I . Источники магнитного поля.

Содержание

Раздел 1. Основные понятия и законы электромеханики……………………..5

§1.Основные определения…………………………………………………..5

§2. Основные понятия и законы электромеханики…….…………………6

Раздел 2. Машины постоянного тока………………………………..…………12

Глава 1. Устройство и принцип действия машин постоянного тока…...........12

§1. Устройство простейшей машины постоянного тока………………...12

§2. Принцип действия генератора постоянного тока…………………….13

§3. Принцип действия двигателя постоянного тока……………………..16

§4. Принцип обратимости электрических машин……….……………….17

§5. Устройство машины постоянного тока……………………………….18

§6. Якорные обмотки машин постоянного тока………………………….20

Глава 2. Общие вопросы теории машин постоянного тока…………………..24

§1. ЭДС обмотки якоря и электромагнитный момент…………………...24

§2. Электромагнитные нагрузки и машинная постоянная………………25

§3. Магнитное поле машины в режиме холостого хода…………………26

§4. Реакция якоря в машинах постоянного тока…………………………28

§5. Потери в электрических машинах…………………………………….29

§6. Коэффициент полезного действия……………………………………30

 Глава 3. Генераторы постоянного тока………………………………………..31

§1. Общие сведения о генераторах постоянного тока…………………..31

§2. Генераторы независимого возбуждения……………………………..32

§3. Генераторы параллельного возбуждения……………………………..36

§4. Генераторы последовательного возбуждения………………………..39

§5. Генераторы смешанного возбуждения………………………………..40

Глава 4. Двигатели постоянного тока………………………………………..41

§1. Общие сведения о двигателях…………………………………………41

§2. Пуск двигателей постоянного тока……………………………………43

§3. Регулирование скорости вращения двигателей постоянного тока….46

§4. Двигатели параллельного возбуждения………………………………47

§5. Двигатели последовательного возбуждения…………………………49

§6. Двигатели смешанного возбуждения…………………………………52

Раздел 3. Машины переменного тока…………………………………………..53

Глава 1. Основные виды машин переменного тока их устройство и

 принцип действия……………………………………………………….…53

§1. Общие сведения о машинах переменного тока………………………53

§2. Вращающееся магнитное поле………………………………………..54

§3. Устройство асинхронных двигателей………………………………...58

§4. Принцип действия асинхронного двигателя…………………………60

§5. Устройство синхронных машин………………………………………61

§6. Принцип действия синхронного генератора…………………………65

§7. Принцип действия синхронного двигателя…………………………..66

Раздел 4.Синхронные электрические машины………………………………...66

Глава 1. Синхронные генераторы……………………………………………....66

§1. Холостой ход синхронного генератора……….………………………66

§2. Реакция якоря (статора) синхронного генератора…………...………68

§3. Уравнения и векторные диаграммы синхронного генератора……...71

§4. Характеристики синхронных генераторов…………………………...72

§5. Включение синхронного генератора на параллельную работу

 с сетью…………………………………………………………………..75

§6. Синхронные режимы параллельной работы синхронных машин….76

§7. Потери и КПД синхронного генератора……………………………...78

§8. Электромагнитные мощность и момент……………………...………81

§9. Угловые характеристики синхронной машины. Статическая

устойчивость……………………………………………………………83

§10. -образные характеристики синхронной машины……………85

Глава 2. Синхронные двигатели………………………………………………86

§1. Энергетическая и векторная диаграммы синхронного двигателя…..86

§2. Угловые, -образные и рабочие характеристики синхронного

двигателя………………………………………………………………..88

§3. Особенности работы и пуска синхронных двигателей………………91

Рекомендуемая литература……………………………………………………...94

 

Раздел 1. Основные понятия и законы электромеханики

§1.Основные определения

Электрические машины (ЭМ) – это устройства, предназначенные для преобразования электрической энергии в механическую, механической энергии в электрическую или электрической энергии одного вида в электрическую энергию другого вида, причём это преобразования происходят по­средством электромагнитного поля.

Все ЭМ являются преобразователями одного вида энергии в другой, и они обратимы, т.е. могут работать в двух режимах, в режиме двигателя и в режиме генератора.

В ЭМ взаимодействие между отдельными частями машины и преобра­зование энергии происходит через магнитное поле, существующее в среде, которая заполняет пространство между взаимодействующими частями ма­шины. Этой средой обычно является воздух или другое вещество с задан­ными магнитными свойствами. Причем количество энергии в единицы объ­ема пропорционально магнитной проницаемости среды. Для получения по возможности более сильных магнитных полей и предания им необходимой конфигурации в электрических машинах применяются ферромагнитные сердечники.

Преобразование энергии в машинах неизбежно связано с ее потерями, вызванных перемагничиванием ферромагнитных сердечников, прохожде­нием тока через проводники, трением в подшипниках и.т.п. Поэтому потреб­ляемая ЭМ мощность всегда больше отдаваемой, или полезной, мощности, а коэффициент полезного действия (КПД) меньше 100%. Тем не менее, ЭМ по сравнению с другими типами преобразователей энергии являются весьма совершенными, с относительно большим КПД. 

Теряемая энергия превращается в тепло и вызывает нагревание основ­ных частей машины. Для надёжной работы и достаточного срока службы нагрев ЭМ должен быть ограничен, следовательно, и мощность которую можно получить от машины тоже должна быть ограничена.

Номинальная мощность ЭМ – это такая полезная мощность ЭМ, при которой она может работать в необходимом режиме, не перегреваясь сверх установленной температуры.

В настоящее время выпускают электрические машины для трех основ­ных режимов работы: продолжительного, кратковременного и повторно-кратковременного режимов работы.

Номинальная мощность машины зависит от:

- технических характеристик электрических, магнитных и изоляционных материалов;

- режима работы;

- системы охлаждения (вентиляции), т.е. от конструкции машины;

- электромагнитных нагрузок (величины магнитного поля и силы тока, протекающего по обмоткам машины).

 Параметры ЭМ, характеризующие ее работу при номинальной мощно­сти , также называются номинальными: номинальное напряжение , номинальный ток , номинальная скорость вращения , номинальный КПД , номинальная частота напряжения и тока , номинальный коэффициент мощности .

В зависимости от величины номинальной мощности электрические ма­шины подразделяют (очень условно) на:

- ЭМ малой мощности -  до 0,5 кВт;

- ЭМ средней мощности -  от 0,5 до 50 кВт;

- ЭМ большой мощности -  от 50 до 250 кВт;

-  крупные ЭМ - от 250кВт и выше.

В настоящее время выпускаются машины до 1200000 кВт.

Номинальные напряжения у ЭМ находятся в пределах от десятых долей вольта, у ЭМ малой мощности, и до 24 -26кВ у крупных электрических ма­шин.

Электрические машины отличаются высоким коэффициентом полезного действия: у ЭМ малой мощности КПД 40 - 50%, у самых мощных он достигает 98 – 99%.

 

Основные понятия и законы электромеханики

IV. Законы электромеханики.

1.Закон Ампера или закон взаимодействия проводника с током и магнитного поля.

На проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, перпендикулярно магнитным силовым линиям, действует электромагнитная сила, величина которой пропорциональна индукции магнитного поля, силе тока, протекающего по проводнику, и длине проводника, рис.8:

где  - сила, действующая на проводник с током , длиной .

Направление действия силы определя­ется правилом «левой руки»: если располо­жить ладонь левой руки перпендикулярно магнитным линиям так, чтобы магнитные ли­нии входили в ладонь, а вытянутые пальцы ладони направить по направлению тока, то отставленный в сторону большой палец ука­жет направление силы, действующей на проводник.

Общие сведения о двигателях

Двигатели постоянного тока находят широкое применение в промыш­ленных, транспортных и других установках, где требуется широкое и плав­ное регулирование скорости вращения.

По способу возбуждения двигатели постоянного тока делятся анало­гично генераторам на двигатели независимого, параллельного, последова­тельного и смешанного возбуждения. Схемы двигателей и генераторов с данным способом возбуждения одинаковы и отличаются только направле­нием тока в обмотке якоря. По своим свойствам двигатели независимого и параллельного возбуждения почти одинаковы. Однако двигатели независи­мого возбуждения требуют отдельного источника постоянного тока для пита­ния обмотки возбуждения, что не экономично, поэтому в дальнейшем они не рассматриваются.

Рассмотрим энергетический процесс преобразования электрической мощности в механическую, на примере двигателя параллельного возбуждения. Пусть двигатель работает в установившемся режиме при  и напряжении на зажимах двигателя . Если Р ₁ - полная электрическая мощность, подводимая к двигателю из сети, - ток в обмотке якоря и - ток возбуждения, то

.

Часть этой мощности тратится на покрытие электрических потерь в цепи обмотки возбуждения  и в цепи обмотки якоря .  Остальная часть мощности прообразовывается в электромагнитную мощность, , которая, в свою очередь, преобразовывается в полную механическую мощность вращающегося якоря .

Полезная механическая мощность  отдаваемая двигателем, меньше мощности  на величину мощности холостого хода, необходимой для покрытия потерь в стали якоря ,  механических  и добавочных потерь  , то есть

Электромагнитный момент двигателя ,  который является вращающим, уравновешивает тормозные моменты: момент , соответствующий  сумме магнитных, механических и добавочных потерям, покрываемых за счет механической мощности;  - момент нагрузки на валу, создаваемый рабочей машиной или механизмом;  динамический момент, возникающий при изменении скорости вращения якоря. При этом

.

Уравнение моментов на валу двигателя:

Обозначив статический момент сопротивления   получим:

.

При установившемся режиме работы,  поэтому  и              .

Двигатели постоянного тока, также как и двигатели переменного тока, обладают способностью автоматически, без внешнего регулирующего воздействия, приспосабливаться к изменяющимся условиям работы. В этом смысле можно сказать, что электрические двигатели обладают свойством саморегулирования при соблюдении условий их устойчивой работы.

Допустим, что двигатель постоянного тока параллельного возбуждения работает при   и, следовательно,   и нагрузочный момент , развиваемый рабочей машиной, увеличивается. Тогда , возникает  и  начинает уменьшаться. Тогда уменьшается также , а   и  начнут увеличиваться, причем это будет происходить до тех пор, пока не наступит равновесие моментов  и . Подобным образом изменяется также режим, еслинагрузочный момент уменьшится. Аналогичным образом происходит переход к новому режиму при изменении других внешних условий. Из изложенного следует, что поведение двигателя при установившемся режиме работы и переходах к новому режиму работы определяется уравнениями равновесия моментов и напряжения цепи якоря.      

Рабочие свойства двигателей анализируются с помощью скоростной ме­ханической характеристик.

Скоростная характеристика: , при . Урав­нение скоростной характеристики можно получить из основного электриче­ского уравнения двигателя:

Механическая характеристика: , при . . Ее уравнение получим, если в уравнение скорост­ной характеристики, вместо тока якоря, подставим формулу определяющую его через электромагнитный момент двигателя:  ; , тогда

.

Вид скоростной и механической характеристик зависит от того, как с из­менением момента изменяется магнитный поток двигателя и различен для двигателей с различными способами возбуждения.

 

Двигателей постоянного тока

Способы регулирования скорости вращения двигателей постоянного тока следуют из рассмотрения уравнения: .

Существует три способа регулирования скорости вращения:

1) Наиболее удобным, распространенным и экономичным является спо­соб регулирования скорости вращения путем изменения магнитного потока , то есть тока возбуждения . С уменьшением магнитного потока ско­рость воз­растает. Двигатель рассчитывается для работы при номинальном режиме с наибольшим магнитным потоком, т.е. с наименьшей скоростью вращения. Поэтому магнитный поток можно только уменьшать. Следова­тельно, рас­сматриваемый способ позволяет регулировать скорость вращения вверх от номинальной. При таком регулировании КПД двигателя остается высоким, так как мала мощность реостатов для регулирования тока возбуж­дения. Верхний предел регулирования скорости вращения ограничивается механи­ческой прочностью машины и условиями работы щеточно-коллектор­ного узла.

2) Регулирование скорости вращения включением в цепь якоря регули­ровоч­ного сопротивления . В этом случае скорость вращения якоря опре­деля­ется выражением: . Этот способ позволяет регулиро­вать ско­рость вращения вниз от номинальной и связан со значи­тельными поте­рями в регулировочном сопротивлении и существенном по­нижении КПД двигателя.

3) Регулирование скорости вращения путем регулирования подводимого на­пряжения . Так как работа двигателя при напряжении выше номиналь­ного недопустимо, то данный способ, позволяет регулировать скорость вра­щения только вниз от номинальной. КПД остается высоким. Однако в этом случае необходим отдельный источник тока с регулируемым напряжением, что зна­чительно удорожает установку.

Необходимо отметить, что регулирование скорости вращения путем из­менения тока якоря  невозможно, хотя такая возможность на первый взгляд вытекает из рассмотренного уравнения. Дело в том, что ток якоря яв­ляется электрической нагрузкой двигателя и его величина определяется мо­ментом сопротивления того механизма, который двигатель приводит во вращение.

 

Вращающееся магнитное поле

Принцип образования вращающегося магнитного поля в машине пере­менного тока рассмотрен на примере статора с простейшей обмоткой (рис. 52), в которой каждая фаза состоит из одного витка или двух проводников (первая фаза – проводники А и Х, вторая фаза – проводники В и Y, третья фаза – проводники С и Z).

 

А

Х

Х

Х

Z

Y

Y

Z

Z

Y

Z

Y

Х

2

1

С

В

А

С

В

2

1

С

В

2

1

А

С

В

2

1

А

Рис.52

a)

б)

в)

г)

Проводники каждого витка (фазы) расположены друг от друга на рас­стоянии полюсного деления

,

где  диаметр расточки статора, а число пар полюсов.

На рис. 52 полюсное деление составляет половину окружности. Шаг витка или обмотки поэтому называют полным (). Двойному полюс­ному делению  соответствует угол по окружности статора в 360° эл. На­чала фаз А, В, С сдвинуты относительно друг друга на 120° эл., что в дан­ном случае составляет треть окружности.

На рис.52 а показаны направления токов в проводниках обмотки статора для момента времени , когда  и . Через четверть пе­риода токи изменят фазу на 90°, рис.52 б:

,

где  амплитудное значение тока фазы обмотки статора.

Токи фаз считаются положительными, когда они в началах фаз (провод­ники А, В, С) направлены за плоскость рисунка.

Из рис.52  видно, что распределение токов по окружности статора со­ставляет две зоны, каждая величиной , причем направление токов в этих зо­нах противоположны.

Токи проводников обмотки статора двухполюсной машины создают (рис.52) двухполюсный магнитный поток , проходящий через статор, ро­тор и воздушный зазор. При изменении фазы токов на 90° кривая распреде­ления токов и магнитный поток поворачиваются в направлении следования фаз на 90°. При изменении фазы токов еще на 90° ось магнитного потока по­вернется еще на 90°. Таким образом, обмотка статора двухполюсной машины при питании ее трехфазным током создает двухполюсное вращающееся маг­нитное поле. При этом за период изменения тока поле поворачивается на  или на 360°.

Частота вращения магнитного поля

,

где  частота тока обмотки статора.

Магнитное поле вращается в направлении чередования фаз А, В, С об­мотки статора. Для изменения направления вращения поля на обратное дос­таточно переменить местами на зажимах обмотки статора концы двух про­водников, идущих от питающей сети.

При  полюсное деление составляет четверть окружности и каждая фаза простейшей трехфазной обмотки статора состоит из двух витков с ша­гом , которые сдвинуты относительно друг друга на  и соединены по­следовательно или параллельно. Отдельные фазы и их начала А, В, С при этом также сдвинуты относительно друг друга на 120° эл., составляющих в данном случае 1/6 окружности (рис.53 а).

Такая обмотка, как видно из рис.53, создает магнитное поле с . Это поле также является вращающимся и за один период тока поворачива­ется на величину двойного полюсного деления , что в данном случае состав­ляет половину окружности (рис.53 б), вследствие чего частота враще­ния магнитного поля 

В общем случае можно изготовить обмотку с  и т. д. При этом получается магнитное поле с  парами полюсов. Магнитное поле враща­ется со скоростью в оборотах в секунду

 

или в оборотах в минуту

 

.

 

 

 

В табл. 1 приведены частоты вращения магнитного поля обмоток  с различными числами полюсов при стандартной частоте промышленного тока  = 50 Гц.

Таблица 1

	1	2	3	4	5	6	8	10
, об/мин	3000	1500	1000	750	600	500	375	300

 

Вывод: для получения с помощью обмотки статора вращаю­щегося магнитного поля необходимо выполнение сле­дующих условий:

1. В пазах сердечника статора должна быть уложена трехфазная симметричная (т.е. имеющая в каждой фазе одинаковые активные и индуктивные сопротив­ления) обмотка.

2. Начала фаз обмотки статора должны быть сдвинуты относи­тельно друг друга на 120⁰  эл., что соответствует углу  по внут­ренней окружности статора.

3. По трехфазной обмотки статора должна протекать трехфазная симметрич­ная (т.е. токи должны быть одинаковы в каждой фазе по ве­личине и сдви­нуты во времени на 1/3 периода) система токов.

Рис. 57. Устройство трехфазного асинхронного двигателя

с короткозамкнутым ротором: 1 — вал; 2, 6 — подшипники; 3, 7 — подшипниковые щиты; 4 — ко­робка выводов; 5 — вентилятор; 8 — кожух вентилятора; 9 — сердеч­ник ротора с короткозамкнутой обмоткой; 10 — сердечник статора с обмот­кой; 11 — корпус; 12 — лапы.

 

Параллельную работу с сетью

На электростанциях обычно устанавливаются несколько генераторов, ко­торые включаются на параллельную работу в общую сеть. В современных энергосистемах на общую сеть, кроме этого работает целый ряд электростан­ций, и поэтому параллельно на общую сеть работает большое число син­хронных генераторов.

При включении СГ на параллельную работу необходимо избегать чрез­мерно большого толчка тока и возникновения ударных электромагнитных моментов и сил, способных вызвать повреждения генератора.

Следовательно, необходимо отрегулировать надлежащим образом ре­жим работы генератора на холостом ходу перед его включением на парал­лельную работу и в надлежащий момент времени включить генератор в сеть. Совокупность этих операций называется синхронизацией генератора.

Идеальные условия для включения генератора на параллельную работу достигаются при соблюдении следующих условий:

1. ЭДС включаемого генератора  должна быть числено равна напряже­нию сети  или уже работающего генератора;

2. частота ЭДС генератора должна равняться частоте напряжения сети;

3. чередование фаз генератора и сети должно быть одинаково;

4. ЭДС генератора и напряжение сети должны быть в фазе относи­тельно общей нагрузки.

При указанных условиях векторы ЭДС генератора и напряжения сети совпадают и вращаются с одинаковой скоростью, рис.76, и разность потен­циалов между контактами выключателя при включении генератора равна нулю и не возникает никакого толчка тока.

Равенство ЭДС и напряжения (первое условие) достигается путем регу­лирования тока возбуждения генератора и контролируется с помощью вольтметра. Изменение частоты и фазы ЭДС генератора (второе и четвертое условия) достигается изменение скорости вращения ротора генератора воз­действием на приводной двигатель. Правильность чередования фаз необхо­димо проверять только при первом включении генератора после монтажа или сборки схемы. Совпадение ЭДС и напряжения по фазе контролируется с по­мощью ламп, нулевых вольтметров или специальных синхроноскопов, а в автоматических синхронизаторах – с помощью специальных измерительных элементов.

Неправильная синхронизация может вызвать серьезную аварию. Например, если ЭДС генера­тора и напряжение сети сдвинуты по фазе на 180⁰, то это эквивалентно короткому замыканию при удвоенном напряжении. Поэтому ударный ток при включении может превысить ток обычного корот­кого замыкания в два раза, а ударные электромаг­нитные моменты и силы – в четыре.

Для включения СГ в сеть используют один из двух способов синхронизации:                           

1) метод точной синхронизации (осуществляется проверка выполнения всех четырех условии);

2) метод грубой синхронизации или самосинхронизации. Ротор невоз­бужденного синхронного генератора доводят до скорости вращения близкой к синхронной с помощью приводного двигателя, включают в сеть и тут же подают ток на обмотку возбуждения, и ротор сам втягивается в синхронизм.

Второй из указанных способов наиболее часто используется в различ­ных аварийных ситуациях.

 

Статическая устойчивость

Зависимости  при постоянных: напряжении сети , частоте сети  и токе возбуждения   называются угловыми характеристи­ками активной мощности и электромагнитного момента син­хронной машины.

Угловые характеристики  явнополюсного генератора изо­бражены на рис.84  сплошной линией, пунктиром показаны составляю­щие ,  и , , соот­ветствующие первому и второму слагаемым в (2) и (3). Генератор развивает номиналь­ную активную мощность при номинальном угле нагрузки , максимальную мощность  - при максималь­ном или критическом угле на­грузки .

Угловые характеристики неявнополюсного генератора представляют собой один полу­период синусоиды (пунктирные линии ,  на рис.84). У таких генераторов , .

В установившемся режиме работы генератора механические момент  и мощность , подводимые к валу машины от приводного двигателя или тур­бины, уравновешены электромагнитными моментом и мощностью .

На практике частота , напряжение , ток возбуждения   и подводи­мая к валу механическая мощность  могут меняться. Небольшие изменения этих величин , , ,  вызывают изменение угла на­грузки .

 Под статической устойчивостью понимают способность синхронного генератора вернуться к исходному установившемуся режиму работы после окончания действия небольших или медленных изменений (возмущений ре­жима работы) , , , .

Если при работе генератора в номинальном режиме в результате не­большого случайного возмущения угол увеличится на , то мощность гене­ратора превысит мощность приводного двигателя на . Вслед­ствие этого на валу генератора возникнет дополнительный тормозной электромагнитный момент . Скорость вращения ротора и угол нагрузки будут уменьшаться под действием  до тех пор, пока не восстано­вится устойчивый установившийся режим работы генератора. Ана­логичные рассуждения справедливы и в том случае, если под действие слу­чайного возмущения угол нагрузки уменьшиться.

Указанные процессы будут происходить в машине только при , что является условием статической устойчивости синхронных машин. Оно выполняется если угол нагрузки находиться в пределах .

Разность  между подводимой к машине мощности и отдаваемой ею мощностью, под воздействием которой устойчивое состояние работы восста­навливается, называется синхронизирующей мощностью, так как за счет Δ P возникает синхронизирующий момент Δ M, под действием которого ротор приходит в положение, соответствующее установившемуся режиму работы синхронного генератора.

Если нагрузить генератор мощностью , то он выйдет из синхро­низма, так как при любом значении угла  механический вращающий момент  преобладает над тормозным электромагнитным моментом . Поэтому максимальная  мощность   генератора при заданных постоянных  и   называется пределом статистической устойчивости.

Запас статистической устойчивости генератора характеризуется отно­шением максимальной мощности  при номинальных токе возбуждения, напряжении и частоте сети к номинальной мощности: .

Величина  называется  перегрузочной способностью генератора. Для большинства генераторов перегрузочная способность должна быть не менее 1,7 ( ≥ 1,7).

 

§10. U (V)-образные характеристики синхронной машины

Как было показано ранее, изменение ток возбуждения вызывает измене­ние только реактивных составляющих тока обмотки якоря и мощности син­хронной машины.

U -образными характеристиками называются  зависимости тока якоря от тока возбуждения,   при постоянных активной мощности P ₂, напря­жении  и частоте сети.

При непрерывном изменении тока возбуждения, рис.85, ток обмотки якоря (в относительных единицах) и коэффициент мощности  также непрерывно изменяются. При некотором значении  величина  минимальна и =1. При увеличении тока возбуждения (режим перевоз­буждения) и его уменьшении (режим недовозбуждения) относительно указанного значения ток  возрастает, так как возрастает его реактивная со­ставляющая, а коэффициент мощности убывает.