Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

массы охлаждающего агента и с охлаждением его в предназначен-

ных для этой цели охладителях.

При непосредственном охлаждении обмоток перепады темпера-

туры в изоляции исключаются и можно резко увеличить плотность

тока.

При водяном охлаждении мощность машины ограничивается

в основном уже не условиями нагрева, а другими техническими

и экономическими показателями.

Расход охлаждающей среды (м

), необходимый для отвода тепла

из машины, равен

где р — отводимые потери, вт; с — удельная объемная теплоем-

кость охлаждающей среды, дж/(град-м

); ©„ = — д

— пре-

вышение температуры выходящей из машины нагретой охлаждаю-

щей среды д

над температурой поступающей в машину охлаждаю-

щей среды

С.

Для воздуха с = 1100 дж/(град

•

). Величина ©

в зависимости

от системы вентиляции, конструкции машины и ее мощности изме-

няется в пределах 12—30° С. Таким образом, на 1 квт потерь

необходимое количество воздуха

V = цоо.'^зо) = 0,03ч-0,075 мз/сек

или 110 -f- 270 м

1ч.

Для водорода при атмосферном давлении также с =

= 1100 дж/(град •м

), и поэтому объемный расход водорода такой

же, как и в случае воздушного охлаждения. Удельная объемная

теплоемкость водорода изменяется пропорционально давлению, и

поэтому при повышенном давлении водорода его объемный расход

соответственно уменьшается. Однако весовой расход водорода не

зависит от давления и будет в 14,4 раза меньше весового расхода

воздуха.

Для воды с = 3500 -1100 дж/(град -ж

), а для трансформаторного

масла с = 1400-1100 дж/(град -м ). Соответственно при прочих рав-

ных условиях объемный расход воды в 3500 раз меньше, чем воз-

ДУха. Это позволяет уменьшить скорости течения воды и сечения

каналов.

Более подробно способы охлаждения электрических машин и

вопросы их расчета рассматриваются в курсах проектирования

конструкции электрических машин [17—23],

Глава девятая

ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

§ 9-1. Общие сведения о генераторах постоянного тока

Хотя в промышленности применяется главным образом пере-

менный ток, генераторы постоянного тока широко используются

в различных промышленных, транспортных и других установках

(для питания электроприводов с широким регулированием скорости

вращения, в электролизной промышленности, на судах, теплово-

зах и т. д.)- В этих случаях генераторы постоянного тока

обычно приводятся во вращение электродвигателями перемен-

ного тока, паровыми турбинами или двигателями внутреннего

сгорания.

Классификация генераторов постоянного тока по способу воз-

буждения.

Различаются генераторы независимого возбуждения и гене-

раторы с самовозбуждением.

Генераторы независимого возбуждения делятся на генераторы

с электромагнитным возбуждением (рис. 9-1, а), в которых обмотка

возбуждения ОВ питается постоянным током от постороннего ис-

точника (аккумуляторная батарея, вспомогательный генератор

или возбудитель постоянного тока, выпрямитель переменного тока),

и на магнитоэлектрические генераторы с полюсами в виде постоян-

ных магнитов. Генераторы последнего типа изготовляются только

на малые мощности. В данной главе рассматриваются генераторы

с электромагнитным возбуждением.

В генераторах с самовозбуждением обмотки возбуждения пи-

таются электрической энергией, вырабатываемой в самом генера-

торе.

Во всех генераторах с электромагнитным возбуждением на

возбуждение расходуется 0,3—5% номинальной мощности ма-

шины. Первая цифра относится к самым мощным машинам, а вто-

рая — к машинам мощностью около 1 кет.

Генераторы с самовозбуждением в зависимости от способа

включения обмоток возбуждения делятся на 1) генераторы парал-

лельного возбуждения, или шунтовые (рис. 9-1, б), 2) генераторы

последовательного возбуждения, или сериесные (рис. 9-1, в), и

3) генераторы смешанного возбуждения, или компаундные

(рис. 9-1, г).

Генераторы смешанного возбуждения имеют две обмотки воз-

буждения, расположенные на общих главных полюсах: параллель-

ную и последовательную. Если эти обмотки создают н. с. одина-

кового направления, то их включение называется согласным;

в противном случае соединение обмоток возбуждения называется

встречным. Обычно применяется согласное включение обмоток

возбуждения, причем основная часть н. с. возбуждения (65—80%)

создается параллельной обмоткой возбуждения.

Рис. 9-1. Схемы генераторов и двигателей независимого (а), парал-

лельного (б), последовательного (в) и смешанного (г) возбуждения

(сплошные стрелки — направления токов в режиме генератора, штри-

ховые стрелки — в режиме двигателя)

На рис. 9-1, г конец параллельной обмотки возбуждения (от

реостата возбуждения) приключен за последовательной обмоткой

возбуждения («длинный шунт»), однако этот конец может быть

присоединен и непосредственно к якорю («короткий шунт»). Суще-

ственной разницы в этих вариантах соединения нет, так как паде-

ние напряжения в последовательной обмотке составляет только

0,2—1,0% от U

и ток i

мал. Обычно применяется соединение,

изображенное на рис. 9-1, г.

В генераторе параллельного возбуждения ток возбуждения

составляет 1—5% от номинального тока якоря /

он

или тока на-

грузки /

= /

он

— i

. В генераторах последовательного возбужде-

ния эти токи равны друг другу; i„ = /

= / и падение напряжения

1 Г

1 г

на обмотке возбуждения при номинальной нагрузке составляет

1—5% от U„. Обмотки возбуждения у генераторов параллельного

возбуждения имеют большое число витков малого сечения, а у ге-

нераторов последовательного возбуждения — относительно малое

количество витков большого сечения.

В цепях обмоток параллельного возбуждения, а часто также

в цепи обмотки независимого возбуждения для регулирования тока

возбуждения включают реостаты R

p а

(рис. 9-1, а, б и г).

Крупные машины постоянного тока работают с независимым

возбуждением. Машины малой и средней мощности большей частью

имеют параллельное или смешанное возбуждение. Машины с по-

следовательным возбуждением ме-

нее распространены.

Энергетическая диаграмма гене-

ратора независимого возбуждения

представлена на рис. 9-2. Получае-

мая от первичного двигателя меха-

ническая мощность Р

за вычетом

потерь механических р

ях

, магнит-

ных р

мг

и добавочных р

преобра-

зуется в якоре в электромагнитную

мощность Р

Эя

. Мощность Р

Эм

ча-

стично тратится на электрические

потери р

зл№

в цепи якоря (в обмот-

ках якоря, добавочных полюсов и

в компенсационной и в переходном

сопротивлении щеточного контак-

та), а остальная часть этой мощности представляет собой полез-

ную мощность Р

. отдаваемую потребителям. Потери на возбуж-

дение р

в генераторе независимого возбуждения покрываются

за счет постороннего источника тока.

На основании изложенного для генератора независимого воз-

буждения имеем уравнение мощностей

Pi = Pl- р

мх

- Р

мг

- Рд -

Рьла

= P

« -

лО-

(9-1)

Можно напасать также следующее уравнение мощностей:

PI = P* + P« + PA + P«.- (9-2)

Аналогичные энергетические диаграммы можно построить и для

других типов генераторов.

Уравнение вращающих моментов. Если все члены уравнения

(9-2) разделить на угловую скорость вращения

ма генератора независимого воз-

буждения

Q = 2я п,

Гл. 9] Генераторы

175

то получим уравнение вращающих моментов для установившегося

режима работы:

Здесь

Рх/£1

(9-3)

(9-4)

представляет собой приложенный к валу момент вращения первич-

ного двигателя,

(9-5)

— электромагнитный момент, развиваемый якорем, и

(9-6)

— вращающий момент, соответствующий потерям на трение (А4

тр

)

и магнитным добавочным потерям СЛ4

), которые покрываются

за счет механической мощности.

В неустановившемся режиме, когда скорость вращения изме-

няется, возникает также так называемый динамический момент

вращения

Мднн

—

(9-7)

где J — момент инерции вращающихся частей генератора. Дина-

мический момент соответствует изменению кинетической энергии

вращающихся масс. При увеличении скорости вращения момент

^дин > 0 и, как и момент М

+ Л4

„, является тормозящим. В дан-

ном случае кинетическая энергия вращающихся масс увеличи-

вается за счет работы первичного двигателя. Если момент М

лш

< О,

он действует в направлении вращения и является движущим, под-

держивая вращение за счет уменьшения кинетической энергии вра-

щающихся масс.

Таким образом, в общем случае, при п Ф const,

=м

+м

9М

+м

(9-8)

Момент

ст

= Жо + М

эм

, (9-9)

соответствует статическим силам, называют статическим моментом.

Поэтому можно также написать

= М„ + М

тл

. (9-10)

Уравнение напряжения U на зажимах генератора имеет вид

U = E

-I

-2AU

, (9-11)

где

= с

я (9-12)

представляет собой э. д. с. якоря, г

— сопротивление всех после-

довательно соединенных обмоток цепи якоря, а 2АЦ

— падение

напряжения в контактном слое щеток обеих полярностей.

Обычно для упрощения вычислений вводят постоянное сопро-

тивление щеточных контактов

= (9-13)

и вместо выражения (9-11) пользуются уравнением

(9-14)

где

Яа = г

+ 1?

(9-15)

— полное сопротивление якоря.

Вследствие непостоянства переходного сопротивления щеток

уравнение (9-14) является несколько приближенным, но погреш-

ность незначительна. Для угольных и графитных щеток берется

2ДU

— 2в и для металлографитных щеток 2А(У

= 0,6

е.

В ре-

жиме генератора всегда U < Е

Установка щеток на нейтраль. Обычно щетки устанавливаются

по геометрической нейтрали, и ниже при рассмотрении ратботы

генераторов и двигателей имеется в виду именно этот случай, если

не оговорено другое положение щеток.

Установка щеток на нейтраль производится индуктивным спосо-

бом — путем включения и выключения постоянного тока в обмотке

возбуждения неподвижной машины и наблюдения за показа-

ниями вольтметра или гальванометра, присоединенного к щет-

кам. Щеточная траверса устанавливаемая и закрепляется в поло-

жении, при котором показание прибора при выключении тока

равно нулю или минимально. Лучше иметь прибор с нулем посре-

U = E

-I

—

4" Rin

дине шкалы. Ток- в обмотке возбуждения не должен превышать

примерно 10% от номинального во избежание индуктирования

больших э. д. с. самоиндукции, способных повредить изоляцию

обмотки возбуждения.

Можно также установить щетки в таком положении, когда при

лолостом ходе у генератора напряжение максимально или у дви-

гателя скорость вращения минимальна. Однако этот способ яв-

ляется более грубым.

§ 9-2. Система относительных единиц

В теории электрических машин, а также в других областях

электротехники широко пользуются системой относительных еди-

ниц, в которой напряжения, токи, мощности и другие величины

выражаются в долях некоторых базисных значений этих величин.

В качестве базисных значений в теории электрических машин

берут номинальные значения тока, напряжения и т. д. <для мно--

гофазных машин переменного тока — фазные значения).

Относительные величины в отличие от абсолютных величин,

измеряемых в физических единицах (например, в единицах системы

СИ), будем обозначать звездочкой. Тогда относительные значения

тока

/* = ///„

и напряжения

Относительное значение мощности

* р —т; i —

Относительные скорости вращения

ii 2пп п

ИГ

"*'

и относительный момент вращения машины постоянного тока

* ~ М

~ Р

•

В качестве базисного, или номинального, значения электриче-

ского сопротивления возьмем

= UJI

которое для генератора равно сопротивлению нагрузки (потре-

бителя) при номинальном режиме работы генератора. Тогда отно-

сительное значение сопротивления г будет

Таким образом, относительное значение сопротивления г пред-

ставляет собой падение напряжения в данном сопротивлении при

номинальном токе, отнесенное к номинальному напряжению, или,-

иными словами, относительное падение напряжения при номи-

нальном токе.

Нетрудно видеть, что законы Ома, Кирхгофа и другие в их мате-

матической форме, а также уравнения напряжений, моментов и

других величин можно выражать и записывать также в относитель-

ных единицах. Например, в уравнениях предыдущего параграфа

(9-3), (9-8), (9-14) и т. д. достаточно обозначить все величины до-

полнительно звездочками.

Относительные единицы позволяют лучше судить о значении

тех или иных величин. Если, например, сообщается, что нагрузка

генератора составляет Р = 15 кет, то ничего нельзя сказать о том,

велика или мала эта нагрузка для данного генератора. Если, напри-

мер, Р

= 10 кет, то машина сильно перегружена, а если Р

= 10

ООО

кет, то нагрузка ничтожна. В то же время относительное

значение мощности (Р^ — 1,5 для первой машины и Р, = 0,0015

для второй) вполне конкретно характеризует величину нагрузки.

Аналогичным образом обстоит дело со значениями сопротивле-

ний различных цепей электрических машин, которые в зависимости

от номинальных данных машин изменяются в весьма широких пре-

делах, если выражать их в физических, или абсолютных, единицах.

Например, сопротивление цепи якоря R

в малых машинах посто-

янного тока составляет десятки омов, а в крупных — тысячные

доли ома. В то же время в относительных единицах это сопротив-

ление изменяется в небольших пределах: R

= 0,02 0,10 (первая

цифра относится к машинам мощностью в тысячи киловатт, а вто-

рая — мощностью в несколько киловатт). Это вполне естественно,

так как все машины постоянного тока проектируются так, .чтобы па-

дение напряжения и потери в цепи якоря были относительно малы.

§ 9-3. Генераторы независимого возбуждения

Свойства генераторов анализируются с помощью характери-

стик, которые устанавливают зависимости между основными

величинами, определяющими работу генераторов. Такими ос-

новными величинами являются: 1) напряжение на зажимах U,

2) ток возбуждения i

, 3) ток якоря 1

или ток нагрузки /, 4) ско-

рость вращения п.

Обычно генераторы работают при п = const. Поэтому основные

характеристики генераторов определяются при п = п

= const.

Существует пять основных характеристик генераторов:

1) холостого хода, 2) короткого замыкания, 3) внешняя, 4) ре-

гулировочная, 5) нагрузочная.

Все характеристики могут быть

определены как эксперименталь-

ным, так и расчетным путем.

Рассмотрим основные характе-

ристики генератора независимого

возбуждения.

Характеристика холостого хода

(Х. X. X.) U = / (L

) при / = О И

п = const определяет зависимость

напряжения U или э. д. с. якоря

от тока возбуждения при хо-

лостом ходе (/ = О, Р

— 0). Ха-

рактеристика снимается экспери-

ментально по схеме рис. 9-1, а

при отключенном рубильнике.

Снятие характеристики целесообразно начать с максимального

значения тока возбуждения и максимального напряжения (U =

=- (1,15 1,25) U

, точка а кривой на рис. 9-3). При уменьшении

напряжение уменьшается по нисходящей ветви аб характеристики

сначала медленно ввиду насыщения магнитной цепи, а затем быстрее.

При t'

= 0 генератор развивает некоторое напряжение U

= Об

(рис. 9-3), обычно равное 2—3% от U„, вследствие остаточной

намагниченности полюсов и ярма индуктора. Если затем изменить

полярность возбуждения и увеличить i

в обратном направлении,

начиная с i

= 0, то при некотором £

<0 напряжение упадет до

нуля (точка в, рис. 9-3), а затем U изменит знак и будет возрастать

по абсолютной величине по ветви вг х. х. х. Когда ток i

и напря-

жение U достигнут в точке г такого же абсолютного значения, как

и в точке а, ток £„ уменьшаем до нуля (точка д), меняем его поляр-

ность и снова увеличиваем, начиная с i

= 0. При этом U меняется

по ветви два х. х. х. В итоге вернемся в точку а характеристики.

X. х. х. имеет вид неширокой гистерезисной петли вследствие яв-

ления гистерезиса в магнитной цепи индуктора.

При снятии х. х. х. ток i

необходимо менять только в напра-

влении, указанном на рис. 9-3 стрелками, так как в противном

Рис. 9-3. Характеристика холостого

хода генератора независимого воз-

буждения

случае точки не будут ложиться на данную гистерезисную петлю,

а будут рассеиваться.

Средняя штриховая х. х. х. на рис. 9-3 представляет собой

расчетную х. х. х., которая в определенном масштабе повто-

ряет магнитную характеристику генератора, и по н,ей можно

определить коэффициент насыщения машины /г„ (см. § 2-5 и

рис. 2-11).

Характеристика холостого хода позволяет судить о насыщении

магнитной цепи машины при номинальном напряжении, проверять

соответствие расчетных данных экспериментальным и составляет

основу для исследования эксплуатационных

свойств машины (см. ниже в данном пара-

графе).

Характеристика короткого замыкания

(х. к. з.) / = / (i'

) при U = 0 и п = const

снимается при замыкании выходных зажимов

цепи якоря генератора накоротко. Так как

U=0, то, согласно выражению (9-14),

= IaRa,

поскольку R

мало, то в усло-

виях опыта э. д. с. Е

также должна быть

мала. Поэтому необходимо проявлять осто-

рожность и начинать снятие х. к. з. с мини-

мальных значений £

, чтобы ток якоря не по-

лучил недопустимо большого значения. Обыч-

но снимают х. к. з. до / = (1,25 ч- 1,5) /

Так как при снятии х. к. з. электродвижущая сила мала и поэтому

поток мал и машина не насыщена, то зависимость / = / (t

) практи-

чески прямолинейна (рис. 9-4). При i

из-за наличия остаточного

магнитного потока ток / 0 и в крупных машинах близок к но-

минальному току или даже больше его. Поэтому перед снятием

х. к. з. такую машину целесообразно размагнитить, питая на холо-

стом ходу обмотку возбуждения таким током возбуждения обратного

направления, при котором будет U = 0. В размагниченной машине

х. к. з. начинается с нуля (штриховая линия на рис. 9-4). Если

х. к. з. снята без предварительного размагничивания машины

(сплошная линия на рис. 9-4), то ее также целесообразно перенести

параллельно самой себе в начало координат (штриховая линия на

рис. 9-4).

Характеристический (реактивный) треугольник определяет ве-

личину реакции якоря и падения напряжения в цепи якоря. Он

строится для нахождения величины реакции якоря по экспери-

ментальным данным и используется также для построения некото-

рых характеристик машины, если они не могут быть сняты экспе-

риментально. Характеристический треугольник можно построить

по экспериментальным данным с помощью х. х. х. и любой другой

Рис. 9-4. Характери-

стика короткого замы-

кания генератора не-

зависимого возбужде-

ния