Дрючин В.Г., Ткачев Р.Ю. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи

Подождите немного. Документ загружается.

272

нескольких валов (осей) механизмов, находящихся на расстоянии друг от друга и

механически не связанных между собой. Практически применяются система

синхронного вращения («электрического вала» и система синхронного поворота

(«передачи угла») [14].

Система «электрического вала» применяется в силовых электроприводах со

значительным моментом сопротивления, например в разводных мостах, затворах

шлюзов плотин, конвейерах для перегрузочных кранов и других механизмах. Такая связь

обычно осуществляется с помощью приводных трехфазных асинхронных двигателей с

фазным ротором: фазы обмоток роторов двигателей соединяются встречно между

собой проводами линии (например, параллельно между собой на общий реостат), а их

статорные обмотки подключаются к общей трехфазной сети.

Система синхронного поворота используется для дистанционной передачи

угловых перемещений (при дистанционном управлении, регулировании или контроле).

Обычно она выполняется посредством одно- или трехфазных сельсинов, которые

изготовляются как контактными, так и бесконтактными.

Конструктивно контактные сельсины могут быть явно- и неявнополюсными,

они

напоминают собой синхронные и

ли однофазные асинхронные машины малой мощности.

Сердечники статора и ротора сельсинов набираются из листов электротехнической

стали. Наибольшее применение получил однофазный двухполюсный сельсин с явно

выраженными полюсами статора (рис. 11.35,а и б) и трехфазной обмоткой ротора,

соединенной звездой.

Принцип действия сельсинов основан на законе электромагнитной индукции. Если

однофазную обмотку возбуждения ОВ сельсина

273

(рис. 11 .35,в) включить в сеть переменного тока, то ее пульсирующее поле будет

индуцировать в фазах распределенной трехфазной обмотки синхронизации (ротора)

переменные э. д. с. Значение индуцированной э. д. с. в любой фазе зависит от

пространственного положения ее относительно оси ОВ.

Так, при совпадении оси фазы

А с осью ОВ э. д. с. еА = Еm, где Еm---амплитудное значение фазной э. д. с. трехфазной

обмотки синхронизации. При повороте ротора сельсина на угол α= 90° обмотка фазы

расположится перпендикулярно к оси ОВ и ее э. д. с. еА = 0.

Таким образом, индуцированные э. д. с. в обмотке синхронизации сельсина

изменяются по закону косинуса:

еA = Е* соsα; еB = Е*соз(α— 120°); еC = Е*соз(α— 240°). (11.81)

В устройствах дистанционной передачи угловых перемещений с сельсинами

различают две принципиально различных системы синхронной связи: индикаторную и

трансформаторную.

И н д и к а т о р н а я с и с т е м а с и н х р о н н о й с в я з и (рис. 11.36)

применяется в тех случаях, когда ведомая ось создает незначительный тормозной

момент, например, когда на ней укреплена лишь стрелка показывающего прибора.

Система состоит из двух одинаковых сельсинов: датчика СД и приемника СП,

а также

трехфазной линии связи, соединяющей концы одноименных фаз обмоток синхронизации

так, чтобы их э. д. с. действовали встречно. Обмотки возбуждения ОВ

обоих сельсинов

включаются в общую сеть однофазного тока.

При согласованном (одинаковом) расположении обмоток синхронизации

пульсирующие потоки ОВ сельсинов индуцируют одинаковые по амплитуде э. д. с. в их

одноименных фазах и токи в соединительных проводах отсутствуют. Если же ротор

СД повернуть на некоторый угол α, например вправо, как показано на рис. 11.36, и

закрепить в этом положении, то равенство э. д. с. в одноименных фазах

274

СД и СП нарушится и в соединительных проводах возникнут токи (

Взаимодействие этих токов с потоком возбуждения Фп в СП создает вращающий

(синхронизирующий) момент, который повернет ротор СП в сторону согласованного

положения с ротором СД на угол

, близкий по значению к углу

, при котором

исчезнут токи в соединительных проводах. В СД этот момент уравновешен внешним

тормозным моментом.

Т р а н с ф о р м а т о р н а я с и с т е м а с и н х р о н н о й с в я з и используется

для дистанционной передачи угла поворота в устройствах автоматики, радиолокации,

телеуправления (на расстояние более 2ОО—3ОО м) и в вычислительных устройствах в

тех случаях, когда ведомая ось создает значительный тормозящий момент, например при

управлении поворотом антенны радиолокатора.

Простейшая схема трансформаторной связи (рис. 11.37) состоит из двух

маломощных сельсинов (СД и СП), трехфазные обмотки синхронизации которых

соединяются проводами.

Если ротор СД, обмотка возбуждения которого ОВ включена в однофазную сеть,

повернуть, например, вправо на некоторый угол

и закрепить в этом положении, то

под действием индуцированных э. д. с. в фазах обмотки синхронизации СД, в обмотке

возбуждения (ротора) приемника ОВп возникнут разные по значению синусоидальные

переменные токи. Эти токи создадут магнитное поле СП. Ось поля повернется

относительно оси ОВ на угол

, равный углу поворота ротора датчика

()

ДПД

ααα

, но в

противоположном направлении. Магнитное поле СП сцеплено с его ОВП,

индуцирует в

ней э. д. с. и создает выходное напряжение действующее зна

чение которого определяется

углом рассогласования сельсинов

θα

= .

Чтобы э. д. с. ОВп изменялась по закону синуса (а не косинуса) при

согласованном положении роторов (

), ротор СП устанавливают под углом 90° к

ротору СД и оси его ОВп, как показано на рис. 11.37 (см. например, относительное

положение фаз сельсинов Ап и Ад). В этом случае действующая э. д. с. в ОВп

изменяется по закону синуса:

Е=Еm*соs (α + 90°)=Em*sinα.

где

αα

= ---угол между результирующим потоком Фп и осью фазы Ап, сельсина-

приемника.

Напряжение

вых

усиливается усилителем А и подается на обмотку

управления ОУ исполнительного двигателя ИД

обратной связи. В результате включения

ИД его ротор повернет ротор СП на угол рассогласования

θα

= , при котором Uвых

становится равным нулю (при

). Таким образом,

ПД

αα

= .

Наша промышленность изготовляет сельсины: контактные сельсины-датчики

275

серий НД, ДИ, СГС, СГСМ; сельсины-приемники серий НС, СМС, СМСМ,СС ;

дифференциальные сельсины-датчики серии БД и сельсины-

приемники серий БС, СБМ.

11.29. Понятие о поворотных трансформаторах

П о в о р о т н ы м (или вращающимся) т р а н с ф о р м а т о р о м называется

индукционная микромашина переменного тока, предназначенная для получения

выходного (вторичного) напряжения, амплитуда и фаза которого относительно

входного (первичного) напряжения функционально зависят от угла поворота ротора

[14].

Поворотные трансформаторы позволяют решать многие алгебраические,

геометрические и тригонометрические

задачи, связанные с построением треугольников,

преобразованием координат, разложением и построением векторов, а также могут

выполнять функции сельсинов. Поэтому они широко применяются в счетно-решающих

устройствах, в различных схемах автоматики и в системах автоматического

регулирования в качестве измерителей рассогласования.

Конструктивно поворотные трансформаторы незначительно отличаются от

трехфазного асинхронного микродвигателя с фазным ротором. В зависимости от

способа соединения обмоток статора изготовляются и применяются поворотные

трансформаторы как с вращающимся ротором, так и с ротором, который может

поворачиваться относительно статора на некоторый ограниченный угол.

Электрический контакт в трансформаторе с вращающимся ротором осуществ

ляется

с помощью контактных колец и щеток, а в трансформаторе с ограниченным

поворотом ротора (и встроенным или пристроенным для этой цели редуктором)---

посредством спиральных пружин. В пазах сердечников статора и ротора поворотного

трансформатора располагаются по две распределенных однофазных обмотки,

сдвинутых в пространстве друг относительно друга на угол 90.

Принцип действия поворотного трансформатора основан на явлении

взаимоиндукции. Поскольку при повороте ротора взаимная индуктивность между

обмотками статора и ротора изменяется, э. д. с. во вторичных обмотках

трансформатора, индуцированные пульсирующим магнитным полем однофазной

обмотки возбуждения, также будут изменяться в определенной функциональной

зависимости от угла поворота ротора. При повороте ротора трансформатора его

выходное (вторичное) напряжение изменяется по закону синуса и косинуса (при двух

выходных напряжениях) или линейно. Поэтому поворотные трансформаторы

подразделяются на синусно-косинусный и линейный типы.

Наша промышленность изготовляет поворотные трансформаторы серий ВТ-1,

ВТМ и МВТ.

Глава 12

276

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Синхронные машины широко используются в качестве генераторов, двигателей и

компенсаторов переменного тока. Наибольшее применение нашли трехфазные

синхронные генераторы, преобразующие на электростанциях механическую энергию

первичного двигателя в электроэнергию. Они являются основным ис-

точником электроэнергии. Единичная мощность синхронных генераторов

гидроэлектростанций (ГЭС) достигла 640 тыс. кВт, а ТЭС---1,2 млн, кВт.

Генераторы малых мощностей применяются на самолетах, автобусах,

автомобилях и тракторах, где они устанавливаются взамен генераторов постоянного

тока. Мощными синхронными генераторами все больше оснащаются суда.

Синхронные двигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, в

сравнении с асинхронными используются реже, главным образом в приводах с

постоянным режимом работы, не требующих регулирования частоты вращения

(мощные насосы, вентиляторы, компрессоры, шаровые и стержневые мельницы,

прокатные станы металлургических заводов), а также в мощных агрегатах,

преобразующих переменный ток в постоянный и др.

Синхронные компенсаторы применяются в энергосистемах для компенсации

индуктивного сдвига фаз, где они являются генераторами реактивной мощности

емкостного характера.

12.1. Устройство синхронных машин

с электромагнитным возбуждением

Синхронной (от греч. Synchronos---одновременный) называется электрическая

машина переменного тока, ротор которой имеет частоту вращения магнитного поля

статора. Последняя, как и в асинхронных машинах, называется синхронной; ее можно

найти из выражения частоты переменного тока питающей сети:

n0=60f1/p, (12.1)

где р---число пар полюсов синхронной машины (статора). При f1=50 Гц = соnst

синхронная частота вращения постоянна и определяется числом пар полюсов р

машины: np1= 3000, n р2= 1500 и т. д.

Синхронные машины, как и все электрические машинs, обратимы, т. е. могут

работать и в режиме генератора, и в режиме двигателя. Однако практически

генераторы имеют существенные конструктивные отличия от двигателей.

Синхронная машина (рис. 12.1,а) состоит из неподвижного статора 1,

вращающегося ротора 2 с кольцами З и возбудителя 4. На схемах трехфазный

синхронный генератор (GS) или двигатель (МS) с обмотками, соединенными в звезду, с

выведенной нейтралью обозначается так, как показано на рис. 12.1,6.

С т а т о р синхронной машины (рис. 12.1,в) такой же, как и в асинхронной

277

машине, т. е. имеет станину (корпус) З и закрепленный в ней стальной сердечник-

магнитопровод 2, в пазах которого располагается трехфазная обмотка. Р о т о р

синхронной машины---это система электромагнитов постоянного тока, создающих

основное магнитное поле машины. Конструктивно он может быть явно- и

неявнополюсным [11].

Явнополюсный ротор (рис. 12.1 ‚е) представляет собой литое стальное тело 1,

которому прикреплены выступающие наружу явно

278

выраженные чередующиеся полюсы 2. Полюс (рис. 12.1,д) состоит из сердечника 1 и

простой катушечной о6мотки 2 из медного изолированного провода. Сердечник полюса

набирается из листовой электротехнической стали толщиной 1—

1,5 мм. Явно полюсный

имеют тихоходные синхронные машины относительно больших размеров с частотой

вращения п

< =1000 об/мин (гидрогенераторы, число полюсов которых может достигать

многих десятков, и генераторы, приводимые в движение двигателями внутреннего

сгорания). Для быстроходных, относительно небольших машин, явнополюсный ротор

механически не надежен из-

за больших центробежных усилий, действующих на полюсы

при больших частотах вращения.

Неявнополюсный ротор (рис. 12.1,е) представляет собой массивный цельный

цилиндр в виде поковки высокого качества из специальной хромоникельмолибденовой

стали, на поверхности которого вдоль оси фрезеруются открытые радиальные пазы для

размещения обмотки

возбуждения, выполняемой из изолированного медного провода и закрепляемой в пазах с

помощью клиньев из немагнитной стали или сплавов. Неявнополюсные роторы

применяются в быстроходных синхронных машинах---ту р б о г е н е р а т о р а х,

которые обычно изготавливаются двухполюсными (р=1, п=3000об/мин).

Конструктивные схемы синхронной машины с явно и с неявно выраженными

полюсами ротора показаны на рис. 12.2. Направление магнитного потока в полюсах

ротора определяется по правилам буравчика или правой руки.

В рассмотренных конструкциях синхронных машин, в противоположность

279

машинам постоянного тока, статор является якорем, т. е. частью, в которой

индуцируется э. д. с. Е, а ротор---индуктором, создающим магнитное поле машины.

12.2. Возбуждение синхронных машин

По способу возбуждения обмотки ротора (индуктора) синхронные машины

бывают независимого возбуждения и с самовозбуждением. При независимом

возбуждении в генераторах мощностью до 100 тыс. кВт (рис. 12.3) обмотка ротора

обычно питается постоянным током от возбудителя (генератора постоянного тока

параллельного возбуждения относительно небольшой мощности), установленного на

выступающем конце вала машины (см. рис. 12.1, а). Обмотка ротора синхронной

машины электрически соединяется с якорной обмоткой возбудителя через закрепленные

на валу два медных кольца и щетки, как показано на рис. 12.3,а.

Регулирование возбуждения осуществляется изменением тока Iв в обмотке

ротора. Напряжение возбудителей находится в пределах 25--650В, а их мощность

относительно уменьшается с увеличением номинальной мощности машин (от 5 до

0,2 %).

У тихоходных машин возбудитель устанавливается на корпусе и приводится в

движение от её вала клиноременной передачей. Это позволяет использовать в качестве

возбудителей серийные машины постоянного тока. В настоящее время питание

обмотки ротора вновь изготовляемых генераторов мощностью до 100 тыс, кВт

280

осуществляется от преобразователя переменного тока в постоянный.

С 70-

х годов используются мощные полупроводниковые выпрямители, в том числе

и управляемые тиристорные. В мощных турбогенераторах начали применяться также

перспективные бесщёточные

системы возбуждения, в которых ток в обмотку ротора

подается от вращающихся в роторе силовых кремниевых выпрямителей. В этом случае

возбудитель имеет вид обращенной конструкции синхронной машины: с неподвижной

обмоткой возбуждения в статоре и вращающейся трехфазной обмоткой в роторе,

напряжение которой выпрямляют размещенные в роторе кремниевые диоды или

тиристоры.

Систему самовозбуждения име

ют серийно выпускаемые синхронные генераторы

мощностью до 100 кВт. В генераторе с самовозбуждением (рис. 12.3,6) обмотка

ротора питается от статора через трансформаторы тока ТА и полупроводниковые

выпрямители VD. Более простые и компактные генераторы небольшой мощности

изготовляются с механическим выпрямителем в виде коллектора, установленного на

выступающей части вала.

12.3. Работа синхронной машины

в режиме генератора

Постоянный ток обмотки возбуждения ротора создает основное магнитное поле

синхронной машины, распределение магнитной индукции которого в воздушном зазоре

между полюсами ротора и стато-

ром синусоидально (обеспечивается формой полюсного наконечни

ка или распределением

катушек обмотки неявнополюсного ротора).

Принцип действия синхронного генератора основан на законе электромагнитной

индукции. Если обмотку возбуждения синхронной машины подключить к источнику

постоянного тока и вращать ротор первичным механическим двигателем (см. рис.

12.2), то при вращении магнитных полюсов ротора с неизменным потоком Ф0 полюса в

трехфазной обмотке статора будут индуцироваться синусоидальные э. д. с. [11].

действующее значение фазной э. д. с. генератора определяется тем же выражением,

что и э. д. с. в обмотке статора асинхронной машины, т. е.

Подставив сюда значение частоты изменения потокосцепления f1=pn/60, получим

или

Е0= спФ0, (12.3)

где

4,44*1*

об

с wk

= =const, а п---частота вращения ротора.

Таким образом, э. д. с. ХХ синхронного генератора пропорциональна частоте

вращения и магнитному потоку полюса ротора.

Синусоидальное изменение э. д. с. генератора е (t)

обеспечивается синусоидальным

281

распределением магнитной индукции в воздушном зазоре машины.

Трехфазная обмотка статора синхронных генераторов обычно соединяется в

звезду для облегчения защиты от КЗ. Это позволяет при линейном напряжении Uл

облегчить изоляцию машины в

раза.

12.4. Реакция якоря в синхронном генераторе

При ХХ в синхронном генераторе существует только магнитное поле ротора,

создаваемое постоянным током возбуждения Iв. В нагруженном генераторе при

автономной работе дополнительно возникает переменное магнитное поле статора

(якоря), которое создается токами в нагрузке. Силовые линии этого поля замыкаются

по сердечнику статора и ротора (см. рис. 12.4,а), дважды пересекая воздушный зазор

между ними. Небольшая часть поля статора, называемая полем рассеяния, сцеплена

только с проводниками статорной обмотки. Поле рассеяния характеризуется

потокосцеплением рассеяния

рас.

Магнитное поле статора имеет неизменный поток полюса Фа (для данной нагрузки)

и вращается в пространстве (см. п. 11.1). Его синхронная частота вращения п0

определяется по формуле (12.1). Так как, с другой стороны, частота э. д. с. генератора

f1=pn/60, (12.4)

где п----частота вращения ротора и его магнитного поля, то очевидно, что

n0=n. (12.5)