Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины т 2

Подождите немного. Документ загружается.

220

Следовательно,

; ; , (62.15)

где

— определитель системы (62.14); , , — определители, полу-

чающиеся из определителя D после замены столбца, составленного

из коэффициентов при неизвестном токе, на столбец, составленный

из свободных членов E

, , . Например, D

получается из D

заменой столбца ( ) на столбец E

, — на ,

— на .

Рассчитав токи, можно найти напряжения и их симметричные со-

ставляющие с помощью (62.11).

62.8. Несимметричные становившиеся оротие замыания

Однофазное короткое замыкание (рис. 62.6, б). Однофазное ко-

роткое замыкание является частным случаем несимметричной на-

грузки ( = 0, = ×). Однако для определения тока коротко-

го замыкания проще обратиться не к (62.14), а к (62.11), имея в виду,

что = 0, = 0, = E

. Сначала нужно выразить симметрич-

ные составляющие токов через искомый ток короткого замыкания фа-

зы А:

;

После этого из (62.11) для фазы А нетрудно определить ток одно-

фазного короткого замыкания

; . (62.16)

–

------

= I

–

------

= I

–

------

–

+()Z

–

+()Z

–

+()

–

+()a

–

+()a

–

+()

–

+()a

–

+()a

–

+()

–

+ Z

–

+()a

–

+()a

–

= E

–

++()/3 I

–

/3==

–

++()/3 I

–

/3==

–

++()/3 I

–

/3==

–

-------------------------------

= I

–

---------------------------------

≈

221

Двухфазное короткое замыкание (рис. 62.6, в). При двухфазном

коротком замыкании обращается в нуль линейное напряжение

, токи короткого замыкания в фазах А и В одинако-

вы, , а ток в фазе С отсутствует, = 0. Симметричные со-

ставляющие токов выражаются через ток короткого замыкания

;;

;

После этого с помощью (62.11) можно записать уравнение для ли-

нейного напряжения :

где

;

Решая уравнение, находим ток двухфазного короткого замыкания

; . (62.17)

Двойное однофазное короткое замыкание (рис. 62.6, г). В этом

случае оказываются замкнутыми накоротко две фазы и напряжения

= 0, = 0; кроме того, ток в фазе С равен нулю (I

= 0). Симмет-

ричные составляющие токов выражаются через одинаковые токи ко-

роткого замыкания в фазах А и B:

;; .

–

–0==

–

–= I

–

---

–

+()0==I

–

------

1 a

–

–()

-------

jπ /6–

–

------

1 a

–

–()

-------

jπ /6

–

–== I

–

–==

–

– E

–

1–()Z

–

–()– Z

–

–()–0== =

–

– I

–

– I

–

– I

–

–==

–

– I

–

– I

–

– I

–

–==

1 a

–

–+3e

jπ /6

–

jπ /6

–

------------------------------

= I

--------------------

≈

–

--------------------

= I

–

-----------------------

= I

–

--------------------------

222

Решая систему уравнений для напряжений = 0 и = 0, полу-

ченную с помощью (62.11), и пренебрегая активными составляющи-

ми сопротивлений , , , находим токи двойного однофазного

короткого замыкания

(62.18)

–

3 X

– jπ /6

jπ /6

⎝⎠

⎛⎞

-----------------------------------------------------------------------------

------------------------------------------------------------

⎭

⎪

⎬

⎪

⎫

223

Глава шестьдесят третья

СПЕЦИАЛЬНЫЕ СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

63.1. Однофазные синхронные енераторы

с элетроманитным возбждением

Якорная обмотка этих машин выполняется однофазной (рис. 63.1),

ее проводники размещаются примерно на 2/3 каждого полюсного де-

ления. Такую однофазную обмотку можно представить образованной

из двух фаз обычной трехфазной обмотки, соединенной в звезду,

и рассматривать работу однофазной машина как несимметричный ре-

жим работы обычной синхронной машины, две фазы которой питают-

ся от линейного напряжения и обтекаются общим током

, а третья фаза отключена ( = 0).

Анализ процессов в однофазной синхронной машине может быть

проведен с использованием теории несимметричных режимов трех-

фазной машины (см. гл. 61). Пульсирующая МДС раскладывается на

две одинаковые по амплитуде вращающиеся МДС, одна из которых

перемещается с угловой скоростью Ω (синхронно с ротором), вторая

со скорость (– Ω) в противоположную сторону. Синхронная состав-

ляющая МДС якоря оказывает на поле возбуждения такое же воздей-

ствие, как в обычной синхронной машине; обратно синхронная со-

ставляющая перемещается по отношению к ротору с двойной син-

хронной скоростью 2Ω. Скольжение ротора по отношению к обрат-

ной МДС равно двум и в его обмотках

(демпферной и возбуждения) индуктиру-

ются ЭДС и токи двойной частоты 2f . По-

лезный синхронный электромагнитный

момент образуется только от взаимодейст-

вия синхронного поля с током якоря, об-

ратносинхронное поле приносит только

вред. Для эффективного ослабления об-

ратносинхронного поля на роторе одно-

–

–== I

–

U,



Рис. 63.1. Однофазный синхронный генератор:

1 — обмотка якоря; 2 — обмотка возбуждения;

3 — стержень демпферной обмотки; 4 — коротко-

замыкающее кольцо демпферной обмотки

224

фазных синхронных машин всегда устанавливается продольно-по-

перечная демпферная обмотка со значительно большими сечениями

стержней и короткозамыкающих колец, чем в трехфазных синхрон-

ных машинах, обладающая достаточно малыми активным сопротив-

лением и индуктивным сопротивлением рассеяния (уменьшение ак-

тивного сопротивления приводит к снижению потерь в демпферной

обмотке и ее температуры, а также улучшению КПД машины).

Однофазные синхронные генераторы из-за присущих им недос-

татков (более низкому КПД, высокой стоимости и худшим вибраци-

онным характеристикам) используются только в качестве автоном-

ных источников однофазного переменного тока. Обычно их мощ-

ность не превосходит нескольких десятков киловатт, хотя для элек-

троснабжения железных дорог переменного тока построены однофаз-

ные гидрогенераторы мощностью до 50 МВт.

63.2. Реативные синхронные двиатели

Реактивными называются явнополюсные синхронные двигатели

без обмотки возбуждения па роторе.

В многофазных (трех- или двухфазных) реактивных двигателях

статор выполняется так же, как в обычных синхронных машинах

(рис. 63.2). Для анализа процессов в реактивных синхронных двига-

телях можно использовать теорию явнополюсных синхронных ма-

шин, считая ток возбуждения равным нулю (I

= 0, E

= 0).

При параллельной работе с сетью U = const электромагнитный мо-

мент М реактивного синхронного двигателя

определяется по (58.16) при ε = E

/U = 0.

Момент зависит от угла θ между продоль-

ной осью ротора и осью результирующего

магнитного поля , которое в данном слу-

чае образуется только током в обмотке

якоря. Действие реактивного двигателя ос-

новано на различии между магнитными

проводимостями по продольной и попереч-

ной осям ротора (X

> X

). Электромагнит-

ный момент, действующий на ротор двига-

теля, всегда стремится расположить его

продольную ось вдоль поля. В этом можно

убедиться, исходя из основного уравнения

электромеханического преобразования

–

dγ

---------

⎝⎠

⎛⎞

i const=

,



;

–

––

Рис. 63.2. Реактивная син-

хронная машина (режим

двигателя, θ < 0, M < 0)

225

В реактивной машине энергия магнитного поля W ~ i

L, где L — ин-

дуктивность обмотки якоря; i — ток в фазе якоря. При смещении про-

дольной оси ротора d на угол dγ > 0 в сторону оси МДС якоря (или в

сторону оси поля) индуктивность якоря возрастает, dL > 0 (так как

> L

), и приращение энергии магнитного поля dW = i

dL оказывает-

ся положительным (dW > 0). Следовательно, M = dW /dγ > 0, а это оз-

начает, что электромагнитный момент направлен в сторону dγ и стре-

мится повернуть продольную ось ротора в сторону оси поля. В режиме

двигателя (рис. 63.2), когда продольная ось ротора отстает от оси поля

(θ < 0), электромагнитный момент М, действующий на ротор, направ-

лен в сторону вращения (М < 0). Максимальный электромагнитный

момент при R = 0 наблюдается при = π /4 и определяется

При анализе реактивных двигателей малой мощности (особенно

при мощности порядка несколько ватт и менее) необходимо учиты-

вать влияние активного сопротивления статора (см. § 58.5).

Это влияние проявляется в некотором уменьшении максимально-

го момента и угла θ, при котором он наблюдается ( < π/4).

Основное достоинство реактивных синхронных двигателей —

простота конструкции (отсутствие обмотки и системы возбуждения).

Существенный недостаток — потребление реактивной мощности из

сети. Это видно из (58.11), если принять в нем ε = 0. В связи с этим

трехфазные реактивные двигатели применяются главным образом

в приводах небольшой мощности (до нескольких десятков ватт). Для

осуществления асинхронного пуска на роторе реактивных двигателей

располагают демпферную обмотку, выполняемую в виде неравноша-

говой литой из алюминия короткозамкнутой обмотки (рис. 63.3, а).

Как видно из приведенного уравнения, для увеличения макси-

мального момента нужно уменьшить индуктивные сопротивления X

и X

, увеличивая зазор, однако при этом возрастает потребляемая дви-

гателем реактивная мощность и ухудшается его коэффициент мощно-

сти.

Для улучшения технических показателей двигателя применяется

особая конструкция магнитопровода ротора, в которой предусмот-

рен ряд немагнитных промежутков на пути поперечного поля, в то

время как на пути продольного поля такие промежутки не встреча-

ются. Если в традиционной конструкции удается получить отноше-

ние X

≈ 2, то при секционированном магнитопроводе с немаг-

max

2Ω

--------------

------

–

⎝⎠

⎛⎞

226

нитными промежутками, за-

полненными стержнями из

алюминия (рис. 63.3, б), от-

ношение X

возрастает

до 4—5. За счет этого суще-

ственно увеличивается M

max

при сохранении потребляе-

мой реактивной мощности Q

на прежнем уровне. Коэф-

фициент мощности и КПД

трехфазных реактивных дви-

гателей с секционированным

магнитопроводом приближа-

ются к соответствующим по-

казателям асинхронных дви-

гателей. Это открывает воз-

можность их применения в

необходимых случаях при

мощности до нескольких киловатт. На торцах секционированного

ротора имеются короткозамыкающие кольца, отлитые из алюминия

заодно с фигурными стержнями, заполняющими немагнитные про-

межутки. Из этих стержней и колец образуется пусковая обмотка

двигателя.

Однофазные реактивные двигатели малой мощности находят ши-

рокое применение в схемах автоматического управления, самопишу-

щих приборах, устройствах видео- и звукозаписи и других установ-

ках. Для получения вращающегося магнитного поля при пуске и ра-

боте этих двигателей используются те же способы, что и в однофаз-

ных асинхронных двигателях. Наибольшее распространение получи-

ли однофазные реактивные двигатели малой мощности с экраниро-

ванными полюсами и конденсаторные реактивные двигатели, статор

которых устроен так же, как в аналогичных асинхронных двигателях

малой мощности (см. § 47.4, 47.5).

Ротор однофазного реактивного двигателя может иметь такие же

конструктивные исполнения, как в многофазном реактивном двигате-

ле. При этом применение ротора с секционированным магнитопрово-

дом (рис. 63.3, б) позволяет значительно улучшить пусковые и рабо-

чие свойства двигателя. В отличие от асинхронных однофазных дви-

гателей в реактивном однофазном двигателе короткозамкнутая об-

мотка в рабочем режиме демпфирует только обратное поле и не ока-

зывает влияния на прямое поле; и наоборот, явнополюсность сущест-

венно влияет на прямое поле, так как оно зависит от положения рото-

ра по отношению к МДС, а влияние явнополюсности на обратное

б)

Рис. 63.3. Разрезы магнитопроводов рото-

ров реактивных четырехполюсных син-

хронных двигателей:

a — обычный магнитопровод с демпферной

обмоткой, литой из алюминия; б — сегмен-

тированный магнитопровод с литой из алю-

миния демпферной обмоткой, фигурные

стержни которой образуют немагнитные

промежутки

227

поле может учитываться усредненно. Нужно также иметь в виду, что

пусковой момент реактивного однофазного двигателя (особенно кон-

денсаторного) при Ω = 0 зависит от начального положения осей рото-

ра по отношению к осям рабочей и пусковой фазы. Это явление свя-

зано с различием в магнитных проводимостях и индуктивных сопро-

тивлениях рассеяния короткозамкнутой неравношаговой обмотки

по продольной и поперечной осям ротора. В конденсаторных двига-

телях это может привести при некоторых соотношениях параметров

к так называемому «залипанию» ротора при пуске.

Указанное различие между магнитными проводимостями и индук-

тивными параметрами неравношаговой короткозамкнутой обмотки

по продольной и поперечной осям ротора существенно усложняет

электромагнитные процессы в однофазном реактивном двигателе по

сравнению с однофазным асинхронным двигателем и приводит к еще

более резкой зависимости характера вращающегося поля от скорости

вращения ротора (при пуске) и от углового положения ротора в рабо-

чем режиме. В связи с этим поле, приближающееся к круговому, мож-

но получить в конденсаторном двигателе только в каком-либо одном

режиме (или при определенной частоте вращения во время пуска, или

при определенной нагрузке в рабочем режиме). Во всех остальных

режимах эллиптичность поля будет более заметно выражена, чем в

аналогичных асинхронных однофазных двигателях. Для получения

кругового поля в двух режимах (в рабочем и пусковом) прибегают к

изменению емкости конденсаторов, включенных в цепь пусковой об-

мотки, после втягивания в синхронизм.

В реактивных однофазных двигателях с экранированными полю-

сами эллиптичность поля проявляется во всех режимах работы и при

пуске. Поэтому однофазный реактивный двигатель с экранированны-

ми полюсами по всем показателям (КПД, cosϕ, начальный пусковой

момент) уступает конденсаторному реактивному двигателю.

63.3. Синхронные машины с отеобразными полюсами

Синхронные машины с когтеобразными полюсами отличаются

от обычных конструкцией магнитопровода индуктора (ротора) и об-

мотки возбуждения. Магнитопровод индуктора (ротора) состоит из

трех частей (рис. 63.4): ярма 2, диска 1 когтеобразными выступами,

образующими северные полюсы N, и диска 3 с когтеобразными вы-

ступами, образующими южные полюсы S. Кольцевая обмотка возбу-

ждения 4 располагается между дисками 1 и 3 с выступающими систе-

мами полюсов и питается от возбудителя с помощью контактных ко-

лец. При возбуждении индуктора образуется магнитное поле, линии

которого, охватывающие проводники обмотки возбуждения, показа-

228

ны на рисунке. часть линий, выходящих из северных полю-

сов, пересекает зазор, сцепляется с обмоткой якоря, проходит по ярму

и снова возвращается в индуктор через зазор между зубцами якоря и

южными полюсами. Эти линии образуют поток взаимной индукции с

обмоткой якоря. Меньшая часть линий направляется прямо от север-

ных полюсов к южным, не образуя полезного потокосцепления

с обмоткой якоря. Эти линии образуют поток рассеяния обмотки воз-

буждения.

Индукторы с когтеобразными полюсами, предложенные англий-

скими инженерами Д. Джиббсом и Э. Фэсквитом, получили примене-

ние в синхронных генераторах, выпускавшихся в 1890—1900 гг. Од-

нако по мере увеличения относительной длины l / τ и мощности гене-

раторов достоинства индукторов этого типа — простота устройства и

низкая стоимость обмотки возбуждения — отступили на второй план

по сравнению с их существенным недостатком — весьма большим

рассеянием потока. Поэтому в настоящее время модификации когте-

образного исполнения применяются только в машинах небольшой

мощности с большим числом полюсов в таком промежуточном диапа-

зоне соотношений между угловой частотой сети и угловой скоростью

ротора, в котором машина с когтеобразными полюсами превосходит

по своим показателям и обычную, и индукторную синхронные маши-

ны. Особенно ценные качества приобретает машина с когтеобразны-

ми полюсами в исполнении с неподвижной кольцевой обмоткой воз-

буждения. Поскольку в такой машине исключен скользящий контакт в

щеточном устройстве для питания обмотки возбуждения, она получила

Рис. 63.4. Устройство синхронной машины с когтеобразными полюсами:

1 — диск с системой южных полюсов индуктора; 2 — ярмо индуктора; 3 — диск

с системой северных полюсов; 4 — обмотка возбуждения; 5 — магнитопровод яко-

ря; 6 — обмотка якоря

Большая

′

229

название бесконтактной. Бесконтактный синхронный генератор с ког-

теобразными полюсами на роторе показан на рис. 63.5, его ротор — на

рис. 63.6. Обмотка возбуждения генератора состоит из двух непод-

вижных кольцевых катушек 1, установленных в углублениях подшип-

никовых щитов 5, 11. Линии поля, возбужденного токами в катушках,

замыкаются в основном по пути, показанному на рисунке: от север-

ных полюсов 9 через зазор к зубцам магнитопровода якоря 3; по ярму

и зубцам якоря еще раз через зазор к южным полюсам 8; по ярму 7 юж-

ных полюсов; через зазор между ярмом 7 и щитом 5; по щиту 5, ста-

нине 4 и щиту 11; через зазор между щитом 11 и ярмом 10 северных

полюсов; по ярму 10 снова в северные полюсы. Частично рассеиваясь,

поле возбуждения сцепляется с обмоткой якоря. При вращении вала 6

вместе с ярмами полюсов 7, 10 и полюсами 8, 9 периодически изменя-

ется потокосцепление с обмоткой якоря и в ней индуктируется ЭДС.

Рис. 63.5. Бесконтактная синхронная машина с когтеобразными полюсами:

1 — кольцевые катушки возбуждения; 2 — обмотка якоря; 3 — магнитопровод яко-

ря; 4 — станина; 5, 11 — подшипниковые щиты; 6 — вал; 7, 10 — ярма южных и

северных полюсов; 8, 9 — южные и северные полюсы

Рис. 63.6. Ротор бесконтактного син-

хронного генератора с когтеобраз-

ными полюсами