Кузнецов М.И. Конспект лекций по электромеханике

Подождите немного. Документ загружается.

1. Улучшение коммутации за счет сдвига щеток с нейтрали, рис. 248, рис. 249, рис.

250.

Рис. 248 Рис. 249 Рис. 250

Если щетки установлены на геометрической нейтрали, то секция, подойдя к пластине

(1), начнет коммутировать. От скорости изменения т ока в секции в ней наведется

реактивная ЭДС. Кроме того, секция коммутирует во внешнем поле той же полярности.

Поэтому в секции наведется ЭДС e

того же знака, что и ЭДС e

. Если щетки сдвинуть на

физическую нейтраль, то секция начнет коммутировать, подойдя к пластине (2), и в ней

наведется ЭДС e

, а ЭДС e

будет равна нулю, т.к. индукция B в точке 2 равна нулю.

Затем, если сдвинуть щетки за физическую нейтраль, то секция начнет коммутировать,

дойдя до пластины (3), и в ней появится ЭДС e

, а индукция B в этом положении будет

иметь противоположный характер, и наводимая ЭДС e

будет противоположна ЭДС e

Сдвинув щетки на соответствующий угол, можно получить полную компенсацию e

и e

тем самым свести ток i

доб

=0 и привести коммутацию к прямолинейной. Этот способ

улучшения коммутации применим только тогда, когда нагрузка генератора практически

постоянная. В практике нагрузка, как правило, переменная. Поэтому для улучшения

коммутации используют второй способ.

2. Улучшение коммутации за счет установки добавочных полюсов, рис. 251.

Дополнительные полюса устанавливают на геометрической нейтрали. Количество их

равно числу главных полюсов. Это простое и целесообразное решение. Все современные

машины постоянного тока снабжены дополнительными полюсами.

Рис. 251.

Идея улучшения коммутации сводится к следующему:

Секция идет от южного полюса. Дойдя до щетки на нейтрали, секция начнет

коммутировать и в ней наведется от скорости изменение тока ЭДС



Дополнительный полюс своим потоком наведет в коммутируемой секции ЭДСe

. Для

того, чтобы ЭДС e

была встречно с ЭДС e

, необходимо, чтобы секция коммутировала в

зоне противоположной полярности, т.е. полярность дополнительного полюса должна быть

северной (N).

121

Обмотка дополнительного полюса включается последовательно с якорем. Это делается

для того, чтобы с увеличением тока якоря одновременно изменялись ЭДС e

и e

Для того, чтобы B

I

, необходимо, чтобы

дополнительные полюса должны быть ненасыщенные и

набираться из пакета листов электротехнической стали.

Определение числа витков дополнительного полюса

Число витков дополнительного полюса выбирается исходя из равенства ЭДС e

e lW V A

e l W V B

r c a

k k c a k















обычно ll

, тогда B





. Исходя из индукции B

, ведется

расчет числа витков дополнительного полюса.

Намагничивающая сила дополнительных полюсов складывается из двух частей:

Первая часть должна создать индукцию B

Вторая часть должна компенсировать реакцию якоря, обычно эта часть больше.

g

=AЕ+2







где g – зазор под дополнительным полюсом,

g

– коэффициент зазора.

Намагничивающая сила дополнительных полюсов

=2I

, откуда W

Задавшись током I

определяем линейную нагрузку А, а по А определяем В

и F

На практике для наладки коммутации снимают кривые безискровой коммутации и по

ним производят коррекцию числа витков W

или изменяют зазор g для того, чтобы

коммутация была прямолинейна.

4-7-7. Круговой огонь в машинах постоянного тока

Круговой огонь в машинах постоянного тока возникает при пиковых нагрузках или

при коротком замыкании.

Это тяжелый и не приятный случай коммутации, приводящий к порче машины, т.е.

коллекторные пластины перекрываются огнем по всему коллектору и они плавятся, т.е.

машина выходит из строя.

Физическая природа этого явления отличается чрезвычайной сложностью. Развитию

кругового огня способствуют две причины:

1. Первая причина.

Предположим, что имеем пик нагрузки, резко увеличивается ток в якоре, также резко

возрастает линейная нагрузка А и столь же быстрое возрастание ЭДС е

, а ЭДС e

в это

время не успевает расти, так как при большом токе дополнительный полюс насыщен и

ЭДС e

будет мало изменяться, т.е. e

>>e

, отсюда коммутация становится явно

замедленная. Появится искрение на сбегающем крае щетки. Искры объединяются в дугу.

При вращении якоря дуги сливаются и получается круговой огонь.

2. Вторая причина.

122

Рис. 252.

В момент перегрузки реакция якоря сильно искажает индукцию. И секция, дойдя до

максимального значения индукции, в ней наведется увеличенная ЭДС. Напряжение между

коллекторными пластинами резко возрастает, кроме того, изоляция между пластинами

загрязнена угольной пылью. Эти причины приведут к перекрытию этих пластин. Далее

подойдя в эту зону максимальной индукции, следующая секция окажется в таком же

положении, и следующие коллекторные пластины перекроются (произойдет пробой

изоляции). Это будет также способствовать развитию кругового огня, рис.252.

В машинах большой мощности для ликвидации второй причины устанавливают

компенсационную обмотку. Эта обмотка расположена в пазах полюсных наконечников,

рис.253.

Рис. 253.

Эта обмотка соединяется последовательно с якорем. Поток компенсационной обмотки

компенсирует поток якоря. Это приводит к тому, что у машины, как при холостом ходе,

так и при нагрузке индукция имеет вид трапеции. Не будет повышенных индукций, а

следовательно не будет перенапряжений и пробоя изоляции между пластинами.

Наличие компенсационной обмотки облегчает условия работы дополнительных

полюсов. Для ослабления кругового огня машину часто настраивают на ускоренную

коммутацию, чтобы при пиковых нагрузках она приходила к прямолинейной

коммутации. Кроме того, по окружности якоря устанавливают предохранительные щиты

для ограничения развития кругового огня.

5 Синхронные машины

5-1. Назначение, устройство и принцип действия

Синхронные машины используются главным образом в качестве источников электрической

энергии переменного тока; их устанавливают на мощных тепловых, гидравлических и атомных

электростанциях. Конструкция синхронного генератора определяется в основном типом привода.

В зависимости от этого различают турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель генераторы.

Турбогенераторы приводятся во вращение паровыми или газовыми турбинами, гидрогенераторы –

гидротурбинами, дизель генераторы – двигателями внутреннего сгорания.

Синхронной машиной переменного тока называется такая машина, скорость которой

находится в строгой зависимости от частоты. Ротор вращается с такой же скоростью, что и поле

статора

123

f60



Турбогенераторы изготовляются на синхронную

скорость n=3000-1500 об/мин, мощностью 125; 320; 500;

800; 1000; 1200 МВт. Статор (якорь) синхронной

машины аналогичен асинхронной машине. Он

набирается из листов электротехнической стали (1). В

пазах статора расположены три фазы, сдвинутые

относительно друг друга на 120 электрических градусов

(2), рис. 254. (3) индуктор явнополюсной машины, (4)

обмотка возбуждения, (5) контактные кольца. Ротор

(индуктор) в синхронном турбогенераторе выполняется

неявнополюсным. На роторе расположена обмотка

возбуждения (2), которая питается от источника

постоянного тока. Обмотку возбуждения в такой машине

размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из

массивной стальной поковки высококачественной стали

(рис. 254 ), и укрепляют немагнитными клиньями.

Лобовые части обмотки, на которые воздействуют

значительные центробежные силы, крепят с помощью

стальных массивных бандажей. Для получения

приблизительно синусоидального распределения

магнитной индукции обмотку возбуждения укладывают

в пазы, занимающие 2/3 полюсного деления, рис. 255.

Диаметр ротора не должен превышать 1.0-1.5м длина

ротора составляет 7-8 метров.

Охлаждение элементов турбогенератора осуществляется водородом, трансформаторным

маслом, дистиллированной водой.

Гидрогенераторы. Эти машины приводятся во вращение тихоходными гидравлическими

турбинами, частота вращения которых составляет 50-500 об/мин. Поэтому их выполняют с

большим числом полюсов и явнополюсным ротором. Диаметр ротора гидрогенератора достигает у

мощных машин 16м при длине 1.75м (640 МВА) на ободе ротора крепятся полюса с обмоткой

возбуждения. Полюса изготовляют из листовой стали.

Охлаждение элементов гидрогенератора чаще всего осуществляется водой.

Кроме синхронных генераторов имеются синхронные двигатели и синхронные

компенсаторы.

Работа синхронного генератора при холостом ходе

При холостом ходе магнитный поток генератора создается обмоткой возбуждения,

причем он направлен по оси полюсов ротора и индуктирует в фазах обмотки якоря ЭДС

сдвинутых по фазам на

120

электрических градусов.

00110

44,4 КФfЕ





. Величину

ЭДС Е0 можно регулировать изменяя ток возбуждения



ЕФi

. Характеристика

будет представлять собой зависимость ЭДС

от тока возбуждения. В синхронных

машинах основные параметры выражаются в относительных единицах

ном





BHBВ

iii 



, где iвн- ток возбуждения, соответствующий номинальному напряжению при

холостом ходе.

Характеристика холостого хода в относительных единицах

называется стандартной (рис. 256). Т.к. генератор является

источником напряжения, то к нему предъявляются

требования относительно синусоидальности полученной

ЭДС. Величина искажения ЭДС должна быть не более 5%

124

Рис.254

Рис.255

для машин средней и большой мощности, и не более 10% для машин мощностью до 1000

квА.

Рис. 256

Коэффициент искажения ЭДС

%5%100







ААА

Кривая ЭДС определяется магнитным полем, поэтому при конструировании машин

обращают внимание на то, чтобы соблюдалось синусоидальное распределение поля. В

машинах с явными полюсами это достигается за счет скоса полюсных наконечников, а в

машинах неявнополюсных- за счет строгого расположения пазов на полюсном делении.

5-2. Реакция якоря в синхронном явнополюсном генераторе

Как было сказано выше, при холостом ходе магнитный поток создается обмоткой

возбуждения. В явнополюсной машине магнитный поток Ф

направлен по продольной оси d-d, рис

85. Так как магнитное сопротивление по продольной d-d и поперечной осям различное, то в

явнополюсной машине все процессы рассматривают по двум осям – продольной d-d вдоль

индуктора и поперечной q-q оси. Если теперь замкнуть обмотку статора (якоря) на нагрузку, то

под действием ЭДС Е

по обмотке будет протекать ток, который создает свой магнитный поток.

Взаимодействие потока якоря с потоком обмотки возбуждения называется реакцией якоря.

Намагничивающая сила ротора вращается с синхронной скоростью, вращение магнитного поля

статора также синхронное (n

=60f

/p), т.е. они друг относительно друга неподвижны. Однако

действие реакции якоря зависит от характера нагрузки. Нагрузка может быть активной,

индуктивной, емкостной, либо смешанной. При рассмотрении реакции якоря на статоре будем

изображать одну фазу вместо трех. Из общей теории машин переменного тока известно, что ось

потока трехфазной обмотки совпадает с осью той фазы, где ток максимален, поэтому рассмотрим

случай, когда ток в одной из фаз статора максимален.

5-2-1. Реакция якоря при активной нагрузке

125

Кривая намагничивающей силы ротора есть синусоида. Кривая намагничивающей силы

реакции якоря так же синусоидальная. Реакция якоря на набегающем крае размагничивает

основной поток, а на сбегающем крае намагничивает. Как видно из рис. 257 при активной нагрузке

реакции якоря поперечная. Намагничивающая сила Faq – намагничивающая сила поперечной

реакции якоря.

Если машина неявнополюсная, то Faq дает нам в каком-то масштабе кривую распределения

индукции. А для машин с явными полюсами эта кривая не будет аналогична кривой распределения

индукции, так как зазор по осям не одинаков. Поэтому в кривой индукции появляются провалы в

межполюсных местах из-за большого магнитного сопротивления.

Однако с такой кривой индукции Baq иметь дело не удобно, поэтому предпочитают сводить

эту кривую к эквивалентной синусоиде, имеющей равную площадь, при этом поступают

следующим образом: намагничивающую силу F

aq соответствующую эквивалентной синусоиде,

определяют F

aq=Faq*Kq, где Kq- коэффициент поперечной реакции якоря, который зависит от

коэффициента магнитного перекрытия для машин Kq=0.2-0.5.

Определив, таким образом, эквивалентную синусоиду, можно найти поток. Таким

образом, при чисто активной нагрузке реакция якоря – поперечная.

5-2-2. Реакция якоря при индуктивной нагрузке

Теперь рассмотрим случай, когда нагрузка генератора чисто реактивная, т.е. ток якоря отстает

от ЭДС на 90. Если нагрузка индуктивная и ток отстает от ЭДС на 90, то взаимное расположение

полюсов и активных сторон фазы, в которых будет максимальный ток будет тогда, когда ротор

уйдет на половину полюсного деления (на 90 эл. градусов). Магнитные линии потока якоря будут

замыкаться иначе, чем в первом случае. Поток якоря, при этом, будет проходить по тому же пути,

что и поток обмотки возбуждения, но направлен встречно. Поэтому если нагрузка чисто

индуктивная, то реакция якоря будет продольно размагничивающая. На рис. 86 представлена

картина пространственного расположения потоков, в развернутом виде представлены н.с. F

и Fad

и векторная диаграмма при чисто индуктивном характере нагрузки. Кривая распределения

индукции якоря для явнополюсной машины также будет иметь провалы.

Здесь также действительную кривую распределения индукции заменяют эквивалентной

синусоидой.

ad=Fad*Kd, где Kd – коэффициент продольной реакции якоря. Kd=0.8-0.95. Таким

образом, при индуктивной нагрузке реакция якоря будет продольной и будет действовать

размагничивающим образом.

5-2-3. Реакция якоря при емкостной нагрузке

126

Рис. 257

Рис. 258

При емкостной нагрузке ток якоря опережает ЭДС на

эл. градусов. Поэтому максимум

тока в фазе наступает тогда, когда северный полюс не дойдет до фазы статора на 90. При этом

поток якоря и поток обмотки возбуждения будут направлены в одну сторону (см. рис. 259) и

реакция якоря будет продольно намагничивающая.

5-2-4. Реакция якоря при смешанной нагрузке

В действительности у синхронных генераторов таких идеальных случаев нагрузки нет.

Реально нагрузка генератора активно-индуктивная, либо активно емкостная. Рассмотрим активно-

индуктивный характер нагрузки. При этом ток якоря разлагают по осям. Активная составляющая

будет давать поперечную реакцию якоря, а реактивная – продольную. Рассмотрим случай, когда

ток отстает от ЭДС на угол ψ. Для определения влияния реакции якоря нужно выделить активную

и реактивную составляющие тока.

Ток Iq создает намагничивающую

силу Faq, а ток Id намагничивающую

силу Fad. Фaq будет искажать

магнитный поток, а Фad

размагничивать. Реакция якоря

определяется путем разложения, рис.

260.

5-2-5. Магнитное рассеяние

Кроме основного магнитного потока, пронизывающего обе обмотки, имеется поток

рассеяния. Этот поток охватывает только обмотку статора.

Различают три части потока рассеяния: пазовое зубцовое и лобовое.

Поток рассеяния обуславливает собой индуктивное сопротивление. Он

индуктирует ЭДС рассеяния. Посмотрим от чего зависит ЭДС рассеяния и реактивное

сопротивление. Определим поток рассеяния Ф

В основу определения потока Ф

положено понятие удельной магнитной проводимости

=2eW

Эта формула написана из расчета приведенной удельной магнитной проводимости. Под

которой понимается число магнитных силовых линий, пронизывающих катушку при

прохождении тока в ней в один ампер, при числе витков равном единице и отнесенной к

127

Рис. 260

Рис. 259

единице длины активной стороны. Ток i=I

sin(ωt) с другой стороны по закону

электромагнитной индукции можем написать:

dФ

ksk



если теперь сюда подставить поток Ф

и значение тока, то получим

= - W

d(2eW

sinwt) = -2eW

wImcoswt

где амплитуда ЭДС рассеяния E

=2eW

ωI

, действующее значение ЭДС рассеяния.

=4пf

I – выражение ЭДС для катушки, а для фазы:

=4пf

e(pq)W

I=X

I, E

=IX

– ЭДС рассеяния, а индуктивное сопротивление Х

равно:

=4пfepqW

– это выражение верно для любого типа обмоток, дело только

заключается в определении λ

, которая зависит от типа обмотки. В синхронных машинах

сопротивления обычно выражаются в относительных единицах.

фн

фнS

X 

, где

фн

Z 

Обычно X

=0.1 - 0.14.

5-3. Рабочий процесс синхронной машины

Наиболее важной величиной для синхронного генератора является напряжение. Оценка

генератора производится по изменению напряжения. Показателем изменения напряжения является

относительное изменение напряжения – это разность между напряжением машины при холостом

ходе и напряжением при нормальной нагрузке выраженная в процентах от U

%100

)U(U

н0







Устанавливается эта величина при постоянстве тока возбуждения и при постоянстве числа

оборотов. При автономной работе машины величина ΔU может достигнуть 30%- 50%.

Уменьшение напряжения обусловлено реакцией якоря и падением напряжения на реактивном

сопротивлении. Синхронные машины изучаются с применением векторных диаграмм, где

используются либо диаграммы ЭДС, либо диаграммы намагничивающих сил с учетом насыщения.

5-3-1. Основная диаграмма ЭДС явнополюсного синхронного генератора

При построении этой диаграммы используется метод двух реакций. Разлагают реакцию

якоря на поперечную и продольную и строят диаграмму. При холостом ходе существует поток Ф

При нагрузке появляется поток якоря Ф

. В результате взаимодействия Ф

и Ф

образуется

результирующий поток Ф

, и так, при нагрузке реально существует два потока, это

результирующий поток Ф

и поток рассеяния Ф

Для построения диаграммы предполагается, что в синхронной машине существуют

независимые потоки:

– основной поток возбуждения,

– поток поперечной реакции якоря,

– поток продольной реакции якоря,

– поток рассеяния.

Эти потоки в обмотке якоря будут индуцировать свои ЭДС, а сумма этих ЭДС дает на выходе

напряжение генератора. Каждая ЭДС будет отставать от своего потока на 90 эл. гр.

→ Ė

→ Ф

→ Ė

→ Ф

→ Ė

= -Ir

Исходя из этого, построим основную диаграмму ЭДС для явнополюсной синхронной машины,

рис 261.

128

Рис. 261

Поток Ф

наводит в обмотке якоря ЭДС Е

, поток Ф

наводит ЭДС Е

. где: Iq и Id – активная

и реактивная составляющие тока якоря. Используя эту диаграмму можно получить углы θ и φ, а

также Ur. Токи Iq и Id создают потоки Фad и Фaq которые создают в обмотке якоря ЭДС Ead и

Eaq. Сложив геометрически все эти ЭДС, получим на зажимах машины выходное напряжение

генератора Ur. Но в современной теории синхронных машин пользуются рядом параметров, для

обоснования которых основную диаграмму ЭДС необходимо преобразовать. Если ЭДС рассеяния

Es = IХs, то остальные ЭДС можно выразить аналогичным выражением.

5-3-2. Преобразованная диаграмма ЭДС явнополюсной синхронной машины

Преобразование будет сводиться к тому, что, разложив ЭДС рассеяния по осям, и прибавив

их к ЭДС Ead и Eaq, получим из 3 ЭДС две и попутно получим выражения индуктивных

сопротивлений синхронных машин.

CN=BM=Essinψ=IXssinψ

AB=Ead=IdXad=IXadsinψ

AM=CN+AB=IXssinψ+IXadsinψ=Isinψ(Xs+Xad)=IdXd=Ed,

Xd=Xs+Xad, где Xd – синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси. Xs –

индуктивное сопротивление рассеяния. Xad – индуктивное сопротивление реакции якоря по

продольной оси.

Далее: DN=Escosψ=IXscosψ

ВС=MN=Eaq=IqXaq=IcosψXaq

DM=DN+MN=IXscosψ+IcosψXaq=Icosψ(Xs+Xad)=IqXq=Eq,

Xq=Xs+Xaq, Xq – синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси. Xaq –

индуктивное сопротивление реакции якоря по поперечной оси, где IXaq=Eaq/cosψ

Индуктивные сопротивления Xd, Xq, Xs, Xad, Xaq обычно приводятся в относительных

единицах. Построим преобразованную диаграмму, рис. 262.

Рис. 262

Векторные диаграммы ЭДС неявнополюсных синхронных машин, рис. 263, рис. 264.

129

Рис. 263 Рис. 264

На рис. 263 представлена диаграмма ЭДС выраженная через вектора отдельных ЭДС, а на

рис. 264 диаграмма ЭДС выражена через падения напряжения. На этих диаграммах ток якоря I не

разлагается по осям.

5-4. Определение параметров синхронной машины по снятым

характеристикам

5-4-1. Определение ненасыщенного индуктивного сопротивления Xd

Для определения ненасыщенного Xd снимаются две характеристики:

а) Характеристика холостого хода E

=f(iв), I

=0, n=const

б) Характеристику короткого замыкания I

=f(iв), U=0 (трехфазное короткое замыкание).

Рис. 265 Рис. 266

Из рис. 266 видно, что сумма ЭДС Е

, Ead, Es равна нулю, тогда

=IkXs+IkXad=Ik(Xs+Xad)=IkXd, откуда Xd=E

/Ik

, ненасыщенное значение

10 kdHЕH

IEX





Обычно Xd берется в относительных единицах:

)/(

HkHHk

IIU









, где



- ненасыщенное значение ЭДС.

Обозначим отношение E

/Uн=С, а Iк

/Iн=ОКЗ

Из рисунка 265 видно, что отношение токов

Iк

/Iн = iв

/iвк = ОКЗ

ОКЗ выражает отношение тока возбуждения соответствующего номинальному напряжению

при холостом ходе, к току возбуждения соответствующего номинальному току статора при

трехфазном, коротком замыкании. Значение ОКЗ влияет на габариты машины и на ток короткого

замыкания. Если машина не насыщена, то Е

/Uн = 1, тогда ОКЗ = 1/Xd

Рис. 267 Рис. 268

Если машина имеет малый зазор (рис 267), то магнитная проводимость потоку якоря Фad будет

большая, а следовательно Xd будет большим. При изменении нагрузки будет сильное колебание

напряжения, и машина будет работать неустойчиво, но зато она экономична, т.к. диаметр статора

мал и расход стали, и меди будет наименьшим. Если машина имеет большой воздушный зазор δ,

рис. 268, то магнитная проводимость потоку якоря Фad будет мала и Xd будет малым. При

изменении нагрузки напряжение будет мало колебаться и машина будет устойчиво работать с

сетью. Но т.к. диаметр якоря большой , то машина получится не экономичной, т.е. большой расход

стали и меди статора (якоря). Кроме того ОКЗ характеризует значение установившегося тока

короткого замыкания: Iк.ном = ОКЗ*Iном, который возникает при номинальном токе возбуждения

генератора (соответствующем номинальному напряжению). В современных синхронных

явнополюсных машинах средней и большой мощности

130