подводится номинальное напряжение Uн=const.
Рис. 1 — Схема двигателя параллельного возбуждения
Ток, потребляемый двигателем из сети, определяется суммой I=Ia+Iв, ток возбуждения обычно равен Iв=(0,03...0,04) Iн. Все характеристики двигателя снимаются при постоянных сопротивлениях в цепях возбуждения rв=const и якоря
Σr = const.
Скоростная характеристика.
Зависимость n=f (Ia) при Uн=const и Iв=const
Из уравнения ЭДС для электродвигателя
Имеем
Как видно из выражения,частота вращения двигателя зависит от двух факторов — изменения тока нагрузки и потока. При увеличении тока нагрузки падение напряжения в сопротивлении цепи якоря увеличивается, а частота вращения двигателя уменьшается.
Поперечная реакция якоря размагничивает двигатель, т.е. с ростом тока Ia уменьшается поток и, следовательно, увеличиваются обороты двигателя. Таким образом, оба фактора действуют в отношении оборотов машины встречно и вид скоростной характеристики будет определяется их результирующим действием.
На рис. 2 показаны три разные скоростные характеристики двигателя (кривые 1,2,3). Кривая 1 — скоростная характеристика при преобладании влияния Ia∑r,кривая 2 — оба фактора приблизительно уравновешиваются, кривая 3 — преобладает фактор размагничивающего действия реакции якоря.
Рис. 2 — Характеристики двигателя параллельного возбуждения
Ввиду того, что в реальных двигателях изменение потока Ф незначительно, скоростная характеристика является практически прямой линией. На ряде современных машин параллельного возбуждения для компенсации влияния поперечной реакции якоря устанавливается дополнительная стабилизирующая обмотка возбуждения, которая полностью или частично компенсирует влияние реакции якоря.
Нормальной формой скоростной характеристики, при которой обеспечивается устойчивая работа двигателя, является характеристика вида кривой 1.
Наклон характеристики определяется величиной сопротивления цепи якоря Σr без учета реакции якоря. Когда добавочных сопротивлений в цепь якоря не включено, характеристика называется естественной. Естественная характеристика двигателя параллельного возбуждения достаточно жесткая. Обычно , где no — частота вращения при холостом ходе. При включении в цепь якоря добавочных сопротивлений Rрг, наклон характеристик увеличивается, они становятся «мягкими» и называются искусственными или реостатными.
Моментная характеристика – это зависимость М=f (Ia) при rв=const, U=Uн и Σr=const. В установившемся режиме работы двигателя согласно
имеем Mэм = M2+M0 = смIaФ. Если бы в процессе работы машины поток Ф не изменялся, то моментная характеристика представляла бы собой прямую (характеристика 4, рисунок 2). В действительности поток Ф с ростом тока Ia несколько уменьшается из-за размагничивающего действия реакции якоря, поэтому моментная характеристика слегка наклонена вниз (кривая 5). Характеристика полезного момента располагается ниже кривой электромагнитного момента на величину момента холостого хода (кривая 6).
Характеристика КПД η=f (Ia) снимается при U=Uн, rв=const, Σr=const и имеет типичный для электродвигателей вид (характеристика 7 на рис. 2). КПД быстро растет при увеличении нагрузки от холостого хода до 0,25Рн , достигает максимального значения при Р=(0,5...0,75) Рн, а затем до Р=Рностается почти неизменным. Обычно в двигателях малой мощности η=0,75...0,85, а в двигателях средней и большой мощности η=0,85...0,94.
Механическая характеристика представляет зависимость n=f (M) при U=Uн, Iв=const и Σr=const. Аналитическое выражение для механической характеристики можно получить из уравнения ЭДС электродвигателя
Определив ток Iа из выражения М = сеIaФ и подставив это значение тока в выражение выше, получим
Если пренебречь реакцией якоря и считать, что поток Ф не изменяется, то механические характеристики электродвигателя параллельного возбуждения можно представить в виде прямых (рис. 3), наклон которых зависит от величины сопротивления Rрг включенного в цепь якоря. При Rрг=0 характеристика называется естественной.
Рис. 3 — Механические характеристики двигателя параллельного возбуждения
Следует помнить, что при обрыве цепи возбуждения Iв=0 обороты двигателя n→∞, т.е. двигатель идет «вразнос», поэтому его необходимо немедленно отключить от сети.
68. Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения представляет собой электрическую машину постоянного тока в которой обмотка возбуждения подключена последовательно с обмоткой якоря. Для данного типа двигателей справедливо равенство, что ток протекающий в якорной обмотке равен току протекающему в обмотке возбуждения I = Iв = Iя, что собственно является главной отличительной особенностью от остальных типов двигателей постоянного, например, таких как ДПТ НЗ.
Рисунок 1 – Схема подключения ДПТ ПВ
Эта особенность является прямо определяющей его свойства, такое как зависимость магнитного потока от нагрузки Ф = f (Iя) что говорит о том, что если двигатель будет работать при 25% своей номинальной нагрузки или меньше, то он начнет набирать скорость до больших пределов, и пойдет вразнос, и быстром выходе его из строя, что можете видеть в этой формуле.
Исходя их этого, ДПТ ПВ нельзя использовать на холостом ходу, и постоянно требуется контроль тока якоря, для чего последовательно с обмоткой возбуждения устанавливают минимальное токовое реле, которое замыкает якорную цепь только в том случае, если нагрузка на валу достаточна для поддержания номинальной работы двигателя.
Пуск двигателя происходит с пусковым сопротивлением, так же включенным последовательно в цепь якоря. После пуска это сопротивление выводят, и двигатель работает в номинальном режиме на своей естественной характеристике.
Механическая и электромеханическая характеристики ДПТ ПВ будут одинаковы и иметь гиперболический вид и представлено на рисунке 2.
Сверху естественная при Rn=0; Снизу Искусственная при Rn>0
Рисунок 2 – Механическая и электромеханическая характеристики ДПТ ПВ
69. Схема включения обмоток. Двигатели смешанного возбуждения имеют две обмотки – параллельную и последовательную, намотанные на одни и те же полюсы.
Электрическая схема двигателя показана на рис. 1.33. В зависимости от числа витков обмоток и протекающего по ним тока соотношение между МДС параллельной ОВ1 и последовательной ОВ2обмотками может быть различным. Кроме того, обмотки могут быть включены согласно или встречно. Чаще всего в практике встречаются двигатели с преобладанием МДС параллельной обмотки или согласном включении обмоток.
Механическая характеристика. Механическая характеристика (рис. 1.34, кривая 3) располагается между характеристиками двигателя с параллельным возбуждением 1 и двигателя с последовательным возбуждением 2. Такая характеристика позволяет получить значительный пусковой момент и исключает возможность «разноса» двигателя при холостом ходе. Регулирование частоты вращения двигателя смешанного возбуждения аналогично регулированию скорости двигателя параллельного возбуждения. Варьируя МДС обмоток возбуждения, можно получить почти любую промежуточную механическую характеристику.
70. Регулирование скорости 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.
71. 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.
72) Пуск в ход двигателей постоянного тока.
Для пуска двигателя могут быть применены три способа: прямой пуск; реостатный пуск; пуск путем изменения питающего напряжения.
Прямой пуск. При прямом пуске обмотка якоря подключается непосредственно к сети. Обычно в электродвигателях постоянного тока падение напряжения Iя?Rя во внутреннем сопротивлении цепи обмотки якоря при номинальном токе составляет 5—10% от Uном, поэтому при прямом пуске ток Iя = Uном / ?Rя = (10-20)Iном, что недопустимо для машины. По этой причине прямой пуск применяют только для двигателей очень малой мощности (до нескольких сотен ватт), в которых сопротивление ?Rя относительно велико, и лишь в отдельных случаях — для двигателей мощностью в несколько киловатт. При прямом пуске таких двигателей пусковой ток Iп= (4-6)Iном.
Реостатный пуск. Наибольшее применение получил реостатный пуск, при котором для ограничения тока в цепь якоря включают пусковой реостат Rп (рис. 130, а); он обычно имеет несколько ступеней (секций) R1, R2, R3, которые в процессе пуска замыкают накоротко специальными выключателями (контакторами) 1, 2 и 3. При этом сопротивление реостата постепенно уменьшается, что обеспечивает высокое значение пускового момента в течение всего времени разгона двигателя.
Пуск путем изменения питающего напряжения. При реостатном пуске возникают довольно большие потери энергии в пусковом реостате. Этот недостаток можно устранить, если пускать двигатель путем плавного повышения напряжения, подаваемого на обмотку якоря. Такой пуск называют безреостатным. Для этого необходимо иметь отдельный источник постоянного тока с регулируемым напряжением (генератор или управляемый выпрямитель). Безреостатный пуск применяют на э. п. с. переменного тока и тепловозах.
73,76)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.
74,75). 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)
77. Самовозбуждение ГПТ.
К генераторам с самовозбуждением относятся генераторы параллельного возбуждения, генераторы последовательного возбуждения и генераторы смешанного возбуждения.Для того чтобы на зажимах генератора с самовозбуждением появилось напряжение, необходимо выполнить ряд условий самовозбуждения. Рассмотрим ряд условий самовозбуждения на примере генератора с параллельным возбуждением.
Для того чтобы на зажимах генератора параллельного возбуждения появилось напряжение, нужно привести генератор во вращение от постороннего источника механической энергии. При этом должны быть выполнены следующие условия:1. Генератор должен обладать остаточным магнетизмом. В этом случае на зажимах якоря генератора появится напряжение. Появившееся напряжение остаточного магнетизма прикладывается к обмотке генератора, по ней начинает протекать ток, и в обмотке возбуждения создается магнитный поток.2. Магнитный поток обмотки возбуждения должен быть направлен согласно с потоком остаточного магнетизма, т.е. потоки должны складываться. Два потока, сложившись, приводят к увеличению напряжения на якоре генератора, которое прикладывается к обмотке возбуждения, вызывает увеличения магнитного потока и дальнейшее увеличение напряжения на генераторе.
78. 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.
79. Принцип обратимости МПТ.
Электрические машины постоянного тока предназначены для преобразования электрической энергии как в механическую, так и обратно. В этом проявляется принцип обратимости электрических машин: если на зажимы подать напряжение от постороннего источника тока, то машина работает как двигатель; если же ее якорь привести во вращение от постороннего механического первичного двигателя, то с зажимов машины снимается напряжение, т. е. она работает как генератор. Поэтому в первом случае они называются двигателем, а во втором - генератором. По своей конструкции генератор постоянного тока ничем не отличается от двигателя.
80) Теорема Блонделя
В 1893 году инженер и математик Андре Блондель сформулировал первую научную основу
многофазных измерений. Его теорема гласит:
Если энергия подается в произвольную систему проводов по N проводам, то общая
мощность в системе рассчитывается как алгебраическая сумма показаний N
ваттметров, подключенных так, что каждый из N проводов содержит одну
токовую катушку, соответствующая катушка напряжения подключается между
этим проводом и общей точкой. Если этой общей точкой является один из N
проводов, то измерения могут быть выполнены с использованием N-1 ваттметра.
Современным языком эту теорему можно пересказать проще:
В системе из N проводов, N– 1 измерительный элемент измеряет потребляемую
мощность или энергию, при условии, что все катушки напряжения имеют общую точку
подключения к проводу, в котором нет токовой катушки.
81)Опытное определение параметров схемы замещения трансформатора.
Приведенный трансформатор (т-ф).
В общем случае параметры первичной и вторичной обмоток м-т значительно отличатся друг от друга. Эта разница тем >, чем > коэф-нт трансформации т-ф. Это затрудняет расчёт и анализ работы т-ф. Устраняется это путём приведения всех параметров т-ф к одинаковому числу витков, напр. К числу витков w1, т. обр. вместо реального т-ф, у кот коэф-т т-ф определён как n=w2/w1 получим эквив. Т-ф с коэф-том n=w2/w1=1 Такой т-ф наз. приведённым, при этом имеется ввиду, что приведение вторичных параметров не должно отразится на энергетических показателей т-ф, т. е. Все мощности и фазовые сдвиги во вторичной обмотке приведённого т-ф д-ны остаться такими же, какими они были до приведения.
Напр. млекромагн. мощн. т-ф
E2*I2=E2’*I2’ I2’= I2*w2/w1 E2’= E2*n
Аналогично: U2*I2= U2’*I2’ U2’= U2*n
(I2*I2)*R2=(I2’*I2’)*R2’ следов. R2’= R2*n*n
из равенства реактивных потерь: (I2*I2)*X2=(I2’*I2’)*x2’ X2’= X2*n*n
Z2’= R2’+j* X2’
Z2’=Z2*n*n Zн’=Zн*n*n
Для приведённого т-ф м-но записать сист. урав.
1 U1=-E1+I1*R1+I1*j*X1
2 U2’=E2’-I2’*R2’-I2’*j*X2’
3 I1=I0+(-I2’)
Эти уравнения б-т соотв след. эквив. схеме:
Электрическая схема замещения приведённого т-ф.
Для облегчения исследования трансформатора и их рассчётов примен. также схему замещения приведённого т-ф. Рассмотим эквивал. Схему приведённого т-ф. В этой схеме сопр. Обмоток R1,X1,R2’,X2’ показаны вынесенными за саму обмотку и включены последовательно, причём n’=1 след. что потенциал т-к А и а и т-к Х и х соотв. Равны между собой, т.к. ЭДС Е1=Е2’ Это позвол. Нам элекрически соеденить эти т-ки
И заменяем магнитную связь т-ф электич. цепью.
Т – обарзная схема замещения приведённого т-ф
Эта схема имеет электрическую ветвь R0, X0 заменяющая магн. цепь т-ф. Она полностью соотв. Ур-ям электрич. сост. т-ф.
Схема вкл. след. ветви:
первичная ветвь с сопр. Z1=R1+j*X1
намагн. ветвь с сопр. Z0=R0+j*X0
вторичная ветвь Z2’=R2’+j*X2’
и сопр. нагрузки Zн’=Rн’+/-j*Xн’
(+/-) – плюс- минус
Изменяя сопр. нагрузки Zн’ м-но воспроизвести все режимы работы т-ф. Параметры намагн. ветви (R0,X0) определяются из опыта ХХ, причём активное сопр. R0 обусл. наличием магн. потерь. Все другие параметры т-ф явл. постоянными и м-т б. определены из опытов ХХ и КЗ.
82. Понятие угла θ.
На модуль парка подают угол тета который и определяет скорость вращения поля ротора.
тету вычисляют с помощью токовой модели движка(из Т образной модели и скорости ротора).