Мухин В.И. Электротехника с основами электроники. Учебное пособие. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

181

nf60Р =

(8.14)

3) номинальное скольжение; 4) номинальный момент на валу; 5) крити-

ческий момент; 6) критическое скольжение; 7) пользуясь формулой (8.4),

определить значения моментов, соответствующие значениям скольже-

ния S; 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 8) определить пусковой мо-

мент при снижении напряжения сети на 10%; 9) построить механичес-

кую характеристику n=f(М).

Данные к задаче приведены в табл. 8.3.

Таблица 8.3

Данные к задаче Номер ва-

рианта

, кВт n

, об/мин

cos ϕ

η, %

1 1,1 2800 0,7 75 2,2

2 1,2 1450 0,75 76 2,0

3 1,5 1430 0,78 78 2,2

4 2,0 1460 0,8 82 2,0

5 2,2 950 0,85 83 1,8

6 2,4 1430 0,87 85 2,0

7 3,0 1450 0,9 90 1,9

8 2,8 1460 0,8 88 1,9

9 3,2 950 0,92 90 1,8

10 2,8 960 0,9 87 1,7

11 2,6 1450 0,89 88 2,0

12 2,5 1460 0,88 86 2,2

13 2,2 960 0,9 85 2,1

14 1,2 2850 0,78 85 2,5

15 1,8 2800 0,85 87 2,4

16 1,5 2750 0,82 90 2,0

17 1,6 2850 0,8 88 2,2

18 1,0 2900 0,78 89 2,4

19 3,2 950 0,9 92 1,8

20 3,5 960 0,9 90 1,7

8.2. Синхронные машины [4], [13]

8.2.1. Синхронный генератор трехфазного тока

В конструктивном исполнении синхронная машина сходна с

асинхронным двигателем, только вместо короткозамкнутого ротора внут-

ри статора вращается с постоянной скоростью электромагнит, питаемый

от внешнего источника постоянного тока или от выпрямителя собствен-

182

ного напряжения генератора, в котором начальное фазное напряжение

создается за счет остаточного постоянного намагничивания сердечника

электромагнита.

Схема генератора показана на рис. 8.8,а.

где К-К – контактные кольца, Щ1, Щ2 – меднографитовые щетки.

Рис.8.8(а,б)

При отсутствии нагрузки ЭДС, индуктируемая в обмотке стато-

ра, зависит от магнитного потока возбуждения Фв, а следовательно, от

тока возбуждения Iв, величину которого можно регулировать реостатом

Rв. Действующее значение ЭДС генератора определяется по формуле:

cnФ

KW,ФfWK,E

==⋅⋅⋅⋅=

444444

, (8.15)

где К – обмоточный коэффициент, равный 0,9 /0,95; W – число витков

одной фазы обмотки статора; С – постоянный коэффициент для данной

машины; Р – число пар полюсов.

На рис. 8.8,б представлена зависимость ЭДС генератора от тока

возбуждения E = F (Iв) при номинальных оборотах ротора n = n

. Эта

зависимость называется характеристикой холостого хода. По форме она

напоминает кривую намагничивания.

Роторы синхронных генераторов бывают с явно и неявно выра-

женными полюсами. В высокоскоростных генераторах полюса неявно

выражены и выполняются в виде цилиндра, собранными из тонких ли-

стов электротехнической стали, изолированных друг от друга. На по-

верхности ротора выштампованы пазы, в которые укладываются про-

водники обмотки возбуждения. В тихоходных генераторах как правило

применяются многополюсные роторы с ярко выраженными полюсами.

183

Если синхронный генератор не нагружен, то в обмотках статора

тока нет, а следовательно, нет магнитного потока.

При нагрузке генератора в обмотках статора пойдет ток и по-

явится магнитный поток. Воздействие магнитного потока статора на

магнитное поле ротора называется реакцией якоря (статор иногда

называют якорем).

Рис.8.9(а,б,в)

В зависимости от величины и характера нагрузки магнитное поле

реакции якоря проявляется по разному. Например, при активной нагруз-

ке ток статора почти совпадает по фазе с ЭДC генератора. Для этого

режима структура магнитного поля показана на рис.8.9,а, где Ф

- поле

реакции якоря; Ф

– основное поле электромагнита. Структура магнитного

поля формируется подобно тому, как это было в асинхронных двигателях.

В этом режиме поле реакции Ф

направлено по горизонтальной оси и при-

водит к усилению поля в левом верхнем и правом нижнем углу и, соответ-

ственно, к ослаблению поля в правом верхнем и левом нижнем.

При индуктивном характере нагрузки ток в фазе отстает на 90°

и приводит к ослаблению поля о всех частях пространства (рис. 8.9,б).

При емкостном харак-

тере нагрузки ток опережает

ЭДС на 90°, при этом будет

происходить усиление поля во

всех частях статора (рис.8.9,в).

В соответствии с изложенным,

в обмотке статора напряжение

будет нарастать с увеличением

тока нагрузки.

Внешние характерис-

тики для рассмотренных режи-

мов представлены на рис. 8.10.

Рис.8.10

184

Из рисунка следует, чтобы обеспечить неизменным напряжение

в сети при изменении нагрузки в синхронном генераторе необходимо

изменять ток возбуждения.

К основным параметрам, характеризующим синхронный гене-

ратор, относятся: номинальная полная мощность S

(кВА), номинальное

напряжение (кВ), номинальный ток I

(А) и номинальный коэффициент

мощности cosϕ

. Эти параметры определяют номинальную активную

мощность генератора:

].кВт[cosIUР

нннн

ϕ⋅⋅3

(8.16)

Важным параметром также является номинальный ток возбуж-

дения I

вн

Для большинства трехфазных генераторов отечественного про-

изводства номинальный коэффициент мощности равен 0,8.

8.2.2. Синхронный двигатель

Как известно, любая электрическая машина может работать в

качестве генератора или в качестве электродвигателя. Это свойство элек-

трических машин называется обратимостью.

Большинство синхронных двигателей изготавливаются на ско-

рости вращения 1500, 1000, 750 и 600 об/мин. У этих машин ротор

выполняется с явно выраженными полюсами. Трехфазная обмотка как

и у асинхронного двигателя подключается к трехфазной сети перемен-

ного тока. Внут-

ри статора созда-

ется вращающе-

еся магнитное

поле, которое ус-

танавливается

почти мгновен-

но. Но ротор, об-

ладая определен-

ным моментом

инерции, не смо-

жет сдвинуться с места, т.к. электромагнитный момент в течение одного

полупериода направлен в одну сторону, а в другой полупериод - в про-

тивоположную сторону. Чтобы использовать синхронный двигатель на

практике, создается режим так называемого асинхронного пуска. С этой

целью роторы синхронных двигателей, помимо обмотки возбуждения,

имеют пусковую короткозамкнутую обмотку. Стержни этой обмотки рас-

Рис.8.11

185

положены в пазах полюсных наконечников и соединены в торцах плас-

тинками. Пуск двигателя (рис. 8.11) происходит следующим образом:

обмотка возбуждения (ОВ) переключателем “П

” устанавливается в по-

ложение 1 и замыкается на сопротивлении r

. Далее переключателем П

подключают 3

-фазную сеть к статору. Возникшее вращающееся магнит-

ное поле будет индуктировать токи в стержнях ротора. Взаимодействие

этих токов с вращающимся магнитным полем приведет ротор в движе-

ние подобно тому, как это происходит в асинхронных двигателях. Когда

ротор достигнет установившейся скорости, близкой к синхронной

n≥0,95 n

, переключатель П

переводят в позицию 2, при этом на элект-

ромагнит будет подан ток от источника постоянного тока маломощного

генератора, находящегося на одном валу с двигателем, называемого воз-

будителем, или от выпрямителя, питаемого от сети, и ротор будет вра-

щаться с частотой вращающегося магнитного поля (войдет в синхронизм).

При всех допустимых значениях нагрузки ротор будет вращаться с по-

стоянной скоростью

. (8.17)

Механическая характеристика

синхронного двигателя представляет

собой прямую линию, параллельную

оси абсцисс (рис. 8.12).

Основные преимущества син-

хронного двигателя:

1. Стабильность оборотов при различ-

ных нагрузках;

2. Меньшая зависимость вращающего

момента от напряжения сети по срав-

нению с асинхронным двигателем.

3. Есть возможность использовать двигатель как компенсатор

реактивной мощности.

Недостаток:

1) Необходимо иметь два рода тока: постоянный и переменный.

2) Относительная сложность пуска.

3) Невозможность регулировать скорость.

4) Выпадение из синхронизма при перезагрузке двигателя.

Синхронные двигатели используются в мощных насосах, комп-

рессорах, а также в прокатных станах, магнитофонах и т.д.

Рис.8.12

186

8.3. Машины постоянного тока [4], [11], [13]

8.3.1. Общие сведения

В современной энергетике преимущественно используется пе-

ременный ток, но достаточно широко используется и постоянный ток.

При решении многих практических задач, постоянный ток яв-

ляется незаменимым. Так, например, двигатели постоянного тока позво-

ляют осуществлять плавное регулирование скорости вращения в широ-

ких пределах, создавая при этом большой пусковой момент. Это свой-

ство двигателя постоянного тока делает их незаменимыми в качестве

тяговых двигателей для городского и железнодорожного транспорта

(трамвай, троллейбус, метро, электровоз). Двигатели постоянного тока

широко используются в металлорежущих станках, прокатных станах,

подъемно-транспортных машинах, эскалаторах.

Постоянный ток от генераторов используются для питания элек-

тролитических ванн, электромагнитов, для зарядки аккумуляторов и т.д.

8.3.2. Генераторы постоянного тока

Принцип действия генератора по-

стоянного тока основан на возникновении

ЭДС в рамке, находящейся в магнитном

поле (рис.8.13).

Чтобы ток во внешней цепи имел

только одно постоянное направление, при-

меняют коллектор – два полукольца, соеди-

ненные с концами рамки, которую соеди-

няют с внешней цепью через вращающий-

ся коллек-

тор и неподвижные щетки. При нали-

чии двух взаимно перпендикулярных

рамок, подключенных к секторам кол-

лектора, получим форму тока, изобра-

женную на рис.8.14. Направление тока

в рамке определяется по правилу пра-

вой руки. Благодаря наличию коллекто-

ра со щеток снимается пульсирующий

ток. Устройство машины постоянного

тока показано на рис.8.15.

Рис.8.13

Рис.8.14(а, б, в)

а)

б)

в)

187

Рис.8.15

При вращении рамки (якоря) создается ЭДC, определяемая фор-

мулой:

cnФ

V,B

sinVLBK =













∧

⋅⋅⋅=l

, (8.18)

где: К – конструктивный параметр;

– вектор индукция магнитного поля;

L – длина активной стороны рамки;

– вектор линейной скорости движения якоря.

В машине постоянного тока также, как и в синхронном генерато-

ре, при прохождении тока через якорь имеет место явление реакции якоря.

Кроме того, в машине постоянного тока происходит непрерыв-

ное переключение щеток с одной пластины коллектора на другую. Этот

процесс в реальных машинах сопровождается искрообразованием. Для

устранения реакции якоря в статоре устанавливаются дополнительные

полюса (электромагниты), в которых обмотки включаются последова-

тельно с якорем и нагрузкой. Магнитные поля их будут направлены

встречно потоку реакции якоря, что приводит к его уничтожению.

Генераторы постоянно тока различают по способу возбужде-

ния: независимого, параллельного последовательного и смешанно-

го возбуждения.

Генератор независимого возбуждения имеет обмотку возбуж-

дения (ОВ) для создания магнитного поля, подключаемую к посторон-

нему источнику постоянного тока через регулировочный реостат R

(рис.8.16, а). Внешняя характеристика генератора независимого возбуж-

дения U = F(I

) приведена на рис. 8.17 (1)

Неподвижная часть

машины – станина.

Подвижная часть машины –

якорь.

188

Рис. 8.16

Генератор параллельного возбуждения является генератором

с самовозбуждением. Его обмотку возбуждения подключают через регу-

лировочный реостат к зажимам якоря (рис. 8.16,б). Такое включение при-

водит к тому, что при увеличении тока нагрузки I

напряжение на нагруз-

ке уменьшается из-за падения напряжения на обмотке якоря.

= Е – I

⋅r

, (8.19)

где I

= I

+ I

. (8.20)

Это в свою очередь вызывает уменьшение тока возбуждения и

ЭДС в якоре. Поэтому напряжение на зажимах уменьшается быстрее,

чем у генератора с независимым возбуждением. Дальнейшее увеличение

нагрузки приводит к сильному уменьшению тока возбуждения.

При коротком замыкании нагрузки напряжение генератора умень-

шается почти до нуля (небольшой

ток короткого замыкания Iк обуслов-

лен лишь достаточной индукцией в

машине). Поэтому считают, что ге-

нератор параллельного возбуждения

не боится коротких замыканий. Вне-

шняя характеристика такого генера-

тора приведена на рис.8.17 (2).

Генератор последователь-

ного возбуждения имеет обмотку

возбуждения, включаемую последо-

вательно с якорем. При токе I

= 0 ЭДС в якоре индуцируется за счет

остаточного намагничивания сердечника (кривая рис. 8.17 (3)). С ростом

нагрузки напряжение сначала растет, а после достижения магнитного на-

Рис.8.17

189

сыщения - начинает быстро уменьшаться из-за падения напряжения на

якоре и размагничивающего действия потока реакции якоря.

Из-за непостоянства напряжения генератора в таком виде их не

применяют, но свойство увеличения магнитного потока с увеличением тока

нагрузки используется в генераторах со смешанным возбуждением.

Генератор смешанного возбужде-

ния имеет две обмотки: ОВ

, включаемую па-

раллельно якорю, и обмотку ОВ

, включаемую

последовательно с нагрузкой (рис. 8.18). Обыч-

но на клеммах, к которым подключены обмот-

ки, есть обозначения: + Ш, -Ш; +С,-С.

Обмотки включают так, чтобы их маг-

нитные потоки складывались. Регулировкой

реостатами можно добиться, чтобы напряже-

ние генератора оставалось постоянным при

изменении нагрузки. Регулировку токов в обмот-

ках возбуждения выполняют реостатами R

в1

, R

в2

Замечание: при эксплуатации элект-

рических машин следует избегать механичес-

ких воздействий на ее корпус, т.к. это может привести к уничтожению

остаточного намагничивания в сердечнике обмотки возбуждения и гене-

ратор престанет возбуждаться. Для возбуждения генератора в таких слу-

чаях через предохранитель (примерно на 5А), при правильном направ-

лении вращения, на якорь, подают напряжение, например, от 12-вольто-

вого аккумулятора с учетом соблюдения полярности. Если генератор воз-

будится, то его номинальное напряжение может быть значительно боль-

ше 12 В, и пойдет большой зарядный ток через аккумулятор. При наличии

предохранителя, последний сгорит и аккумулятор будет в сохранности.

Если эту процедуру выполнять без предохранителя, то может

пойти зарядный ток, значительно превышающий его номинальное зна-

чение. Это может привести к разрушению активных пластин и вывести

аккумулятор из строя.

После отключения постороннего источника питания машина

вновь будет обладать остаточным намагничиванием и самовозбуждение

генератора окажется возможным.

При использовании машины в качестве генератора, первичный

двигатель на валу развивает механическую мощность, которая обеспе-

Рис.8.18

190

чивает отдачу генератором полезной мощности Р во внешнюю цепь и

расходуется на потери в генераторе.

мехмвямех

РРРРРРРР ∆+∆+∆+∆+=∆+=

∑

, (8.21)

здесь Р = U⋅I

нагр.

– полезная электрическая мощность, отдаваемая генера-

тором;

∆Р

- потери мощности в обмотке якоря;

∆Р

- потери мощности в цепи возбуждения;

∆Р

- магнитные потери в стали вращающегося якоря;

∆Р

мех

- механические потери на трение в подшипниках и вен-

тиляционные потери.

На рис. 8.19 приведена энергетичес-

кая диаграмма генератора постоян-

ного тока.

Здесь Р

эм

– электромагнитная мощ-

ность.

Коэффициент полезного действия

генератора определяется соотноше-

нием:

РР

мех

∑

∆+

==η

(8.22)

Пример: генератор с параллельным возбуждением имеет сле-

дующие данные: Р

= 8 кВт; U

= 230 В; n

= 2000 об/мин; сопротивление

цепи якоря (включая обмотки дополнительных полюсов) r

=0,4 Ом. Со-

противление цепи обмоток возбуждения r

= 115 Ом. Магнитные и меха-

нические потери оставляют 4,33 % от номинальной мощности генера-

тора. Определить для номинального режима токи в якоре, ток в обмотке

возбуждения, ЭДС и КПД генератора.

Решение:

Ток нагрузки:

А 78

230

1018

⋅

== ; (8.23)

Ток возбуждения:

А 2

115

230

===

; (8.24)

Номинальный ток якоря:

А 80278III

внян

=+=+= ; (8.25)

ЭДС генератора:

В2624,080230rIUЕ

яянн

=⋅+=⋅+=

; (8.26)

Потери мощности в цепи якоря:

Рис.8.19