Зайцев А.П. Общая электротехника и электроника. Учебное пособие: Часть II

Подождите немного. Документ загружается.

В генераторном режиме работы синхронной машины трехфазное на-

пряжение снимается с выходных зажимов статорной обмотки, а в двига-

тельном режиме работы статорная обмотка подключается к источнику

трехфазного напряжения, вследствие чего возникает вращающееся маг-

нитное поле.

В двигательном режиме необходимо каким-либо образом разогнать ро-

тор до частоты вращения, близкой к частоте вращения вращающегося маг-

нитного поля, после чего двигатель втягивается в синхронизм и за счет

взаимодействия магнитных потоков ротора и статора возникает момент

эм

Очевидно, что магнитный поток статора и ротор должны вращаться

синхронно, иначе будет возникать знакопеременный момент и двигатель

выпадет из синхронизма. Разгон двигателя до подсинхронной частоты

вращения в современных конструкциях осуществляется за счет дополни-

тельной пусковой короткозамкнутой обмотки, размещенной на роторе и

позволяющей осуществить асинхронный пуск. На синхронной частоте

вращения короткозамкнутая обмотка на работу двигателя влияния не ока-

зывает, так как она оказывается неподвижной относительно вращающегося

магнитного потока статора. Стержни пусковой обмотки располагаются в

пазах полюсных наконечников и соединяются на торцах токопроводящими

пластинами.

Явнополюсный ротор содержит сосредоточенную обмотку, а полюсные

наконечники имеют такую форму, чтобы распределение индукции в

воздушном зазоре было синусоидальным (рис. 6.12).

Рис. 6.12

Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре в синхронной

машине, имеющей ротор с неявновыраженными полюсами, достигается за

счет равномерного распределения обмотки по окружности ротора.

6.2.2 Генераторный режим синхронных машин

На рис. 6.13 приведена схема включения синхронного генератора. Ротор

генератора приводится во вращение от двигателя любого типа с частотой

вращения n. В цепь трехфазной обмотки якоря ОЯ включена трехфазная

нагрузка с параметрами фазы

ннн

z,x,r . В цепь обмотки возбуждения ОВ

включено регулировочное сопротивление

рег

r , при помощи которого регу-

лируется ток

i , и следовательно, ЭДС фазных обмоток

E . Фазные об-

мотки имеют параметры

x,r .

Магнитная индукция вдоль внутренней поверхности статора распреде-

лена по синусоидальному закону:

sinBB

. При равномерном враще-

нии ротора

, а магнитная индукция

tsinBsinBB

. ЭДС

фазы статора будет также изменяться по синусоидальному закону:

).tsin(E

dФ

−=−=

Частота f ЭДС определяется числом пар полюсов ротора р и скоростью

его вращения.

Рис. 6.13

При увеличении числа пар полюсов пропорционально увеличивается

частота:

;

Действующее значение ЭДС фазы определяется формулой, аналогичной

для асинхронного двигателя и трансформатора:

,wФfk,E

444

вр

M,n

−

ОВ

рег

x,r

ннн

z,x,r

где w – число витков обмотки фазы статора, k – обмоточный коэффициент.

Очевидно, что nФcE

e 00

= , если принять .

kpw,

444

= Так как частота

вращения ротора должна быть постоянной, то ЭДС фазы можно регулиро-

вать только изменением потока

Ф , воздействуя на ток возбуждения.

Токи трехфазной статорной обмотки создают свое магнитное поле,

которое вращается в ту же сторону, что и магнитное поле ротора.

Вращение магнитных полей синхронно, что и послужило основанием для

названия синхронных машин.

Взаимодействие магнитных полей ротора и статора создает электромаг-

нитный момент

вр

M , препятствующий вращению ротора.

Поскольку магнитные поля ротора и статора действуют в одной маг-

нитной цепи, то они влияют друг на друга. Влияние поля статора на поле

ротора называют реакцией якоря.

МДС обмотки возбуждения создает основной поток возбуждения

Ф ,

который индуктирует в каждой фазе обмотки якоря ЭДС

E . Под дейст-

вием тока якоря I на активном сопротивлении фазы возникает падение на-

пряжения Ir. При работе синхронной машины как в генераторном, так и в

двигательном режимах обмотка якоря создает поток рассеяния

Ф , с кото-

рым связано появление ЭДС самоиндукции

E . Ее можно заменить паде-

нием напряжения ,xIE

= где

L – индуктивное сопротив-

ление и индуктивность, связанные с потоком рассеяния.

Явление реакции якоря можно учесть введением ЭДС

IxE = , где

= , а

L – индуктивность, связанная с полем реакции якоря. ЭДС

E и

E могут быть представлены одной суммарной эквивалентной ЭДС

.Ix)xx(IEEE

cяpяpя

+=+=

Сопротивление

x называют синхрон-

ным сопротивлением. При переменной нагрузке генератора

считают по-

стоянным.

Анализ свойств синхронного генератора будем проводить в предполо-

жении, что его ротор имеет неявновыраженные полюсы и насыщение маг-

нитопровода отсутствует. Для упрощения анализа будем считать, что

ЭДС

E соответствует определенный вращающийся поток

Ф . Допустим

также, что активное сопротивление фазы r = 0 (см. рис. 6.13).

С учетом приведенных выше допущений якорной цепи схемы рис. 6.13

соответствует уравнение

.UIjxE

&&&

(6.25)

При подстановке в (6.25) значения фазного напряжения на выводах ге-

нератора и нагрузки IjxIrZIU

ннн

&&&&

+== получим:

,I)xx(jrIE

нcн

&&&

++=

(6.26)

откуда:

)xx(jr

нcн

(6.27)

Угол фазового сдвига между током

I и напряжением U определяется вы-

ражением

arctg=

, а угол фазового сдвига между током I и ЭДС

соответствует выражению

arctg

нc

Электромагнитная мощность генератора

эм

Р и электромагнитная мощ-

ность

, отдаваемая генератором в нагрузку, определяются выражениями:

;cosIEP

эм

3= (6.28)

.cosUIP

3= (6.29)

Электромагнитная мощность генератора

эм

Р отличается от электро-

магнитной мощности в нагрузке

Р на величину потерь мощности в ак-

тивном сопротивлении обмотки якоря

.rIP

∆

На рис. 6.14 показана векторная диаграмма синхронного генератора для

случая активно-индуктивной нагрузки.

Рис. 6.14

Ijx

Построение векторной диаграммы целесообразно начать с расположе-

ния вектора ЭДС

. Под углом

, отложенным в отрицательном направ-

лении к вектору

располагается вектор тока .

Под углом

, отло-

женным в положительном направлении от вектора тока

располагается

вектор напряжения

Под прямым углом к вектору тока

из конца векто-

ра

откладывается вектор индуктивного падения напряжения .Ijx

По

отношению к вектору тока

вектор Ijx

будет опережающим. Сумма

векторов

и Ijx

должна быть равна вектору ЭДС

Так как постоянные по значению вращающиеся в пространстве магнит-

ные потоки могут быть представлены пульсирующими магнитными пото-

ками, изменяющимися во времени по синусоидальному закону, то на век-

торной диаграмме можно расположить вектор потока

, который опере-

жает

на угол 2/

, и совпадающий по фазе с током

вектор потока

. Результирующий поток

ФФФ

&&&

+= индуктирует эквивалентную

ЭДС

.EEUE

&&&&

+== Как видно на диаграмме, все ЭДС отстают от со-

ответствующих потоков на угол 2

ЭДС

E имеет фазовый сдвиг на угол

по отношению к напряжению

U. На такой же угол сдвинуты потоки

Ф и Ф.

На рис. 6.15 показана векторная диаграмма генератора для случая ак-

тивно-емкостной нагрузки.

Рис. 6.15

Ijx

Векторные диаграммы наглядно демонстрируют влияние нагрузки на

изменение напряжения синхронного генератора.

6.2.3 Двигательный режим синхронных машин

На рис. 6.16 показана простейшая схема трехфазного синхронного дви-

гателя. К обмотке статора подведено трехфазное переменное напряжение,

к обмотке возбуждения – постоянное напряжение.

Пусть двигатель находится в рабочем

режиме, т.е. его ротор вращается с часто-

той

n магнитного поля статора. При

анализе его работы примем те же допу-

щения, что и для синхронного генерато-

ра. Для указанных на рис. 6.16 положи-

тельных направлений по второму прави-

лу Кирхгофа составим уравнение

,IjxEU

&&&

(6.30)

откуда определим ток якоря

−

(6.31)

Выражение (6.31) показывает, что ток

I при заданном напряжении определяется

как значением ЭДС

E , так и углом

сдвига фаз между

E и U.

На рис. 6.17 показана векторная диа-

грамма двигателя при определенных зна-

чениях механической нагрузки и тока возбуждения.

Рис. 6.17

ОВ

−

Рис. 6.16

Ijx

−

Диаграмма строится следующим образом. Откладываются в качестве

опорного вектор напряжения

и под углом φ к нему вектор тока

. По-

требляемая нагруженным двигателем мощность

P будет положительной

при

<<−

Значение

при конкретной нагрузке зависит от значе-

ния ЭДС

E .

Затем из конца вектора напряжения

под прямым углом к вектору тока

откладывается вектор напряжения ,Ijx

опережающий вектор тока. Раз-

ность векторов напряжения

и напряжения Ijx

равна вектору ЭДС

Магнитные потоки двигателя

Ф,Ф

и Ф

пропорциональны ЭДС

E,E

и ,UE

= но вектор результирующего магнитного потока Ф

в дви-

гательном режиме определяется уравнением

,ФФФ

&&&

−= что соответст-

вует выражению (6.30):

.EEIjxEEU

c 100

&&&&&&

−=+==

Синхронному двигателю соответствуют такие же уравнения для мощ-

ностей, как и для синхронного генератора, но смысл их будет иным. В дви-

гательном режиме работы синхронной машины

cosUIP

представля-

ет собой потребляемую из сети мощность. Вычитанием из этой мощности

потерь мощности в обмотке якоря получается электромагнитная мощность,

преобразуемая в механическую:

.cosIErIcosUIРPP

нэм

ψϕ∆

333 ≈−=−= (6.32)

В (6.32) учтено, что

cosEcosU

. Это очевидно из векторной

диаграммы (отрезок 01 на рис. 6.17).

Электромагнитный момент двигателя выражается через мощность и уг-

ловую частоту вращения

602 n

= :

cosIE

эм

== (6.33)

Если на векторной диаграмме из точки 2 провести перпендикуляр к ли-

нии 03, то из очевидных геометрических соотношений, с одной стороны,

длина отрезка 23 равна

inU

а с другой стороны –

cosIx

. Составив

равенство

,cosIxsinU

определяем .xsinUcosI

Подстановкой значения

cos

в (6.33) получим уравнение угловой ха-

рактеристики синхронного двигателя:

.sin

= (6.34)

Угловая характеристика показана на рис. 6.18. При постоянных значе-

ниях

x,,E,U

электромагнитный момент синхронного двигателя про-

порционален

Рис. 6.18

Рабочая часть характеристики при условно положительном направле-

нии вращения двигателя расположена в первом квадранте. Часть характе-

ристики, расположенная в пределах

900...

, называется устойчивой.

Для устойчивой части характеристики характерно выполнение общего

принципа саморегулирования электрических машин: увеличение момента

нагрузки приводит к увеличению момента двигателя до такого же уровня.

Часть характеристики, расположенная в пределах

1800...

, называется

неустойчивой, так как увеличение момента нагрузки в этой области приво-

дит к остановке двигателя.

При номинальном моменте двигателя

ном

угол

находится в преде-

лах

3020...=

, а отношение 232 ,...M/М

номmax

. Это отношение ха-

рактеризует перегрузочную способность двигателя. Перегрузочная спо-

собность может быть увеличена за счет повышения ЭДС

ном

max

ном

90−

180−

180

Механическая характеристика

)

(

для синхронного двигателя

представляет собой горизонтальную прямую линию, ограниченную преде-

лами

max

6.3 МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

6.3.1 Назначение и устройство машин постоянного тока

Машины постоянного тока предназначены для использования в качест-

ве генераторов и двигателей. Машины постоянного тока обратимы, т.е. мо-

гут работать как в генераторном, так и в двигательном режимах. Основное

внимание уделим двигателям постоянного тока.

К положительным свойствам двигателей постоянного тока относятся:

9 возможность получения теоретически любых частот вращения;

9 устойчивость работы на любых частотах вращения;

9 линейность механических характеристик;

9 значительный пусковой момент;

9 отсутствие самохода;

9 возможность плавного регулирования частоты вращения в широком

диапазоне.

Внешний вид одной из конструкций и схематическое устройство двига-

теля постоянного тока показаны на рис. 6.19,

а, б.

12 11 10 9

а) б)

Рис. 6.19

Двигатель состоит (рис. 6.19, а) из переднего подшипникового щита 1,

на котором размещены щетки 2 и в отверстие которого входит подшипник

12. Статор 5 двигателя содержит обмотки возбуждения 3 полюсов и поме-

щен в корпус 4. Корпус двигателя в сборе закрывается подшипниковыми

щитами 1 и 6. На вал 7 напрессованы сердечник якоря 8, коллектор 11 и

подшипники. Обмотка 10 расположена в пазах сердечника якоря, и ее от-

пайки электрически соединены с пластинами коллектора.

Наличие скользящих контактов (коллектора и щеток) как наименее на-

дежного узла конструкции ограничивает области применения машин по-

стоянного тока.

ПАЧИНОТТИ Антонио (17.VI 1841-24.III 1912) – итальян-

ский физик и изобретатель, член Академии деи Линчеи (1898).

Родился в Пизе. Окончил Пизанский университет (1861). В

1861-1864 преподавал во Флоренции, в 1864-1872 – профессор

Королевского технологического института в Болонье, в 1873-

1881 – университета в Кальяри, с 1882 – Пизанского университе-

та.

Основные работы в области электромагнетизма и электротех-

ники. В 1859 построил электродвигатель с кольцевым зубчатым

якорем, в 1860 – двигатель постоянного тока с коллектором, ука-

зав на возможность его преобразования в динамомашину посто-

янного тока, изобретателем которой его и считают. Построил ряд

магнитоэлектрических машин, сделал ряд усовершенствований.

Генераторы и двигатели постоянного тока устроены одинаково. Схема-

тическое изображение двухполюсной машины постоянного тока в разрезе,

необходимое для рассмотрения принципа ее работы, показано на рис. 6.19,

б. Магнитная цепь машины состоит из корпуса статора, сердечников по-

люсов и сердечника якоря. Как и у любой электрической машины, между

якорем и статором имеется воздушный зазор, через который замыкается

рабочий магнитный поток. Основной магнитный поток создается обмоткой

возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов.

Обмотка возбуждения машины может подключаться к независимому

источнику постоянного тока. В этом случае машина называется машиной

независимого возбуждения (рис. 6.20,

а).

При подключении обмотки возбуждения параллельно цепи якоря (к

щеткам коллекторно-щеточного узла) машина называется машиной парал-

лельного возбуждения (рис. 6.20,

б).

Если обмотка возбуждения включена последовательно в якорную цепь,

то в таком случае машина называется машиной последовательного возбу-

ждения (рис. 6.20,

в). Такие машины предназначены для работы только в

двигательном режиме и имеют обмотку возбуждения из провода большого

сечения, рассчитанного на прохождение тока якоря.

Машины смешанного возбуждения имеют две обмотки – параллельную

и последовательную (рис. 6.20,

г).

Линия, проходящая перпендикулярно оси полюсов, называется геомет-

рической нейтралью. Для проводников обмотки вращающегося якоря, на-

ходящихся на геометрической нейтрали, нормальная составляющая маг-

нитной индукции равна нулю, и ЭДС в них не индуктируется.