Чем определяется форма графика эдс синхронного генератора: Эта формула показывает, что при неизменной частоте вращения ротора форма кривой

Содержание

Эта формула показывает, что при неизменной частоте вращения ротора форма кривой

 

Рис. 6.1. Упрощенная модель синхронного генератора

 

переменной ЭДС обмотки якоря опреде­ляется исключительно законом распределения магнитной индукции B, в зазоре. Если бы график магнитной индукции в зазора представлял собой синусоиду (B = Вmax sin α), то ЭДС генератора была бы синусоидальной. Однако получить синусоидальное распределение индукции в зазоре практически невозможно. Так, если воздушный зазор постоянен (рис. 6.2), то магнитная индукция B, в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (кривая 7), а, следовательно, и график ЭДС генератора представляет собой трапецеидальную кривую. Если края полюсов скосим так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен max (как это показано на рис. 6.2), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (кривая 2), а следовательно, и график ЭДС, наведенной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде.

Частота ЭДС синхронного генератора f1 (Гц) прямо пропорциональна частоте вращения ротора n1 (об/мин), которую принято называть синхронной частотой вращения:

f1 = pn1/60 (6.2)

Здесь р — число пар полюсов; в рассматриваемом генераторе два полюса, т. е. р = 1.

Для получения промышленной частоты ЭДС (50 Гц) ротор та­кого генератора необходимо вращать с частотой n1 = 3000 об/мин, тогда f1 = 1 3000/60 = 50 Гц.

Постоянные магниты на роторе применяются лишь в синхронных генераторах весьма малой мощности (см. § 23.1), в боль­шинстве же синхронных генераторов для получения возбуждающего магнитного поля применяют обмотку возбуждения, располагаемую на роторе. Эта обмотка подключается к источнику постоянного тока через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, располагаемых на валу и



 

 

 

 

Рис. 6.2. Графики распределения магнитной индукции в воздушном зазоре синхронного генератора

 

изолированных от вала и друг от друга, и двух неподвижных щеток (рис. 6.3).

Как уже отмечалось, привод — двигатель (ПД) приводит во вращение ротор синхронного

генератора с синхронной частотой n1 при этом магнитное поле ротора также вращается с частотой n1 и индуцирует в трехфазной обмотке статора переменные ЭДС ЕА, ЕВ, ЕС, которые, будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми фазе друг относительно друг друга на периода (120 эл. град), образуют трехфазную симметричную систему ЭДС.

С подключением нагрузки в фазах обмотки статора появляются токи IА, IB, IC. При этом

трехфазная обмотка ста­тора создает вращаю­щееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вра­щения ротора генерато­ра (об/мин):

n1 = f160/p. (6.3)

Таким образом, в синхронном генераторе поле статора и ротор вращаются синхронно, отсюда и название — синхронные машины.

Рис. 6.3. Электромагнитная схема син­хронного генератора

Принцип действия асинхронного двигателя

 

Неподвижная часть асинхронного двигателя — статор — имеет такую же конструкцию, что и статор синхронного генератора (рис. 6.3). В расточке статора расположена вращающаяся часть двигателя — ротор, состоящий из вала, сердечника и обмотки (рис. 6.4). Обмотка ротора представляет собой короткозамкнутую конструкцию (см.

§10.2), состоящую из восьми

алюминиевых стержней, расположенных в продольных пазах сердечника ротора, замкнутых

с двух сторон по торцам ротори алюминиевыми кольцами (на рисунке эти кольца не показаны). Ротор и статор разделены воздушным зазором. При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле статора, частота вращения которого n1 определяется выражением (6. 3).

Вращающееся поле статора (полюсы N1 и S1) сцепляется как с обмоткой статора, так и с

 

 

Рис. 6.4. К принципу действия асинхронного двигателя

 

обмоткой ротора и наводит в них ЭДС. При этом ЭДС обмотки статора, являясь ЭДС самоиндукции действует встречно приложенному к обмотке напряжению и ограничивает значение тока в обмотке. Обмотка ротора замкнута, поэтому ЭДС ротора создает в стержнях обмотки ротора токи. Взаимодействие этих токов с полем статора создает на роторе электромагнитные силы F

эм, направление которых определяется по правилу «левой руки». Из рис. 6.4 видно, что силы Fэм стремятся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Совокупность сил Fэм создает на роторе электромагнита момент М, приводящий его во вращение с частотой n2. Вращение ротора посредством вала передается исполнительному механизму.

Таким образом, электрическая энергия, поступающая из сети в обмотку статора, преобразуется в механическую энергию вращения ротора двигателя.

Направление вращения магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения ротора зависят от порядка следования фаз напряжения, подводимого к обмотке статора, вращения ротора n

2, называемая асинхронной, всегда меныше частоты вращения поля n1, так как только в этом случае происходит наведение ЭДС в обмотке ротора асинхронного

двигателя.

Таким образом, статор синхронной машины не отличается от статора асинхронной машины, и выполняют они одинаковую функцию: при появлении в обмотке статора тока возникает вра­щающееся магнитное поле и в этой обмотке наводится ЭДС. Именно по этой причине изучение принципа выполнения и конст­рукции обмоток статора, а также изучение электромагнитных про­цессов, связанных с наведением в обмотке статора ЭДС и возник­новением вращающегося магнитного поля, должно предшествовать изучению специфических вопросов теории асинхронных и синхронных машин.

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип действия генератора переменного тока.

2. Чем определяется форма графика ЭДС синхронного генератора?

3. Каково назначение контактных колец и щеток в синхронном генераторе?

4. Объясните принцип действия асинхронного двигателя.

5. Может ли ротор асинхронного двигателя вращаться синхронно с вращаю­щимся полем?

6. Какие функции выполняет обмотка статора в синхронном генераторе и в асинхронном двигателе?

 

 

ГЛАВА 7

• Принцип выполнения обмоток статора

§ 7.1. Устройство статора бесколлекторной машины и основные понятия об обмотках статора

 

Статор бесколлекторной машины переменного тока (рис. 7.1) состоит из корпуса 1, сердеч-ника 2 и обмотки 3. Сердечник статора имеет шихтованную конструкцию, т.

е. представляет собой пакет пла­стин, полученных методом штамповки из листовой электротехнической стали. Пластины предваритель­но покрывают с двух сторон тонкой изоляционной пленкой, например слоем лака. На внутренней по­верхности сердечника статора имеются продольные пазы, в которых располагаются проводники обмотки статора. Обмотка статора выполняется из медных обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения.

Требования к обмотке статора в основном сво­дятся к следующему: а) наименьший расход обмо­точной меди; б) удобство и минимальные затраты н изготовлении — технологичность; в) форма кривой ЭДС, наводимой в обмотке статора, должна был. практически синусоидальной.

Применительно к генераторам переменного тока это требование обусловлено тем, что при несинусоидальной ЭДС генератора в электрической цепи появляются высшие гармоники тока, оказывающие вредное влияние на работу всей энергосистемы: возрастают потери, возникают опасные перенапряжения, усиливается вредное влияние линий электропередачи на цепи связи.

Применительно к двигателям переменного тока требование к синусоидальности ЭДС обмотки статора также весьма актуально, так как несинусоидальность ЭДС ведет к росту потерь и уменьшению полезной мощности двигателя.

Многофазная обмотка статора состоит из m1 — фазных обмоток. Например, трехфазная обмотка (m1 = 3) состоит из трех фазных обмоток, каждая из которых занимает Z1\3 пазов, где Z1 — общее число пазов сердечника статора. Каждая фазная обмотка представляет собой разом- кнутую систему проводников. Элементом обмотки является катушка, состоящаяиз одного

или нескольких витков. Элементы катушки, располагаемые в па­зах, называют пазовыми сторонами 1, а элементы, расположенные вне пазов и служащие для соединения пазовых сторон, называют лобовыми частями 2 (рис. 7.2). Часть дуги внутренней расточки статора, приходящаяся на один полюс, называется полюсным делением (м):

τ = πD1 /(2р), (7.1)

 

 

Рис. 7.1. Статор бесколлектор­ной машины переменного тока

 

где D1 — внутренний диаметр статора, м; 2р — число полюсов.

Расстояние между пазовыми сторонами катушки, измеренное но внутренней поверхности стато­ра, называется шагом обмотки по пазам у1. Шаг обмотки выражают в пазах. Шаг обмотки называется полным или диаметральным, если он равен полюсному делению:

y1 = Z1/(2p) = τ . (7.2)

В этом случае ЭДС витка определяется арифметической суммой ЭДС, наведенных в сторонах этого витка (рис. 7.3):

е = е1 + е2.

Если же шаг обмотки меньше полюсного деления (у1 < τ), то он называется уко­роченным. У катушки с укоро­ченным шагом ЭДС меньше, чем у катушки с полным ша­гом.

Обмотка статора состоит, как правило, из большого чис­ла катушек, соединенных ме­жду собой определенным об­разом. Для удобного и наглядного изображения ка­тушек и их соединений поль­зуются развернутыми схема­ми обмоток. На такой схеме цилиндрическую поверхность статора вместе с обмоткой условно развертывают на плоскости, а все катушки

изображают одновитковыми в виде прямых линий.

Простейшая трехфазная обмотка статора двухполюсной машины состоит из трех катушек (А, В, С), оси которых смещены в пространстве относительно друг друга на 120 эл. град, т. е. на

 

Рис 7.2. Расположение катушек в пазах сердечника статора

 

полюсного деления (рис. 7.4). Такая обмотка называется сосре­доточенной. Каждая катушка здесь представляет собой фазную обмотку.

 

 

 

Рис. 7.3. При диамет­ральном шаге ЭДС в

пазовых сторонах ка­тушки направлены согласно

 

В соответствии с ГОСТом выводы трехфазных обмоток стато­ра обозначают следующим образом:

 

Первая фаза….. .начало С1 — конец С4

Вторая фаза….. » С2 — » С5

Третья фаза…… » СЗ — » С6

Конструкция обмотки статора в значи­тельной мере влияет на свойства машины переменного тока, в первую очередь на ее стоимость, КПД и рабочие характеристики.


Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

Эта формула показывает, что при неизменной частоте вращения ротора форма кривой

Рис. 6.1. Упрощенная модель синхронного генератора

переменной ЭДС обмотки якоря опреде­ляется исключительно законом распределения магнитной индукции B, в зазоре. Если бы график магнитной индукции в зазора представлял собой синусоиду (B = Вmax sin α), то ЭДС генератора была бы синусоидальной. Однако получить синусоидальное распределение индукции в зазоре практически невозможно. Так, если воздушный зазор постоянен (рис. 6.2), то магнитная индукция B, в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (кривая 7), а, следовательно, и график ЭДС генератора представляет собой трапецеидальную кривую. Если края полюсов скосим так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен max (как это показано на рис. 6.2), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (кривая 2), а следовательно, и график ЭДС, наведенной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде.

Частота ЭДС синхронного генератора f1 (Гц) прямо пропорциональна частоте вращения ротора n1 (об/мин), которую принято называть синхронной частотой вращения:

f1 = pn1/60 (6.2)

Здесь р — число пар полюсов; в рассматриваемом генераторе два полюса, т. е. р = 1.

Для получения промышленной частоты ЭДС (50 Гц) ротор та­кого генератора необходимо вращать с частотой n1 = 3000 об/мин, тогда f1 = 13000/60 = 50 Гц.

Постоянные магниты на роторе применяются лишь в синхронных генераторах весьма малой мощности (см. § 23.1), в боль­шинстве же синхронных генераторов для получения возбуждающего магнитного поля применяют обмотку возбуждения, располагаемую на роторе. Эта обмотка подключается к источнику постоянного тока через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, располагаемых на валу и

Рис. 6.2. Графики распределения магнитной индукции в воздушном зазоре синхронного генератора

изолированных от вала и друг от друга, и двух неподвижных щеток (рис. 6.3).

Как уже отмечалось, привод — двигатель (ПД) приводит во вращение ротор синхронного

генератора с синхронной частотой n1 при этом магнитное поле ротора также вращается с частотой n1 и индуцирует в трехфазной обмотке статора переменные ЭДС ЕА, ЕВ, ЕС, которые, будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми фазе друг относительно друг друга на периода (120 эл. град), образуют трехфазную симметричную систему ЭДС.

С подключением нагрузки в фазах обмотки статора появляются токи IА, IB, IC. При этом

трехфазная обмотка ста­тора создает вращаю­щееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вра­щения ротора генерато­ра (об/мин):

n1 = f160/p. (6.3)

Таким образом, в синхронном генераторе поле статора и ротор вращаются синхронно, отсюда и название — синхронные машины.

Рис. 6.3. Электромагнитная схема син­хронного генератора

§ 6.2. Принцип действия асинхронного двигателя

Неподвижная часть асинхронного двигателя — статор — имеет такую же конструкцию, что и статор синхронного генератора (рис. 6.3). В расточке статора расположена вращающаяся часть двигателя — ротор, состоящий из вала, сердечника и обмотки (рис. 6.4). Обмотка ротора представляет собой короткозамкнутую конструкцию (см. § 10.2), состоящую из восьми

алюминиевых стержней, расположенных в продольных пазах сердечника ротора, замкнутых

с двух сторон по торцам ротори алюминиевыми кольцами (на рисунке эти кольца не показаны). Ротор и статор разделены воздушным зазором. При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле статора, частота вращения которого n1определяется выражением (6.3).

Вращающееся поле статора (полюсы N1 и S1) сцепляется как с обмоткой статора, так и с

Рис. 6.4. К принципу действия асинхронного двигателя

обмоткой ротора и наводит в них ЭДС. При этом ЭДС обмотки статора, являясь ЭДС самоиндукции действует встречно приложенному к обмотке напряжению и ограничивает значение тока в обмотке. Обмотка ротора замкнута, поэтому ЭДС ротора создает в стержнях обмотки ротора токи. Взаимодействие этих токов с полем статора создает на роторе электромагнитные силы Fэм, направление которых определяется по правилу «левой руки». Из рис. 6.4 видно, что силы Fэм стремятся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Совокупность сил Fэм создает на роторе электромагнита момент М, приводящий его во вращение с частотой n2. Вращение ротора посредством вала передается исполнительному механизму.

Таким образом, электрическая энергия, поступающая из сети в обмотку статора, преобразуется в механическую энергию вращения ротора двигателя.

Направление вращения магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения ротора зависят от порядка следования фаз напряжения, подводимого к обмотке статора, вращения ротора n2, называемая асинхронной, всегда меныше частоты вращения поля n1, так как только в этом случае происходит наведение ЭДС в обмотке ротора асинхронного

двигателя.

Таким образом, статор синхронной машины не отличается от статора асинхронной машины, и выполняют они одинаковую функцию: при появлении в обмотке статора тока возникает вра­щающееся магнитное поле и в этой обмотке наводится ЭДС. Именно по этой причине изучение принципа выполнения и конст­рукции обмоток статора, а также изучение электромагнитных про­цессов, связанных с наведением в обмотке статора ЭДС и возник­новением вращающегося магнитного поля, должно предшествовать изучению специфических вопросов теории асинхронных и синхронных машин.

Типы генераторов переменного тока

Генератор – устройство, преобразующее один вид энергии в другой.
В данном случае рассматриваем преобразование механической энергии вращения в электрическую.

Различают два типа таких генераторов. Синхронные и асинхронные.

Синхронный генератор. Принцип действия

Отличительным признаком синхронного генератора является жёсткая связь между частотой f переменной ЭДС, наведённой в обмотке статора, и частотой вращения ротора n , называемой синхронной частотой вращения:

где p – число пар полюсов обмотки статора и ротора.
Обычно частота вращения выражается в об/мин, а частота ЭДС в Герцах (1/сек), тогда для количества оборотов в минуту формула примет вид:

На рис. 1.1 представлена функциональная схема синхронного генератора. На статоре 1 расположена трёхфазная обмотка, принципиально не отличающаяся от аналогичной обмотки асинхронной машины. На роторе расположен электромагнит с обмоткой возбуждения 2, получающей питание постоянным током, как правило, через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, расположенных на роторе, и двух неподвижных щёток.
В некоторых случаях в конструкции ротора синхронного генератора вместо электромагнитов могут использоваться постоянные магниты, тогда необходимость в наличии контактов на валу отпадает, но существенно ограничиваются возможности стабилизации выходных напряжений.

Приводным двигателем (ПД), в качестве которого используется турбина, двигатель внутреннего сгорания либо другой источник механической энергии, ротор генератора приводится во вращение с синхронной скоростью. При этом магнитное поле электромагнита ротора также вращается с синхронной скоростью и индуцирует в трёхфазной обмотке статора переменные ЭДС EA , EB и EC , которые будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120°), образуют симметричную трёхфазную систему ЭДС.

C подключением нагрузки к зажимам обмотки статора С1, С2 и С3 в фазах обмотки статора появляются токи IA, IB, IC , которые создают вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора. Таким образом, в синхронном генераторе магнитное поле статора и ротор вращаются синхронно. Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе

e = 2Blwv = 2πBlwDn

Здесь: B – магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл;
l – активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, т. е. длина сердечника статора, м;
w – количество витков;
v = πDn – линейная скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с;
D – внутренний диаметр сердечника статора, м.

Формула ЭДС показывает, что при неизменной частоте вращения ротора n форма графика переменной ЭДС обмотки якоря (ста- тора) определяется исключительно законом распределения магнитной индукции B в зазоре между статором и полюсами ротора. Если график магнитной индукции в зазоре представляет собой синусоиду B = Bmax sinα , то ЭДС генератора также будет синусоидальной. В синхронных машинах всегда стремятся получить распределение индукции в зазоре как можно ближе к синусоидальному.

Так, если воздушный зазор δ постоянен (рис. 1.2), то магнитная индукция B в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (график 1). Если же края полюсов ротора «скосить» так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен δmax (как это показано на рис. 1.2), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (график 2), а, следовательно, и график ЭДС, индуцированной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде. Частота ЭДС синхронного генератора f (Гц) пропорциональна синхронной частоте вращения ротора n (об/с)

где p – число пар полюсов.
В рассматриваемом генераторе (см. рис.1.1) два полюса, т.е. p = 1.
Для получения ЭДС промышленной частоты (50 Гц) в таком генераторе ротор необходимо вращать с частотой n = 50 об/с (n = 3000 об/мин).

Способы возбуждения синхронных генераторов

Самым распространенным способом создания основного магнитного потока синхронных генераторов является электромагнитное возбуждение, состоящее в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения, при прохождении по которой постоянного тока, возникает МДС, создающая в генераторе магнитное поле. До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись преимущественно специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.3, а). Обмотка возбуждения (ОВ) получает питание от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронного генератора, возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронного генератора поступает через контактные кольца и щётки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя r1 и подвозбудителя r2 . В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах получила применение также бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе. В качестве возбудителя в этом случае применяют обращенный синхронный генератор переменного тока В (рис. 1.3, б). Трехфазная обмотка 2 возбудителя, в которой наводится переменная ЭДС, расположена на роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора и их электрическое соединение осуществляется через вращающийся выпрямитель 3 непосредственно, без контактных колец и щёток. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя В осуществляется от подвозбудителя ПВ – генератора постоянного тока. Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронного генератора позволяет повысить её эксплуатационную надёжность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в этом числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.4, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь ПП преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счёт остаточного магнетизма машины.

На рис. 1.4, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подаётся в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на входе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты (БЗ), обеспечивающий защиту обмотки возбуждения (ОВ) от перенапряжения и токовой перегрузки.

Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5 % полезной мощности (меньшее значение относится к генераторам большой мощности).
В генераторах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, расположенными на роторе машины. Такой способ возбуждения даёт возможность избавить генератор от обмотки возбуждения. В результате конструкция генератора существенно упрощается, становится более экономичной и надёжной. Однако, из-за высокой стоимости материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничено машинами мощностью не более нескольких киловатт.

Синхронные генераторы составляют основу электроэнергетики, так как практически вся электроэнергия во всём мире вырабатывается посредством синхронных турбо- или гидрогенераторов.
Так же синхронные генераторы находят широкое применение в составе стационарных и передвижных электроустановок или станций в комплекте с дизельными и бензиновыми двигателями.

Асинхронный генератор. Отличия от синхронного

Асинхронные генераторы принципиально отличаются от синхронных отсутствием жесткой зависимости между частотой вращения ротора и вырабатываемой ЭДС. Разницу между этими частотами характеризует коэффициент s – скольжение.

здесь:
n – частота вращения магнитного поля (частота ЭДС).
n r – частота вращения ротора.

Более подробно с расчётом скольжения и частоты можно ознакомиться в статье: асинхронные генераторы. Частота.

В обычном режиме электромагнитное поле асинхронного генератора под нагрузкой оказывает тормозной момент на вращения ротора, следовательно, частота изменения магнитного поля меньше, поэтому скольжение будет отрицательным. К генераторам, работающим в области положительных скольжений, можно отнести асинхронные тахогенераторы и преобразователи частоты.

Асинхронные генераторы в зависимости от конкретных условий применения выполняются с короткозамкнутым, фазным или полым ротором. Источниками формирования необходимой энергии возбуждения ротора могут являться статические конденсаторы или вентильные преобразователи с искусственной коммутацией вентилей.

Асинхронные генераторы можно классифицировать по способу возбуждения, характеру выходной частоты (изменяющаяся, постоянная), способу стабилизации напряжения, рабочим областям скольжения, конструктивному выполнению и числу фаз.
Последние два признака характеризуют конструктивные особенности генераторов.
Характер выходной частоты и методы стабилизации напряжения в значительной степени обусловлены способом образования магнитного потока.
Классификация по способу возбуждения является основной.

Можно рассмотреть генераторы с самовозбуждением и с независимым возбуждением.

Самовозбуждение в асинхронных генераторах может быть организовано:
а) с помощью конденсаторов, включенных в цепь статора или ротора или одновременно в первичную и вторичную цепи;
б) посредством вентильных преобразователей с естественной и искусственной коммутацией вентилей.

Независимое возбуждение может осуществляться от внешнего источника переменного напряжения.

По характеру частоты самовозбуждающиеся генераторы разделяются на две группы. К первой из них относятся источники практически постоянной (или постоянной) частоты, ко второй переменной (регулируемой) частоты. Последние применяются для питания асинхронных двигателей с плавным изменением частоты вращения.

Более подробно рассмотреть принцип работы и конструктивные особенности асинхронных генераторов планируется рассмотреть в отдельных публикациях.

Асинхронные генераторы не требуют в конструкции сложных узлов для организации возбуждения постоянным током или применения дорогостоящих материалов с большим запасом магнитной энергии, поэтому находят широкое применение у пользователей передвижных электроустановок по причине своей простоты и неприхотливости в обслуживании. Используются для питания устройств, не требующих жёсткой привязки к частоте тока.
Техническим достоинством асинхронных генераторов можно признать их устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям.
С некоторой информацией по мобильным генераторным установкам можно ознакомиться на странице:
Дизель-генераторы.
Асинхронный генератор. Характеристики.
Асинхронный генератор. Стабилизация.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Один из вариантов обеспечения электропитания — генератор переменного тока. Эта установка может быть как основным вариантом, так и только на время пропадания основного источника питания.

Что такое генератор тока

Устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую, называют генератором тока. Они бывают переменного и постоянного тока. Устройства, вырабатывающие постоянный ток, более сложны в исполнении и менее надёжны.

Тоже как вариант))

С появлением полупроводниковых приборов, которые позволяют выпрямить переменный ток, по большей части всё равно использовался генератор переменного тока. Если необходим постоянный ток, на выходе источника переменного тока ставят выпрямитель, который формирует электропитание требуемого типа и уровня.

Устройство и принцип работы

Понять, как происходит такое преобразование, можно глядя на простейшую модель генератора. Его работа основана на принципе возникновения ЭДС — электродвижущей силы. Коротко сформулировать суть этого явления можно так, если замкнутая рамка пересекает магнитное поле, в ней возникает (наводится) электрический ток. Чтобы «снять» ток с рамки, используют специальное устройство ‒ щеточный узел. На концах рамки сделаны кольца, которые соприкасаются с токосъёмными контактами (щетками). Щетки, за счет силы упругости пружин, плотно прилегают к кольцам, обеспечивая контакт. К щеткам припаяны провода, по которым далее в устройство и передаётся ток.

Генератор переменного тока: устройство и принцип действия

Как получается переменное напряжение? Представьте себе, рамка вращается, то одной, то другой стороной приближаясь к полюсам (положительному S и отрицательному N). Чем ближе к полюсу, тем сильнее наводимое поле (больше сила тока), чем дальше ‒ тем меньше. Соответственно, на контактных кольцах имеем плавно изменяющуюся силу тока. Она то близка к нулю (когда рамка находится дальше всего), то подходит к максимуму. Таким образом, получаем на выходе ток синусоидальной формы.

Таким образом получаем на выходе генератора ток синусоидальной формы

Те же самые процессы происходят, если прямоугольную рамку закрепить неподвижно, а внутри нее вращать магнитное поле. Ток также имеет синусоидальную форму, просто имеем два типа установок ‒ с неподвижным статором и с неподвижным ротором.

Генератор постоянного тока устроен точно также и отличается только устройство снятия тока. К рамке прикреплены два полукольца, так что щетки снимают ток попеременно, то с одного конца рамки, то с другого. В результате на выходе имеем положительные полуволны, которые близки к постоянному току.

Виды бытовых генераторов

Это была теория, а теперь переходим к практике. Генераторы электрического тока нужны обычно для обеспечения питанием электрооборудования. Существуют две ситуации:

  • Электрогенератор нужен на случай пропадания сети.
  • Как основной источник питания.

Простейшие генераторы постоянного и переменного тока: устройство и принцип работы

Для обоих случаев логика выбора похожа, но имеет свои особенности. Если генератор нужен для постоянной работы, на первое место выходит расход топлива и надёжность. Также стоит обратить внимание на «громкость» работы, ёмкость бака для топлива.

Для кратковременного включения на случай пропадания питания, чаще всего стараются приобрести не слишком дорогую модель. Но в погоне за экономией, не стоит забывать о качественных характеристиках.

Синхронные и асинхронные

Сейчас не станем разбираться к конструктивных особенностях, а остановимся на достоинствах и недостатках. Синхронные генераторы отличаются тем, что на якоре имеют обмотки. Они выдают более стабильное напряжение и имеют меньшие отклонения по частоте. Это хорошо для требовательных к качеству питания. К плюсам синхронных генераторов тока относят также нормальную реакцию на пусковые токи, так что нормально работают они с индуктивной нагрузкой (с электродвигателями). Минусы ‒ более сложная конструкция и высокая цена. Ещё один момент, наличие щеток, которые, как известно снашиваются и искрят. Так что при более высокой цене синхронные генераторы имеют меньший рабочий ресурс.

Устройство асинхронных моделей проще

Асинхронные генераторы имеют более простую конструкцию и более низкие цены. При относительно невысокой цене отличаются значительно большим эксплуатационным сроком. Но стабильность тока желает быть лучше: погрешность до 10% по напряжению и 4% по частоте. Ещё один недостаток: плохо переносят пусковые токи. Потому, для обеспечения нормальной работы сложной техники желательно иметь стабилизатор, а для плавного пуска электромоторы подключать через преобразователь частоты.

Инверторный или нет

Есть ещё так называемые инверторные бытовые генераторы тока. Это те же генераторы, но на выходе которых стоит дополнительное устройство, стабилизирующее выходные показатели. С учётом того что техника у нас становится всё более дорогой и требовательной к качеству питания, использование инверторных генераторов почти необходимость.

Генератор переменного тока с инвертором: основные узлы и блоки

Единственное исключение, когда агрегат будет стоять на даче или в доме, а в период его работы, «капризная» техника работать не будет. К группе «капризных» однозначно относится вся компьютерная техника, а также та, которая управляется при помощи микропроцессоров. Также «капризными» являются автоматизированные котлы. Если котёл зависит от наличия напряжения и автоматика в нем не механическая, вам однозначно требуется инверторный генератор.

Инверторный генератор кроме двигателя и непосредственно генератора, имеет ещё выпрямитель и инвертор

Как работает инверторный генератор переменного тока? То напряжение, которое выработал генератор, попадает на блок инвертора. Он сначала выпрямляется, а потом из постоянного напряжения формируются полярные импульсы заданной частоты (50 Гц) и скважности. На выходе устройства импульсы превращаются в синусоиду. В результате на выходе имеем питание с идеальными (почти) характеристиками. Так что асинхронный инверторный генератор подходит для питания любой техники. Вот только пусковые нагрузки по-прежнему проблема.

Количество фаз и топливо для первичного двигателя

Чтобы выбрать генератор переменного тока, необходимо разобраться с классификацией, видами и типами, достоинствами и недостатками. В первую очередь стоит определиться с количеством фаз, которые должен выдавать агрегат, как понимаете, есть однофазные и трехфазные. Выбирать по этому признаку стоит учитывая имеющуюся проводку или нагрузку. Если генератор должен обеспечить работу трехфазного потребителя, на его выходе должно быть именно такое напряжение. Если подключаемые приборы только однофазные, покупать трехфазный генератор стоит только тогда, когда он будет работать на постоянной основе. В качестве резервного обычно ставят однофазные агрегаты, обеспечивая питанием наиболее важные устройства.

Для начала необходимо определиться с количеством фаз вырабатываемого тока

Когда мы разбирались в принципе действия генераторов переменного тока, не рассматривался один момент: как и чем приводится в действие вращающаяся часть устройства. В бытовых моделях это двигатель внутреннего сгорания. Именно он приводит в движение ротор, а работать он может на следующих видах топлива:

Для бытового использования, чаще всего, используют дизельные и бензиновые генераторы. Так как оба вида топлива практически равнозначны по доступности, то выбор между ними основан на технических особенностях. О них подробнее немного ниже.

Генератор переменного тока: бензин или дизель?

Для бытовых целей обычно используют бензиновый или дизельный генератор тока. Сказать какой лучше однозначно невозможно, так как они отличаются по характеристикам. Потому для одних условий лучше бензиновый, для других ‒ оптимальный дизельный.

Выбор генератора тока зависит от многих моментов

Когда лучше выбрать бензиновый

Перечень свойств и особенностей бензинового генератора переменного тока:

  • Имеет небольшую мощность, не более 10 кВт.
  • Не рассчитан на длительную беспрерывную работу.
  • Имеет небольшой вес и размеры.
  • Работает негромко.
  • Небольшая цена.

Бензиновые генераторы тока оптимальны для работы на непродолжительны период времени

Основное, что стоит помнить, бензиновый электрогенератор не рассчитан на длительную работу (сутками). Рекомендованная нагрузка, особенно у двухтактных моделей 2–3 часа в день и до 500 часов в год. Зато отличаются такие установки невысокой ценой и компактностью. Это отличный выбор, если надо питать совсем небольшую нагрузку непродолжительное время. Чаще всего такие генераторы берут с собой на природу, охоту, рыбалку и т. д.

Двухтактные бензиновые генераторы — лучший выбор для выезда на природу

Бензиновые генераторы тока с четырехтактными бензиновыми двигателями ресурс имеют существенно больше: до 3000–5000 тысяч часов. Но и его надолго не хватит при постоянной работе. Так что бензиновые генераторы имеет смысл ставить, если электричество отключается у вас редко и ненадолго.

Чем хороши дизельные

Дизельный генератор переменного тока ‒ установка гораздо боле мощная, но и настолько же более дорогостоящая. Бывают они двух типов: с воздушным и жидкостным охлаждением. Установки с воздушным охлаждением имеют средние габариты, среднюю мощность и вполне приемлемую цену. Вот они идеальны, если электричество отключается часто, но не постоянно. В то же время, маломощные дизельные генераторы (есть и такие) по характеристикам ненамного лучше бензиновых, а по цене раза в два выше. Так что если вам нужен генератор до 6 кВт мощности выбор, всё равно, имеет смысл остановить на бензиновой установке.

Дизельные ‒ более габаритные и мощные

Дизельный генератор с водяным (жидкостным) охлаждением ‒ это уже техника другого класса. Он может работать сутками и используются на предприятиях. На них применяются двигателя двух типов:

  • высокооборотистые – 3000 об/мин;
  • с низкими оборотами – 1500 об/мин.

Дизельный генератор с низкооборотистым двигателем отличается более низким уровнем шумов, более экономичны в плане расхода топлива на один киловатт. Но они же более дорогостоящие. имеют большие размеры и вес. Если дизельный генератор тока построен на основе высокооборотного движка, обойдётся один киловатт электроэнергии дешевле. Но шуметь дизель будет сильно.

Подобные модели могут обеспечивать предприятия

Итак, если вам нужна установка для выработки постоянного тока на продолжительный период или станция, которая будет снабжать электроэнергией постоянно, вам нужен дизельный генератор жидкостного охлаждения.

Опции и дополнительные возможности

Значительное влияние на цену оказывают опции. Хоть генераторы «с наворотами» стоят дороже, некоторые из дополнительных возможностей могут быть очень полезны. Например:

  • Защита от утечки. Встроенное УЗО, которое отслеживает наличие пробоя изоляции и отключает установку при появлении тока утечки.
  • Защита от перегрузки. Функция не даёт работать деталям «на износ».
  • Автоматический запуск. При пропадании электроэнергии генератор запускается сам.

Использование может быть разным

Есть ещё такие, без которых можно обойтись, но делающие эксплуатацию генератора тока более удобной. Например, контроль параметров с одновременным отображением на дисплее или передача данных о состоянии генератора на подключённый компьютер. Ещё, может быть, целый ряд конструктивных «добавок»: шумогасящий кожух, защитный кожух от низких температур, увеличенный топливный бак и т. д.

Особенности установки генератора

Речь пойдёт не о подключении, а об установке ‒ организации места, где генератор тока будет работать. Нужна просторная твёрдая и ровная площадка. При установке на неровной поверхности, повышается уровень вибрации, что угрожает целостности оборудования. Если говорить о мощных дизельных установках, то для них желательно бетонное или асфальтовое покрытие, в общем, плотное и надёжное основание.

Площадка должна быть ровной

Подключение генератора проводят кабелем, в соответствии с рекомендациями производителей. Само подключение производится в шкафу, куда заводится кабель от генераторной установки. Он подключается после вводного автомата и счетчика.

Если генератор будет уставлен в помещении, в нем должна быть хорошая вентиляция. Планируя на время работы двигателя оставлять двери открытыми, нужна будет решётка, чтобы никто не попал внутрь во время работы станции.

Источники автономного электрического питания, называемые электростанциями, генераторами, бывают синхронные и асинхронные, однофазные и трёхфазные — в зависимости от типа собственно электрического генератора, соединенного посредством вала с двигателем внутреннего сгорания.

Рассмотрим генераторы — электрические машины переменного тока, определяющие потребительские характеристики автономных источников.

Генераторы синхронные и асинхронные имеют различное устройство. Принцип работы и характеристики их также отличаются.

Выбирая тип генератора, важно сделать правильный выбор — от этого будет зависеть как качество работы электрических приёмников, подключённых к нему, так и работоспособность самого генератора.

Синхронный генератор состоит из статора, ротора и блока управления.

Статор и ротор выполнены из тонких пластин из электротехнической стали, хорошо проводящих магнитный поток и плохо — электрические вихревые токи.

Витки статорной обмотки размещены в пазах статора равномерно по окружности. Для однофазного генератора — одна фазная обмотка, для трёхфазного генератора — три фазные обмотки, соединённые в звезду или треугольник и сдвинутые по окружности одна относительно другой на 120 градусов.

Ротор представляет собой явнополюсный биполярный электромагнит постоянного тока.

Обмотка ротора соединена через два щёточные узла, представляющие пару «щётка — кольцо», с блоком управления. Последний осуществляет её питание постоянным током и обеспечивает необходимые электрические связи для автоматического регулирования.

Асинхронный генератор состоит из статора и ротора.

Статор имеет такое же устройство, как и у синхронного генератора. Его обмотка также может быть однофазной или трёхфазной.

Ротор короткозамкнутый: токопроводящая часть ротора выполнена из алюминия и напоминает беличью клетку.

При вращении ротора двигателем внутреннего сгорания (ДВС) вращающееся вместе ним магнитное поле электромагнита возбуждает в статорной обмотке переменное синусоидальное — однофазное или трёхфазное — напряжение.

При подключении к статорной обмотке нагрузки в цепи течёт переменный — однофазный или трёхфазный — электрический ток.

Величина напряжения и частота на зажимах статорной обмотки зависимы от скорости вращения ротора. С изменением электрической нагрузки синхронного генератора механическая нагрузка на валу ДВС также имеет тенденцию к изменению в прямо пропорциональной зависимости, могущую привести к изменению скорости вращения ротора и, как следствие, к изменению величины напряжения и частоты.

Во избежание подобных изменений и для поддержания заданных величин напряжения и частоты с необходимой точностью, блоком управления синхронного генератора осуществляется автоматическое регулирование электрических параметров через обратную связь по току и напряжению, подаваемую на роторную обмотку.

При вращении ротора асинхронного генератора под действием остаточного магнетизма статора в беличьей клетке индуцируется электрический ток, магнитное поле которого, вращаясь вместе с ротором, наводит в неподвижной обмотке статора переменное синусоидальное — однофазное или трёхфазное — напряжение.

Поскольку в асинхронном генераторе нет электрической связи с ротором, то и нет возможности искусственного автоматического регулирования электрических параметров напряжения и тока. Они изменяются с изменением электрической нагрузки на обмотке статора в соответствии с конструктивными особенностями асинхронной машины переменного тока.

У синхронного генератора величина напряжения и частота поддерживаются с высокой точностью, в то время как у асинхронного они изменяются в относительно большом диапазоне.

Синхронный генератор, будучи источником реактивной мощности (из-за конструктивных особенностей этого вида электрических машин), не боится перегрузок переходных режимов, связанных с пуском под нагрузкой из потребителей этой реактивной мощности — всех электробытовых приборов и электроинструмента, содержащих электродвигатели.

Асинхронный генератор, сам являясь потребителем реактивной мощности, перегрузок при пуске под нагрузкой с потребителями реактивной мощности боится больше — имеется вероятность протекания больших токов и перегрева статорной обмотки. Для ликвидации этого недостатка профессиональные асинхронные генераторы снабжены пусковыми конденсаторами, которые после стабилизации величины тока статора через несколько секунд после пуска отключаются.

Синхронный генератор, в отличие от асинхронного, меньше боится электрических перегрузок в установившемся режиме, поскольку снабжён системой автоматического регулирования через обратную связь по току и напряжению.

В асинхронном генераторе сила сцепления электромагнитных полей ротора и статора искусственно не регулируется, а имеет значение, описываемое естественной характеристикой.

Несмотря на некоторые слабые стороны, асинхронные генераторы завоевали себе популярность более простой конструкцией, неприхотливостью, отсутствием необходимости квалифицированного технического обслуживания и сравнительной дешевизной.

Синхронный генератор переменного тока необходимо выбрать в следующих случаях:

1. по условиям эксплуатации подключаемых электрических приёмников предъявляются повышенные требования к стабильности величины напряжения и частоты;

2. вероятны перегрузки в переходном режиме при подключении к работающему генератору электрических приемников, являющихся потребителями реактивной мощности;

3. возможны перегрузки в переходном режиме при пуске генератора под нагрузкой из включённых приёмников, являющихся потребителями реактивной мощности;

4. случаются перегрузки в установившемся режиме, когда к генератору подключены приёмники — потребители как активной, так и реактивной мощности.

Асинхронный генератор переменного тока следует предпочесть, если:

1. к величине напряжения и частоте не ставится высоких требований;

2. работа генератора предполагается в запылённых условиях;

3. отсутствует возможность квалифицированного технического обслуживания;

4. нет возможности приобрести более дорогостоящий синхронный генератор.

5. вероятны перегрузки в переходном режиме, но генератор снабжён дополнительными пусковыми конденсаторами.

Следует отметить, что как синхронный, так и асинхронный генераторы не переносят чрезмерных перегрузок, превышающих их максимальную мощность. В таких случаях срабатывает электрическая защита, предохраняющая агрегат от выхода из строя. Для того, чтобы избежать аварийных ситуаций, нужно знать, как рассчитать мощность генератора, исходя из максимальной величины предполагаемой нагрузки.

Генераторы электростанций. Синхронные генераторы.

Отличительным признаком синхронного генератора является жёсткая связь между частотой f переменной ЭДС, наведённой в обмотке статора, и частотой вращения ротора n, называемой синхронной частотой вращения: n = f / p, где p – число пар полюсов обмотки статора и ротора. Обычно частота вращения выражается в об/мин, а частота ЭДС в Герцах (1/сек), тогда для количества оборотов в минуту формула примет вид: n = 60·f / p.

На статоре 1 расположена трёхфазная обмотка, принципиально не отличающаяся от аналогичной обмотки асинхронной машины. На роторе расположен электромагнит с обмоткой возбуждения 2, получающей питание постоянным током, как правило, через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, расположенных на роторе, и двух неподвижных щёток. В некоторых случаях в конструкции ротора синхронного генератора вместо электромагнитов могут использоваться постоянные магниты, тогда необходимость в наличии контактов на валу отпадает, но существенно ограничиваются возможности стабилизации выходных напряжений.

Приводным двигателем (ПД), в качестве которого используется турбина, двигатель внутреннего сгорания либо другой источник механической энергии, ротор генератора приводится во вращение с синхронной скоростью. При этом магнитное поле электромагнита ротора также вращается с синхронной скоростью и индуцирует в трёхфазной обмотке статора переменные ЭДС EA, EB и EC , которые будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120°), образуют симметричную трёхфазную систему ЭДС.

C подключением нагрузки к зажимам обмотки статора С1, С2 и С3 в фазах обмотки статора появляются токи IA, IB, IC , которые создают вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора. Таким образом, в синхронном генераторе магнитное поле статора и ротор вращаются синхронно. Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе e = 2Blwv = 2πBlwDn.

Здесь: B – магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл; l – активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, т.е. длина сердечника статора, м; w – количество витков; v = πDn – линейная скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с; D – внутренний диаметр сердечника статора, м.

Формула ЭДС показывает, что при неизменной частоте вращения ротора n форма графика переменной ЭДС обмотки якоря (ста- тора) определяется исключительно законом распределения магнитной индукции B в зазоре между статором и полюсами ротора. Если график магнитной индукции в зазоре представляет собой синусоиду B = Bmax sinα , то ЭДС генератора также будет синусоидальной. В синхронных машинах всегда стремятся получить распределение индукции в зазоре как можно ближе к синусоидальному.

Так, если воздушный зазор δ постоянен, то магнитная индукция B в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (график 1). Если же края полюсов ротора «скосить» так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен δmax, то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (график 2), а, следовательно, и график ЭДС, индуцированной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде. Частота ЭДС синхронного генератора f (Гц) пропорциональна синхронной частоте вращения ротора n (об/с) f = pn, где p – число пар полюсов.

В рассматриваемом генераторе два полюса, т.е. p = 1. Для получения ЭДС промышленной частоты (50 Гц) в таком генераторе ротор необходимо вращать с частотой n = 50 об/с (n = 3000 об/мин).

Система возбуждения вертикального синхронного двигателя. Системы возбуждения синхронных двигателей Система возбуждения синхронного двигателя

Система возбуждения синхронной машины состоит из возбудителя и системы регулирования тока возбуждения, замыкающегося в обмотке возбуждения синхронной машины и в обмотках возбудителя. Система возбуждения должна обеспечивать надежную работу синхронной машины, выполняя регулирование тока возбуждения, форсировку возбуждения, гашение поля возбуждения. Эти процессы в крупных машинах осуществляются автоматически. Системы возбуждения делятся на два типа — прямые и косвенные.

В прямых системах возбуждения якорь возбудителя жестко соединен с валом синхронной машины. В косвенных системах возбуждения возбудитель приводится во вращение двигателем, который питается от шин собственных нужд электростанции или вспомогательного генератора. Последний может быть соединен с валом синхронной машины или работать автономно. Прямые системы более надежны, так как при аварийных ситуациях в энергосистеме ротор возбудителя продолжает вращаться вместе с ротором синхронной машины и обмотка возбуждения не обесточивается.

На рис. 4.79, а -в приведены наиболее распространенные схемы возбуждения синхронных машин.

На рис. 4.79, а представлена наиболее распространенная прямая схема с электромашинными возбудителями. К обмотке возбуждения ОВГ синхронного генератора СГ постоянный ток через контактные кольца подается с якоря возбудителя В. Обмотка возбуждения возбудителя ОВВ питается от якоря подвозбудителя ПДВ. Управление током в обмотке возбуждения синхронного генератора осуществляется резистором R p , включенным в цепь обмотки возбуждения подвозбудителя ОВПДВ.

Подвозбудитель и возбудитель — генераторы постоянного тока. Их якоря муфтами соединены с ротором синхронного генератора. Мощность обмотки возбуждения ге-

Рис. 4.79.

нераторов постоянного тока составляет 0,2-5% мощности генератора. Поэтому мощность управления в каскадной схеме из двух генераторов постоянного тока (см. рис. 4.79, а) составляет несколько процентов мощности возбуждения синхронного генератора. Коэффициент усиления схемы равен произведению коэффициентов усиления по мощности двух генераторов постоянного тока (И) 2 -10 3).

Предельная мощность генератора постоянного тока с частотой вращения 3000 об/мин примерно 600 кВт. Поэтому генераторы постоянного тока в качестве возбудителей могут применяться в турбогенераторах мощностью 100-150 МВт. Генераторы постоянного тока в качестве возбудителей находят широкое применение в синхронных двигателях и синхронных генераторах автономных энергетических систем.

На рис. 4.79, б дана схема косвенного возбуждения с возбудителем — генератором постоянного тока с независимым возбуждением. Якорь генератора постоянного тока вращается асинхронным АД или синхронным двигателем, которые подсоединяются к сети переменного тока, не зависящей от напряжения синхронного генератора.

Наибольшее распространение получили схемы возбуждения со статическими преобразователями переменного тока в постоянный. В 1950-х гг. для возбуждения гидрогенераторов применялась схема возбуждения с ртутными выпрямителями, а в последнее время широкое применение находят

тиристорные схемы возбуждения, которые могут быть контактными и бесконтактными. В контактных схемах через кольца ток возбуждения от тиристорного преобразователя подается на обмотку возбуждения. При этом переменный ток на тиристорный преобразователь подается или от элек- тромашинного возбудителя, или от сети.

В крупных турбогенераторах в качестве электромашин- ного источника электрической энергии используется индукторный высокочастотный генератор (рис. 4.80). Ротор индукторного генератора жестко связан с ротором турбогенератора. На роторе индукторного генератора нет обмоток, а обмотки якоря расположены на статоре. Принцип действия индукторного генератора рассматривается в параграфе 4.23.

В бесщеточных системах возбуждения обмотка якоря и выпрямители находятся на роторе. Возбудитель выполняется многофазным для турбогенератора мощностью 1000 МВт, 1500 об/мин. Возбудитель имеет длину 3 м. Мощность возбудителя в кратковременном режиме 7,2 МВт и при длительной работе 2,8 МВт. Максимальный ток 9,6 к А при напряжении 0,75 кВ. В турбогенераторе мощностью 500 МВт мощность возбудителя 2,4 МВт.

Ко всем системам возбуждения предъявляются жесткие требования, регламентированные ГОСТ 21558-2000. Систе-


Рис. 4.80. Индукторный возбудитель турбогенераторов мы возбуждения должны обеспечивать форсировку возбуждения при снижении напряжения сети и аварийных режимах. Согласно указанному ГОСТу кратность предельного установившегося напряжения возбудителя (отношение максимального напряжения возбудителя к номинальному напряжению возбудителя) для крупных генераторов и синхронных компенсаторов равна 1,8-2, для других синхронных машин — 1,4-1,6.

Системы возбуждения должны быть быстродействующими. Номинальная скорость нарастания напряжения возбудителя, т.е. изменение напряжения от номинального до максимального, должна быть 1 — 1,5 с для крупных машин, а для остальных 0,8-1 с.

Регулирование тока возбуждения, как правило, осуществляется путем изменения напряжения возбудителя. Так как возбудитель не насыщен, ток возбуждения изменяется пропорционально напряжению. Только в синхронных машинах небольшой мощности регулирование тока возбуждения осуществляется реостатами.

Гашение поля при аварийных режимах обеспечивается ЛГП за 0,8-1,5 с. Обычно сопротивление, на котором происходит гашение поля, в 5 раз превышает сопротивление контура возбуждения, а напряжение на нем в переходном процессе не превышает более чем в 5 раз напряжение возбуждения.

Наряду с системами возбуждения, рассмотренными выше, применяются системы возбуждения от высших гармоник и обратной последовательности.

В воздушном зазоре электрической машины существует бесконечный спектр гармоник поля, которые вращаются со скоростью, отличающейся от основной гармоники, или вращаются в противоположном направлении по отношению к основной гармонике. Высшие гармоники поля наводят в обмотках ротора напряжения, зависящие от скольжения и амплитуды гармоники. Если закоротить обмотки ротора выпрямителями, в них будет протекать пульсирующий ток высших гармоник, который создаст постоянный поток возбуждения (рис. 4.81).

Обычно для возбуждения используется 3-я гармоника поля и выполняется специальная обмотка на роторе с числом полюсов, в 3 раза большим по отношению к основной гармонике. С возбуждением от 3-й гармоники выпускается серия синхронных генераторов ЕС мощностью до 100 кВт.

Представляет интерес использование для возбуждения обратного поля. В однофазных двигателях при возбуждении от обратной последовательности (см. рис. 4.81) могут быть получены массогабаритные и энергетические характеристики, близкие к характеристикам трехфазных асинхронных двигателей.

Рис. 4.81.

Системы возбуждения синхронных машин весьма разнообразны и во многом определяют конструкцию синхронной машины. Некоторые видоизменения систем возбуждения будут рассмотрены при изучении специальных синхронных машин.

Дмитрий Левкин

Конструкция синхронного электродвигателя с обмоткой возбуждения

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения, как и любой вращающийся , состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Статор обычно имеет стандартную трехфазную обмотку, а ротор выполнен с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения соединена с контактными кольцами к которым через щетки подходит питание.

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения (щетки не показаны)

Принцип работы

Постоянная скорость вращения синхронного электродвигателя достигается за счет взаимодействия между постоянным и вращающимся магнитным полем. Ротор синхронного электродвигателя создает постоянное магнитное поле, а статор – вращающееся магнитное поле.

Работа синхронного электродвигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора

Статор: вращающееся магнитное поле

На обмотки катушек статора подается трехфазное переменное напряжение. В результате создается вращающееся магнитное поле, которое вращается со скоростью пропорциональной частоте питающего напряжения. Подробнее о том, как посредством трехфазного напряжения питания образуется можно прочитать в статье » «.


Взаимодействие между вращающимся (у статора) и постоянным (у ротора) магнитными полями

Ротор: постоянное магнитное поле

Обмотка ротора возбуждается источником постоянного тока через контактные кольца. Магнитное поле создаваемое вокруг ротора возбуждаемое постоянным током показано ниже. Очевидно, что ротор ведет себя как постоянный магнит, так как имеет такое же магнитное поле (в качестве альтернативы можно представить, что ротор сделан из постоянных магнитов). Рассмотрим взаимодействие ротора и вращающегося магнитного поля. Предположим вы придали ротору начальное вращение в том же направлении как у вращающегося магнитного поля. Противоположные полюса вращающегося магнитного поля и ротора будут притягиваться друг к другу и они будут сцепляться с помощью магнитных сил. Это значит, что ротор будет вращаться с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле, то есть ротор будет вращаться с синхронной скоростью.

Магнитные поля ротора и статора сцепленные друг с другом

Синхронная скорость

Скорость с которой вращается магнитное поле может быть вычислена по следующему уравнению:

  • где N s – частота вращения магнитного поля, об/мин,
  • f – частота тока статора, Гц,
  • p – количество пар полюсов.

Это значит, что скорость синхронного электродвигателя может очень точно контролироваться изменением частоты питающего тока. Таким образом эти электродвигатели подходят для высокоточных приложений.

Прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети

Почему синхронные электродвигатели не запускаются от электрической сети?

Если ротор не имеет начального вращения, ситуация отличается от описанной выше. Северный полюс магнитного поля ротора будет притягиваться к южному полюсу вращающегося магнитного поля, и начнет двигаться в том же направлении. Но так как ротор имеет определенный момент инерции, его стартовая скорость будет очень низкой. За это время южный полюс вращающегося магнитного поля будет замещен северным полюсом. Таким образом появятся отталкивающие силы. В результате чего ротор начнет вращаться в обратную сторону. Таким образом ротор не сможет запуститься.

Демпферная обмотка — прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети

Чтобы реализовать самозапуск синхронного электродвигателя без системы управления между наконечниками ротора размещается «беличья клетка», которая также называется демпферной обмоткой. При запуске электродвигателя катушки ротора не возбуждаются. Под действием вращающегося магнитного поля, индуцируется ток в витках «беличьей клетки» и ротор начинает вращаться подобно тому, как запускаются .

Когда ротор достигает своей максимальной скорости, подается питание на обмотку возбуждения ротора. В результате, как говорилось ранее, полюса ротора сцепляются с полюсами вращающегося магнитного поля и ротор начинает вращаться с синхронной скоростью. При вращении ротора с синхронной скоростью, относительное движение между белечьей клеткой и вращающимся магнитным полем равно нулю. Это значит, что отсутствует ток в короткозамкнутых витках, а следовательно «беличья клетка» не оказывает воздействия на синхронную работу электродвигателя.

Выход из синхронизма

Синхронные электродвигатели имеют постоянную скорость независящую от нагрузки (при условии что нагрузка не превышает макимально допустимую). Если момент нагрузки больше, чем момент создаваемый самим электродвигателем, то он выйдет из синхронизма и остановиться. Низкое напряжение питания и низкое напряжение возбуждения также могут быть причинами выхода двигателя из синхронизма.

Синхронный компенсатор

Синхронные электродвигатели могут также использоваться для улучшения коэффициента мощности системы. Когда единственной целью использования синхронных электродвигателей является улучшение коэффициента мощности их называют синхронными компенсаторами . В таком случае вал электродвигателя не соединяется с механической нагрузкой и вращается свободно.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Введение

Синхронные машины — это бесколлекторные машины переменного тока. По своему устройству они отличаются от асинхронных машин лишь конструкцией ротора, который может быть явнополюсным или неявнополюсным. Что же касается свойств, то синхронные машины отличаются синхронной частотой вращения ротора (n 2 = n 1 = const) при любой нагрузке, а также возможностью регулирования коэффициента мощности, устанавливая такое его значение, при котором работа синхронной машины становится наиболее экономичной. Синхронные машины обратимы и могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Синхронные генераторы составляют основу электротехнического оборудования электростанций, т. е. практически вся электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами. Единичная мощность современных синхронных генераторов достигает миллиона киловатт и более. Синхронные двигатели применяются главным образом для привода устройств большой мощности. Такие двигатели по своим технико-экономическим показателям превосходят двигатели других типов. В крупных электроэнергетических установках синхронные машины иногда используются в качестве компенсаторов — генераторов реактивной мощности, позволяющих повысить коэффициент мощности всей установки. В данном разделе рассмотрены главным образом трехфазные синхронные машины. Приведены также сведения по некоторым типам синхронных двигателей весьма малой мощности, применяемым в устройствах автоматики и приборной техники.

1. Способы возбуждения и устройство синхронных машин

1. 1 Возбуждение синхронных машин

При рассмотрении принципа действия синхронного генератора было установлено, что на роторе синхронного генератора расположен источник МДС (индуктор), создающий в генераторе магнитное поле. С помощью приводного двигателя (ПД) ротор генератора приводится во вращение с синхронной частотой n 1 . При этом магнитное поле ротора также вращается и, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней ЭДС.

Синхронные двигатели конструктивно почти не отличаются от синхронных генераторов. Они также состоят из статора с обмоткой и ротора. Поэтому независимо от режима работы любая синхронная машина нуждается в процессе возбуждения — наведения в ней магнитного поля.

Основным способом возбуждения синхронных машин является электромагнитное возбуждение, сущность которого состоит в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения. При прохождении по этой обмотке постоянного тока возникает МДС возбуждения, которая наводит в магнитной системе машины магнитное поле.

До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.1, а), обмотка возбуждения которого (ОВ) получала питание постоянного тока от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронной машины и якоря возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронной машины поступает через контактные кольца и щетки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя (r 1) и подвозбудителя (r 2).

В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах большой мощности — турбогенераторах — иногда в качестве возбудителя применяют генераторы переменного тока индукторного типа (см. § 23.6). На выходе такого генератора включают полупроводниковый выпрямитель.

Рис. 1.1. Контактная (а) и бесконтактная (б) системы электромагнитного возбуждения синхронных генераторов

Регулировка тока возбуждения синхронного генератора в этом случае осуществляется изменением возбуждения индукторного генератора.

Получила применение в синхронных генераторах бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе.

В качестве возбудителя и в этом случае применяют генератор переменного тока (рис. 1.1, 5), у которого обмотка 2, в которой наводится ЭДС (обмотка якоря), расположена на роторе, а обмотка возбуждения 1 расположена на статоре. В результате обмотка якоря возбудителя и обмотка возбуждения синхронной машины оказываются вращающимися, и их электрическое соединение осуществляется непосредственно, без контактных колец и щеток. Но так как возбудитель является генератором переменного тока, а обмотку возбуждения необходимо питать постоянным током, то на выходе обмотки якоря возбудителя включают полупроводниковый преобразователь 3, закрепленный на валу синхронной машины и вращающийся вместе с обмоткой возбуждения синхронной машины и обмоткой якоря возбудителя. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя осуществляется от подвозбудителя (ПВ) — генератора постоянного тока.

Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронной машины позволяет повысить ее эксплуатационную надежность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в том числе гидрогенераторах (см. § 1.2), получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.2, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь (ПП) преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного магнетизма магнитопровода машины.

Рис. 1.2. Принцип самовозбуждения синхронных генераторов

На рис. 1.2, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подается в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора побуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на выходе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты БЗ, обеспечивающий защиту обмотки возбуждения и тиристорного преобразователя ТП от перенапряжений и токовой перегрузки.

В современных синхронных двигателях для возбуждения применяют тиристорные возбудительные устройства, включаемые в сеть переменного тока и осуществляющие автоматическое управление током возбуждения во всевозможных режимах работы двигателя, в том числе и переходных. Такой способ возбуждения является наиболее надежным и экономичным, так как КПД тиристорных возбудительных устройств выше, чем у генераторов постоянного тока. Промышленностью выпускаются тиристорные возбудительные устройства на различные напряжения возбуждения с допустимым значением постоянного тока 320 А.

Наибольшее распространение в современных сериях синхронных двигателей получили возбудительные тиристорные устройства типов ТЕ8-320/48 (напряжение возбуждения 48 В) и ТЕ8-320/75 (напряжение возбуждения 75 В). Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5% полезной мощности машины (меньшее значение относится к машинам большой мощности).

В синхронных машинах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, когда на роторе машины располагаются постоянные магниты. Такой способ возбуждения дает возможность избавить машину от обмотки возбуждения. В результате конструкция машины упрощается, становится более экономичной и надежной. Однако из-за дефицитности материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничивается лишь машинами мощностью не более нескольких киловатт.

1.2 Типы синхронных машин и их устройство

Синхронная машина состоит из неподвижной части — статора — и вращающейся части — ротора. Статоры синхронных машин в принципе не отличаются от статоров асинхронных двигателей, т. е. состоят из корпуса, сердечника и обмотки.

Конструктивное исполнение статора синхронной машины может быть различным в зависимости от назначения и габаритов машины. Так, в многополюсных машинах большой мощности при наружном диаметре сердечника статора более 900 мм пластины сердечника делают из отдельных сегментов, которые при сборке образуют цилиндр сердечника статора. Корпуса статоров крупногабаритных машин делают разъемными, что необходимо для удобства транспортировки и монтажа этих машин.

Роторы синхронных машин могут иметь две принципиально различающиеся конструкции: явнополюсную и неявнополюсную.

В энергетических установках по производству электроэнергии переменного тока в качестве первичных (приводных) двигателей синхронных генераторов применяют в основном три вида двигателей: паровые турбины, гидравлические турбины либо двигатели внутреннего сгорания (дизели). Применение любого из перечисленных двигателей принципиально влияет на конструкцию синхронного генератора.

Если приводным двигателем является гидравлическая турбина, то синхронный генератор называют гидрогенератором Гидравлическая турбина обычно развивает небольшую частоту вращения (60—500 об/мин), поэтому для получения переменного тока промышленной частоты (50 Гц) в гидрогенераторе применяют ротор с большим числом полюсов. Роторы гидрогенераторов имеют явнополюсную конструкцию, т. е. с явно выраженными полюсами, при которой каждый полюс выполняют в виде отдельною узла, состоящего из сердечника 1, полюсного наконечника 2 и полюсной катушки 3 (рис. 1.3, а). Все полюсы ротора закреплены на ободе 4, являющемся также и ярмом магнитной системы машины, в котором замыкаются потоки полюсов. Гидрогенераторы обычно изготовляются с вертикальным расположением вала (рис. 1.4).

Паровая турбина работает при большой частоте вращения, поэтому приводимый ею во вращение генератор, называемый турбогенератором, является быстроходной синхронной машиной. Роторы этих генераторов выполняют либо двухполюсными (n 1 = 3000 об/мин), либо четырехполюсными (n 1 = 1500 об/мин).

Рис. 1.3. Конструкция роторов синхронных машин: а — ротор с явно выраженными полюсами; б — ротор с неявно выраженными полюсами

Рис. 1.4. Гидрогенератор Братской ГЭС (225 МВт, 15,8 кВ, 125 об/мин): 1 — корпус статора; 2 — сердечник статора; 3 — полюс ротора; 4 — обод ротора; 5 — грузонесущая крестовина

В процессе работы турбогенератора на его ротор действуют значительные центробежные силы. Поэтому по условиям механической прочности в турбогенераторах применяют неявнополюсный ротор, имеющий вид удлиненного стального цилиндра с профрезерованными на поверхности продольными пазами для обмотки возбуждения (см. рис. 1.3, б). Сердечник неявнополюсного ротора изготовляют в виде цельной стальной поковки вместе с хвостовиками (концами вала) или же делают сборным. Обмотка возбуждения неявнополюсного ротора занимает лишь 2/3 его поверхности (по периметру). Оставшаяся 1/3 поверхности образует полюсы. Для защиты лобовых частей обмотки ротора от разрушения действием центробежных сил ротор с двух сторон прикрывают стальными бандажными кольцами (каппами), изготовляемыми обычно из немагнитной стали.

Рис 1.5. Турбогенератор: 1 — возбудитель, 2 — корпус, 3 — сердечник статора, 4 — секции водородного охлаждения, 5 — ротор

Турбогенераторы (рис. 1.5) и дизельгенераторы изготовляют с горизонтальным расположением вала. Дизельгенераторы рассчитывают на частоту вращения 600—1500 об/мин и выполняют с явнополюсным ротором (рис. 1.6). ротор ток электромагнитный

Большую группу синхронных машин составляют синхронные двигатели, которые обычно изготовляются мощностью до нескольких тысяч киловатт и предназначены для привода мощных вентиляторов, мельниц, насосов и других устройств, не требующих регулирования частоты вращения. Рассмотрим устройство синхронного двигателя серии СДН2 (рис. 1.7). Двигатели этой серии изготовляются мощностью от 315 до 4000 кВт при частотах вращения от 300 до 1000 об/мин и предназначены для включения в сеть частотой 50 Гц при напряжении 6 кВ.

Сердечник статора 4, запрессованный в стальной корпус, состоит из пакетов-сегментов, собранных из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Для лучшего охлаждения двигателя пакеты разделены радиальными вентиляционными каналами шириной по 10 мм. Обмотка статора 12 двухслойная с укороченным шагом (см. гл. 7). Сердечники полюсов 11 ротора крепятся к остову 3 шпильками 5. Обмотка ротора состоит из полюсных катушек. Контактные кольца 8 крепятся на конце вала. На роторе имеются лопатки 6 центробежного вентилятора. Стояковые подшипники скольжения 2 и 7 установлены на подшипниковых полущитах 1 и 9. Двигатель с торцовых сторон прикрыт стальными щитами 13.

Рис 1.6. Синхронный генератор (дизель-генератор): 1 — контактные кольца, 2 — щеткодержатели, 3 — полюсная катушка ротора, 4 — полюсный наконечник, 5 — сердечник статора, 6 — вентилятор, 7 — вал

В обшивке 10 корпуса имеются вентиляционные окна, прикрытые жалюзи. На боковой поверхности корпуса расположена коробка выводов 14. Возбуждение двигателей осуществляется от тиристорных преобразователей с автоматическим регулированием тока возбуждения при пуске и остановке двигателей.

Рис. 1.7 Устройство синхронного двигателя серии СДН2

На рис. 1.8 показано более подробно устройство элемента синхронного двигателя, характерное для большинства конструкций. На вал 1 посажен шихтованный обод 2, на котором посредством Т-образного хвостовика крепится сердечник полюса 3, выполненный заодно с полюсным наконечником. Сердечники полюсов изготовлены из штампованных листов конструкционной стали толщиной 1,0 или 1,5 мм. Хвостовик полюса запирается в продольном пазе обода посредством клиньев 9. Возможно также крепление полюсов к ободу посредством «ласточкина хвоста» (см. рис. 1.3) или шпилек. Стальные щеки 4, стягиваемые шпильками, предотвращают распушение пакета полюса ротора. Щеки имеют заплечики, удерживающие полюсную катушку ротора 5.

Рис 1.8. Полюс синхронного двигателя

В пазах полюсных наконечников расположены латунные или медные стержни 6 пусковой (успокоительной) обмотки, замкнутые с двух сторон сегментами 7.

Между наружной поверхностью полюсного наконечника и внутренней поверхностью сердечника статора 8 имеется воздушный зазор. По оси полюса этот зазор д минимален, а на краях — максимален S max . Такая конфигурация полюсного наконечника необходима для синусоидального распределения магнитной индукции в воздушном зазоре. Она достигается тем, что поверхность полюсного наконечника имеет радиус R

1. 3 Охлаждение крупных синхронных машин

В крупных электрических машинах применяют замкнутую систему охлаждения (см.§18.2) с использованием водорода в качестве охлаждающего газа. Особые свойства водорода обеспечивают водородному охлаждению ряд преимуществ:

1.Технический водород более чем в десять раз легче воздуха, что способствует снижению потерь на вентиляцию, а следовательно, повышает КПД машины. Например, в турбогенераторе мощностью 150 тыс. кВт потери на вентиляцию при воздушном охлаждении составляют 1000 кВт, а при водородном охлаждении турбогенератора такой же мощности эти потери составляют всего лишь 140 кВт, т. е. более чем в семь раз меньше.

2.Благодаря повышенной теплопроводности водорода, которая в 6 —7 раз больше, чем у воздуха, он интенсивнее охлаждает машину. Это дает возможность при заданных габаритах изготовить машину с водородным охлаждением мощностью на 20 — 25% больше, чем при воздушном охлаждении.

3.Водородное охлаждение снижает опасность возникновения пожара в машине потому, что водород не поддерживает горения.

4.Водородное охлаждение увеличивает срок службы изоляции обмоток, так как при явлении короны благодаря отсутствию азота в машине не образуются нитраты — соединения, разъедающие органические составляющие изоляционных материалов.

Эффективность водородного охлаждения повышается с ростом давления водорода в машине. Но наряду с перечисленными достоинствами водородное охлаждение имеет и недостатки, сущность которых сводится к тому, что водородное охлаждение ведет к усложнению и удорожанию как самой машины, так и ее эксплуатации. Объясняется это, в первую очередь, необходимостью содержания целого комплекса устройств водородного хозяйства, обеспечивающего подпитку, очистку и поддержание требуемого давления водорода в системе охлаждения машины. Однако в машинах большой единичной мощности (турбогенераторах, гидрогенераторах, синхронных компенсаторах) водородное охлаждение оправдано и дает большой экономический эффект.

Рассмотренные способы охлаждения машин являются косвенными, так как происходят без непосредственного контакта охлаждающего вещества с наиболее нагретыми элементами машины — обмотками. Отбор теплоты от обмоток при этих способах охлаждения происходит через электрическую изоляцию (в лобовых частях) и сталь магнитопровода, что снижает эффективность процесса охлаждения. Поэтому более эффективным является непосредственное охлаждение обмоток и других нагреваемых элементов машины. Для осуществления этого способа охлаждения в проводниках обмотки и сердечниках делают внутренние каналы, по которым циркулирует охлаждающее вещество — водород, вода, масло. Непосредственный контакт охлаждающего вещества с проводниками обмоток и внутренними слоями магнитопроводов повышает интенсивность теплоотвода и позволяет существенно увеличить удельные электромагнитные нагрузки машины (плотность тока и максимальное значение магнитной индукции). Обычно непосредственное охлаждение применяют в электрических машинах весьма большой мощности — турбо- и гидрогенераторах, что позволяет значительно увеличить единичную мощность этих машин.

2. Магнитное поле и характеристики синхронных генераторов

2. 1 Магнитная цепь синхронной машины

В режиме х.х. синхронной машины, т. е. при отсутствии тока I 1 в обмотке статора, магнитное поле создается лишь МДС обмотки возбуждения F в0 . Форма графика распределения индукции в зазоре явнополюсной машины в этом случае зависит от конфигурации полюсных наконечников полюсов ротора. Для придания этой кривой формы, близкой к синусоидальной, воздушный зазор делают неравномерным, увеличивая его на краях полюсных наконечников.

Основной магнитный поток явнополюсной синхронной машины, замыкаясь в магнитной системе машины, сцепляется с обмоткой статора. Как и в асинхронных неявнополюсных машинах (см. § 11.1), магнитная система явнополюсной синхронной машины представляет собой разветвленную симметричную магнитную систему (рис. 2.1, а), состоящую из 2р параллельных ветвей. Каждая из таких ветвей представляет собой неразветвленную магнитную цепь, содержащую одну пару полюсов (рис. 2.1, б). Основной магнитный поток Ф, замыкаясь в магнитной цепи, проходит ряд участков (рис. 2.2): воздушный зазор д, зубцовый слой статора h z 1 , зубцовый слой ротора h z 2 , полюс ротора h m , спинку статора L 1 и спинку ротора (обод) L об.

Сумма магнитных напряжений на всех перечисленных участках магнитной цепи определяет МДС обмотки возбуждения на пару полюсов в режиме х.х. (А):

F во = ? F = 2 F д + 2 F z 1 +2 F z 2 + 2 F m + F c 1 + F об , (2.1)

где F д, F z 1 , F z 2 , F m , F с1 и F o 6 — соответственно магнитные напряжения зазора, зубцовых слоев статора и ротора, полюсов, спинки статора и обода, А.

Порядок расчета магнитных напряжений на участках магнитной цепи в принципе такой же, как и при расчете магнитной цепи асинхронной машины (см. гл. 11). При расчете магнитного напряжения полюсов и спинки ротора необходимо иметь в виду, что магнитный поток на этих участках несколько больше основного магнитного потока Ф на величину потока рассеяния ротора Ф у представляющего собой небольшую часть общего потока полюсов Ф m не проходящего через зазор д, замыкающегося в межполюсном пространстве:

Ф m = Ф + Ф у = Ф(1 + Ф/ Ф у ) = Ф у m , (2.2)

где у m — коэффициент магнитного рассеяния полюсов ротора.

Рис. 2.1. Магнитная система явнополюсной синхронной машины

Рис. 2.2. Участки магнитной цепи явнополюсной синхронной машины

Для синхронных явнополюсных машин коэффициент

у m = 1 + 0, 2 k м 1 (2.3)

k м 1 = F 10 / (2 F д ) (2.4)

Коэффициент магнитного насыщения сердечника статора синхронной машины;

F 10 = 2 F д + 2 F z 1 + F c 1

Сумма магнитных напряжений в сердечнике статора и воздушном зазоре, А.

Для синхронных явнополюсных машин коэффициент магнитного рассеяния полюсов ротора у m = 1,1 ч 1,4 в зависимости от степени магнитного насыщения магнитопровода машины и числа полюсов (с ростом числа полюсов 2р уменьшается межполюсное пространство ротора машины и магнитное рассеяние увеличивается). После расчета магнитной цепи синхронной машины строят магнитную характеристику машины, аналогичную представленной на рис. 1.3. Используя МДС обмотки возбуждения в режиме х.х. ? F , путем дополнительных расчетов определяют МДС обмотки возбуждения при нагрузке F в.н. Обычно F в.н = (2,0 ч 2,2) ?F .

Полученное значение МДС F в.н позволяет рассчитать число витков в полюсной катушке ротора:

W к.в = F в.н / (2 I в ) , (2.5)

где I в — ток в обмотке возбуждения синхронной машины, А.

2. 2 Магнитное поле синхронной машины

В настоящей главе рассматривается трехфазный синхронный генератор, работающий на симметричную нагрузку так, что все фазы обмотки нагружены равномерно, т. е. в них наводятся одинаковые ЭДС и проходят равные по значению и сдвинутые по фазе относительно друг друга на угол 120° токи. Из гл. 9 известно, что в этих условиях трехфазная обмотка статора создает вращающуюся синхронно с ротором МДС, максимальное значение которой определяется выражением (9.16):

F 1 = 0,45 m 1 I 1 w 1 k об1 / p .

Как будет показано в § 2.3, вектор МДС статора может занимать разные пространственные положения относительно оси полюсов ротора.

В неявнополюсной синхронной машине воздушный зазор равномерен, а поэтому пространственное, положение вектора МДС статора относительно оси полюсов ротора не влияет на величину и график распределения магнитного поля статора.

В явнополюсной синхронной машине воздушный зазор неравномерен из-за наличия значительного межполюсного пространства, не заполненного сталью (рис. 2.3), и магнитное сопротивление потоку статора Ф d по продольной оси dd намного меньше магнитного сопротивления потоку статора Ф q по поперечной оси qq. Поэтому величина индукции магнитного поля статора и график ее распределения в воздушном зазоре в явнополюсных машинах зависят от пространственного положения вектора МДС обмотки статора F 1 или его составляющих.

Так, амплитуда основной гармоники индукции магнитного поля статора по продольной оси B 1 d 1 больше амплитуды основной гармоники индукции поля по поперечной оси В 1 q 1:

B 1 d 1 = B 1 k d ; B 1 q 1 = B 1 k q (2.6)

где В 1 — амплитудное значение магнитной индукции поля статора при равномерном зазоре; k d и k q — коэффициенты формы поля статора (якоря) по продольной и поперечной осям.

Коэффициенты k d и k q определяют степень уменьшения амплитуды основной гармоники поля статора (якоря) по продольной и поперечной осям, обусловленную неравномерностью воздушногo зазора в машинах с явнополюсным ротором.

Рис. 2.3. Магнитные поля статора синхронной явнополюсной машины по продольной (а) и поперечной (б) осям

Значения k d и k q зависят от отношения максимального и минимального воздушных зазоров д m ах /д, от относительной величины зазора д/ ф, а также от коэффициента полюсного перекрытия б i , При равномерном зазоре (д = const) отношение д m ах /д = 1. Полюсное деление ф определяют по (7.1). Коэффициент полюсного перекрытая б i = b р /ф, где b р — ширина полюсного наконечника (см. рис. 1.8).

При равномерном воздушном зазоре (д m ах /д =1) и весьма малой его относительной величине (д/ ф? 0) коэффициенты формы поля определяются выражениями

k d = [ рб i + sin(б i 180°)] ; (2.7)

k q = [ рб i sin(б i 180°)] /р . (2.8)

Из (2.7) и (2.8) видим, что при б i = 1, т. е. при неявнополюсном роторе, k d = k q = 1.

Обмотка возбуждения синхронной машины при прохождении по ней тока I в создает МДС на пару полюсов (А):

F в.н = I в 2 w к.в (2.9)

Рис. 2.4. Магнитные поля возбуждения неявнополюсной (а) и явнополюсной (б) синхронных машин

При этом форма магнитного поля возбуждения в зазоре машины зависит от конструкции ротора. Амплитуда основной гармоники этого поля В в1 определяется коэффициентом формы поля возбуждения

k f = B в1 / В в , (2.10)

где В в — максимальное значение магнитной индукции поля возбуждения (рис. 2.4).

Для неявнополюсного ротора коэффициент формы поля возбуждения (рис. 2.4, а)

k f = 8 sin г 90°/ (р 2 г ) (2.11)

где г = 2б/ ф — отношение обмотанной части полюса ротора ко всему полюсному делению. Обычно г = 0,67 ч 0,80. Наименьшее содержание высших гармоник поля соответствует г = 0,75.

Для явнополюсного ротора при равномерном зазоре и д/ф? 0 коэффициент формы поля возбуждения (рис. 2.4, б)

k f = 4 sin б i 90°/ р . (2.12)

Увеличение зазора на краях полюсов способствует приближению коэффициента k f к единице, т. е. приближает форму кривой индукции поля к синусоиде.

При неравномерном воздушном зазоре значения коэффициентов формы поля определяют по графикам, приводимым в руководствах по расчету синхронных машин .

2. 3 Реакция якоря синхронной машины

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нем одновременно действуют МДС возбуждения F в0 [см. (2.1)] и статора (якоря) F 1 [см. (9.15)], при этом МДС статора (якоря) воздействует на МДС возбуждения, усиливая или ослабляя поле возбуждения или же искажая его форму. Воздействие МДС обмотки статора (якоря) на МДС обмотки возбуждения называется реакцией якоря. Реакция якоря оказывает влияние на рабочие свойства синхронной машины, так как изменение магнитного поля в машине сопровождается изменением ЭДС, наведенной в обмотке статора, а следовательно, изменением и рада других величин, связанных с этой ЭДС. Влияние реакции якоря на работу синхронной машины зависит от значения и характера нагрузки.

Синхронные генераторы, как правило, работают на смешанную нагрузку (активно-индуктивную или активно-емкостную). Но для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря на работу синхронной машины целесообразно рассмотреть случаи работы генератора при нагрузках предельного характера, а именно: активной, индуктивной и емкостной. Воспользуемся для этого векторными диаграммами МДС. При построении этих диаграмм следует иметь в виду, что вектор ЭДС, индуцируемой магнитным потоком возбуждения в обмотке статора, отстает по фазе от вектора этого потока (а следовательно, и вектора МДС) на 90°. Что же касается вектора тока в обмотке статора I 1 , то он может занимать по отношению к вектору различные положения, определяемые углом, в зависимости от вида нагрузки.

(= 0). На рис. 2.5, а представлены статор и ротор двухполюсного генератора. На статоре показана часть фазной обмотки. Ротор явнополюсный, вращается против движения часовой стрелки. В рассматриваемый момент времени ротор занимает вертикальное положение, что соответствует максимуму ЭДС в фазной обмотке. Так как ток при активной нагрузке совпадает по фазе с ЭДС, то указанное положение ротора соответствует также и максимуму тока. Изобразив линии магнитной индукции поля возбуждения (ротора) и линии магнитной индукции поля обмотки статора, видим, что МДС статора направлена перпендикулярно МДС возбуждения. Этот вывод также подтверждается векторной диаграммой, построенной для этого же случая. Порядок построения этой диаграммы следующий: в соответствии с пространственным положением ротора генератора проводим вектор МДС возбуждения; под углом 90° к этому вектору в сторону отставания проводим вектор ЭДС, наведенной магнитным полем возбуждения в обмотке статора; при подключении чисто активной нагрузки ток в обмотке статора,

Рис. 2.5. Реакция якоря синхронного генератора при активной (а), индуктивной (б) и емкостной (в) нагрузках совпадает по фазе с ЭДС, а поэтому вектор МДС, создаваемый этим током, сдвинут в пространстве относительно вектора на 90°.

Такое воздействие МДС статора (якоря) на МДС возбуждения вызовет искажения результирующего поля машины: магнитное поле машины ослабляется под набегающим краем полюса и усиливается под сбегающим краем полюса (рис. 2.6). Вследствие насыщения магнитной цепи результирующее магнитное поле машины несколько ослабляется. Объясняется это тем, что размагничивание набегающих краев полюсных наконечников и находящихся над ними участков зубцового слоя статора происходит беспрепятственно, а подмагничивание сбегающих краев полюсных наконечников и находящихся над ними участков зубцового слоя статора ограничивается магнитным насыщением этих элементов магнитной цепи. В итоге результирующий магнитный поток машины ослабляется, т. е. магнитная система несколько размагничивается. Это ведет к уменьшению ЭДС машины Е 1 .

(= 90°). При чисто индуктивной нагрузке генератора ток статора отстает по фазе от ЭДС на 90°. Поэтому он достигает максимального значения лишь после поворота ротора вперед на 90° относительно его положения, соответствующего максимуму ЭДС (см. рис. 2.5, 6). При этом МДС действует вдоль оси полюсов ротора встречно МДС возбуждения. В этом мы также убеждаемся, построив векторную диаграмму.

Такое действие МДС статора F 1 ослабляет поле машины. Следовательно, реакция якоря в синхронном генераторе при чисто индуктивной нагрузке оказывает продольно-размагничивающее действие.

В отличие от реакции якоря при активной нагрузке в рассматриваемом случае магнитное поле не искажается.

(ш = 90° ). Так как ток, при емкостной нагрузке опережает по фазе ЭДС на 90°, то своего большего значения он достигает раньше, чем ЭДС, т. е. когда ротор займет положение, показанное на рис. 2.5, в. Магнитодвижущая сила статора так же, как и в предыдущем случае, действует по оси полюсов, но теперь уже согласно с МДС возбуждения.

При этом происходит усиление магнитного поля возбуждения. Таким образом, при чисто емкостной нагрузке синхронного генератора реакция якоря оказывает продольно-намагничивающее действие. Магнитное поле при этом не искажается.

При смешанной нагрузке синхронного генератора ток статора сдвинут по фазе относительно ЭДС на угол ш 1 , значения которого находятся в пределах 0

Рис. 2.6. Магнитное поле синхронного генератора при активной нагрузке

Рис. 2.7. Реакция якоря при смешанной нагрузке

При активно-индуктивной нагрузке (рис. 2.7, а) вектор отстает от вектора на угол 0

F 1 q = F 1 cos ш 1 , (2.13)

а продольная составляющая МДС статора (якоря) F 1 d представляющая собой МДС реакции якоря по продольной оси, пропорциональна реактивной составляющей тока нагрузки I d = I 1 sin ш 1 , т. е.

F 1 d = F 1 sin ш 1

При этом если реактивная составляющая тока нагрузки отстает по фазе от ЭДС (нагрузка активно-индуктивная), то МДС F 1 d размагничивает генератор, если же реактивная составляющая тока опережает по фазе ЭДС (нагрузка активно-емкостная), то МДС F 1 d подмагничивает генератор.

Направление вектора F 1 d относительно вектора определяется характером реакции якоря, который при токе нагрузки, отстающем по фазе от ЭДС, является размагничивающим, а при токе, опережающем по фазе ЭДС, — подмагничивающим.

Определить продольную и поперечную составляющие МДС статора (якоря) трехфазного синхронного генератора номинальной мощностью 150 кВА при напряжении 6,3 кВ, если его четырехполюсная обмотка статора с обмоточным коэффициентом k об1 = 0,92 содержит в каждой фазе по w 1 = 312 последовательно соединенных витков. Нагрузка генератора номинальная при cos = ш 1 0,8.

Решение. Ток нагрузки номинальный

I 1 = S ном / (U 1ном) = 150/ (6,3) = 13,76 А.

Максимальное значение МДС трехфазной обмотки статора по (9. IS)

F 1 =1,35 I 1 w 1 k o6l / p = l,3513,763120,92 / 2 = 2666 A.

Поперечная составляющая МДС статора по (2.13)

F 1 q = F 1 cos ш 1 = 2666 * 0,8 = 2133 А.

Продольная составляющая МДС статора по (2.14)

F 1 d = F 1 sin ш 1 = 2666 * 0,6 = 1600 А.

Магнитодвижущие силы реакции якоря по продольной F 1 d и поперечной F 1 q осям создают в магнитопроводе синхронной машины магнитные потоки реакции якоря. Основные гармоники этих потоков: по продольной оси

Ф 1 d = F 1 d / R м d = F 1 sin ш 1 / R м d ; (2.15)

по поперечной оси

Ф 1 q = F 1 q / R м q = F 1 cos ш 1 / R м q ; (2.16)

где R м d и R м q — магнитные сопротивления синхронной машины потокам основной гармоники по продольной и поперечной осям.

В неявнополюсной машине воздушный зазор по периметру расточки статора равномерен, а поэтому магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям равны (R м d = R м q = R м).

Магнитные потоки реакции якоря, сцепляясь с обмоткой статора, наводят в этой обмотке ЭДС реакции якоря:

по продольной оси

по поперечной оси

Здесь х а — индуктивное сопротивление реакции якоря, представляющее собой главное индуктивное сопротивление обмотки статора (Ом):

x a = 2,5 10 -6 m 1 f 1 , (2.19)

где D 1 — внутренний диаметр сердечника статора, м; l i — расчетная длина сердечника статора, м; д — воздушный зазор, м.

В явнополюсных синхронных машинах магнитные сопротивления машины потокам основной гармоники по продольной и поперечной осям не одинаковы (R м q > R м d):

R м d = R м / k d (2.20)

R м q = R м / k q (2.21)

где R м — магнитное сопротивление машины при равномерном воздушном зазоре по всему периметру расточки статора.

Это обстоятельство оказывает влияние на значения магнитных потоков реакции якоря, а следовательно, и на ЭДС реакции якоря. Количественно это влияние учитывается коэффициентами формы

= — j x a k q = — j x ad sin ш 1 (2.22)

= — j x aq k q = — j x aq cos ш 1 . (2.23)

Здесь x ad и x aq — индуктивные сопротивления реакции якоря явнополюсной машины: по продольной оси

x ad = x a k d ; (2.24)

по поперечной оси

x aq = x a k q . (2.25)

2. 4 Уравнения напряжений синхронного генератора

Напряжение на выводах генератора, работающего с нагрузкой, отличается от напряжения этого генератора в режиме х.х. Это объясняется влиянием ряда причин: реакцией якоря, магнитным потоком рассеяния, падением напряжения в активном сопротивлении обмотки статора.

Как было установлено, при работе нагруженной синхронной машины в ней возникает несколько МДС, которые, взаимодействуя, создают результирующий магнитный поток. Однако при учете факторов, влияющих на напряжение синхронного генератора, условно исходят из предположения независимого действия всех МДС генератора, т. е. предполагается, что каждая из МДС создает собственный магнитный поток.

Но следует отметить, что такое представление не соответствует физической сущности явлений, так как в одной магнитной системе возникает один лишь магнитный поток — результирующий. Но в данном случае предположение независимости магнитных потоков дает возможность лучше понять влияние всех факторов на работу синхронной машины.

Итак выясним, каково же влияние магнитодвижущих сил на работу явнополюсного синхронного генератора.

1. МДС обмотки возбуждения F в0 , создает магнитный поток возбуждения Ф 0 , который, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней основную ЭДС генератора Е 0 .

2. МДС реакции якоря по продольной оси F 1 d создает магнитный поток Ф 1 d , который наводит в обмотке статора ЭДС реакции якоря E 1 d [см. (2.22)], значение которой пропорционально индуктивному сопротивлению реакции якоря по продольной оси х ad [см. (2.24)]. Это сопротивление характеризует уровень влияния реакции якоря по продольной оси на работу синхронного генератора. Так, при насыщенной магнитной системе машины магнитный поток реакции якоря Ф 1 d меньше, чем при ненасыщенной магнитной системе. Объясняется это тем, что поток Ф 1 d почти полностью проходит по стальным участкам магнитопровода, преодолевая небольшой воздушный зазор (см. рис. 2.3, а), а поэтому при магнитном насыщении сопротивление этому потоку заметно возрастает. При этом индуктивное сопротивление x 1 d уменьшается.

3. МДС реакции якоря по поперечной оси F 1 q создает магнитный поток Ф 1 q , который наводит в обмотке статора ЭДС Е 1 q [см. (2.23)], значение которой пропорционально индуктивному сопротивлению реакции якоря по поперечной оси x aq [см. (2.25)]. Сопротивление х aq не зависит от магнитного насыщения машины, так как при явнополюсном роторе поток Ф 1 q проходит в основном по воздуху межполюсного пространства (см. рис. 2.3, б).

4. Магнитный поток рассеяния обмотки статора Ф у 1 (см. рис. 1.4) наводит в обмотке статора ЭДС рассеяния Е у 1 , значение которой пропорционально индуктивному сопротивлению рассеяния фазы обмотки статора х 1:

= — j x 1 . (2.26)

5. Ток в обмотке статора I 1 создает активное падение напряжения в активном сопротивлении фазы обмотки статора r 1:

= r 1 (2.27)

Геометрическая сумма всех перечисленных ЭДС, наведенных в обмотке статора, определяет напряжение на выходе синхронного генератора:

= . (2.28)

Здесь — геометрическая сумма всех ЭДС, наведенных в обмотке статора результирующим магнитным полем машины, образованным совместным действием всех МДС (F в.0 , F 1 d , F 1 q) и потоком рассеяния статора Ф у 1 .

Активное сопротивление фазы обмотки статора r 1 у синхронных машин средней и большой мощности невелико, и поэтому даже при номинальной нагрузке падение напряжения I 1 r 1 составляет настолько малую величину, что с некоторым допущением можно принять I 1 r 1 = 0. Тогда уравнение (2.28) можно записать в виде

Выражения (2.28) и (2.29) представляют собой уравнения напряжений явнополюсного синхронного генератора.

В неявнополюсных синхронных генераторах реакция якоря характеризуется полной МДС статора F 1 без разделения ее по осям, так как в этих машинах магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям одинаковы. Поэтому ЭДС статора в неявнополюсных машинах Е 1 , равная индуктивному падению напряжения в обмотке статора, пропорциональна индуктивному сопротивлению реакции якоря х а [см. (2.19)], т. е.

Поток реакции якоря Ф 1 и поток рассеяния статора Ф у1 создаются одним током I 1 [сравните (2.26) и (2.30)], поэтому индуктивные сопротивления х а и х 1 можно рассматривать как суммарное индуктивное сопротивление

х с = х а + х 1 ,

представляющее собой синхронное сопротивление неявнополюсной машины. С учетом этого ЭДС реакции якоря Е 1 и ЭДС рассеяния Е у1 следует рассматривать также как сумму представляющую собой синхронную ЭДС неявнополюсной машины. С учетом изложенного уравнение напряжений неявнополюсного синхронного генератора имеет вид

2. 5 Векторные диаграммы синхронного генератора

Воспользовавшись уравнением ЭДС (2.28), построим векторную диаграмму явнополюсного синхронного генератора, работающего на активно-индуктивную нагрузку (ток отстает по фазе от ЭДС). Векторную диаграмму строят на основании следующих данных: ЭДС генератора в режиме х.х. ; тока нагрузки, и его угла сдвига ш 1 , относительно ЭДС; продольного х ad и поперечного х aq индуктивных сопротивлений реакции якоря; активного сопротивления фазной обмотки статора r 1 .

При симметричной нагрузке генератора диаграмму строят лишь для одной фазы.

Рис. 2.8. Векторные диаграммы явнополюсного (а и б) и неявнополюсного (в и г) синхронных генераторов: а и в — при активно-индуктивной нагрузке; б и г — при активно-емкостной нагрузке.

Рассмотрим порядок построения векторной диаграммы (рис 2.8, а). В произвольном направлении откладываем вектор ЭДС и под углом ш 1 к нему — вектор тока. Последний разложим на составляющие: реактивную = sin ш 1 , и активную = sin ш 1 . Далее, из конца вектораоткладываем векторы ЭДС,

Соединив конец вектора с точкой О, получим вектор напряжения, значение которого равно геометрическом сумме векторов ЭДС [см. (2.28)].

При построении векторной диаграммы генератора, работающего на активно-емкостную нагрузку (ток опережает по фазе ЭДС), вектор тока, откладывают влево от вектора ЭДС (рис. 2.8, б), а направление вектора устанавливают согласно с направлением вектора ЭДС, так как при емкостном характере нагрузки реакция якоря имеет подмагничивающий характер. В остальном порядок построения диаграммы остается прежним.

Векторную диаграмму синхронного неявнополюсного генератора строят на основании уравнения (2.32), при этом вектор откладывают под углом ш 1 к вектору тока (рис. 2.8,в)

Следует отметить, что построенные векторные диаграммы не учитывают насыщения магнитной цепи, поэтому отражают лишь качественную сторону явлений. Но тем не менее эти диаграммы дают возможность сделать следующие выводы: основным фактором, влияющим на изменение напряжения нагруженного генератора, является продольная составляющая магнитного потока якоря, создающая ЭДС; при работе генератора на активно-индуктивную нагрузку, т. е. с током, отстающим по фазе от ЭДС, напряжение на выводах обмотки статора, с увеличением нагрузки уменьшается, что объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря. При работе генератора на активно-емкостную нагрузку (с током, опережающим по фазе ЭДС) напряжение с увеличением нагрузки повышается, что объясняется подмагничивающим влиянием реакции якоря (рис. 2.8, г).

2. 6 Характеристики синхронного генератора

Свойства синхронного генератора определяются характеристиками холостого хода, короткого замыкания, внешними и регулировочными.

Характеристика холостого хода синхронного генератора. Представляет собой график зависимости напряжения на выходе генератора в режиме х.х. U 1 = Е 0 от тока возбуждения I в. 0 при n 1 = const. Схема включения синхронного генератора для снятия характеристики х.х. приведена на рис. 2.9, а. Если характеристики х.х. различных синхронных генераторов изобразить в относительных единицах Е * = f (I в *), то эти характеристики мало отличаются друг от друга и будут очень схожи с нормальной характеристикой х.х. (риc. 2.9, б), которую используют при расчетах синхронных машин:

Здесь E * = Е 0 / U 1 ном — относительная ЭДС фазы обмотки статора;

I в* = I в0 /I в0ном — относительный ток возбуждения; I в0ном — ток возбуждения в режиме х.х., соответствующий ЭДС х.х. Е 0 = U 1ном

Характеристика короткого замыкания. Характеристику трехфазного к.з. получают следующим образом: выводы обмотки статора замыкают накоротко (рис. 2.10, а) и при вращении ротора с частотой вращения n 1 постепенно увеличивают ток возбуждения до значения, при котором ток к.з. превышает номинальный рабочий ток статорной обмотки не более чем на 25% (I 1к = l,25 I 1ном). Так как в этом случае ЭДС обмотки статора имеет значение, в несколько раз меньшее, чем в рабочем режиме генератора, и, следовательно, основной магнитный поток весьма мал, то магнитная цепь машины оказывается ненасыщенной. По этой причине характеристика к.з. представляет собой прямую линию (рис. 2.10, б). Активное сопротивление обмотки статора невелико по сравнению с ее индуктивным сопротивлением, поэтому, принимая r 1 ? 0, можно считать, что при опыте к.з. нагрузка синхронного генератора (его собственные обмотки) является чисто индуктивной. Из этого следует, что при опыте к.з. реакция якоря синхронного генератора имеет продольно-размагничивающий характер (см. § 2.3).

Подобные документы

    Принцип действия и структура синхронных машин, основные элементы и их взаимодействие, сферы и особенности применения. Устройство и методика использования машин постоянного тока, их разновидности, оценка Э.д.с., электромагнитного момента этого типа машин.

    учебное пособие , добавлен 23.12.2009

    Системы возбуждения синхронных генераторов. Изменение величины выпрямленного напряжения. Системы автоматического регулирования возбуждения синхронных генераторов. Изменение тока возбуждения синхронного генератора. Активное сопротивление обмотки.

    контрольная работа , добавлен 19.08.2014

    Проектирование синхронных генераторов Marathon Electric, состоящих из главного статора и ротора, статора и ротора возбудителя, вращающегося выпрямителя и регулятора напряжения. Характеристики и механический расчет синхронных двигателей серии Magnaplus.

    курсовая работа , добавлен 19.09.2012

    Конструкция, принцип работы силовых масляных трансформаторов, синхронных турбогенераторов, синхронных явнополюсных двигателей и асинхронных двигателей. Расчет установившейся работы в узле нагрузки и при пониженном напряжении, оценка работы оборудования.

    курсовая работа , добавлен 17.11.2009

    Общие понятия и определение электрических машин. Основные типы и классификация электрических машин. Общая характеристика синхронного электрического двигателя и его назначение. Особенности испытаний синхронных двигателей. Ремонт синхронных двигателей.

    дипломная работа , добавлен 03.12.2008

    Электромагнитная и электрическая схема синхронных машин. Конструкция явнополюсного ротора. Характеристика синхронного генератора, синхронное индуктивное сопротивление. Угловые характеристики и регулирование реактивной мощности, реактивный момент.

    презентация , добавлен 09.11.2013

    Исследование назначения машин переменного тока, их места в системе энергоснабжения. Анализ принципа действия трансформатора. Характеристика его работы в режиме холостого хода и короткого замыкания. Оценка качества работы магнитной системы трансформатора.

    презентация , добавлен 21.10.2013

    Роль и значение машин постоянного тока. Принцип работы машин постоянного тока. Конструкция машин постоянного тока. Характеристики генератора смешанного возбуждения.

    реферат , добавлен 03.03.2002

    Принцип работы и устройство генератора постоянного тока. Типы обмоток якоря. Способы возбуждения генераторов постоянного тока. Обратимость машин постоянного тока. Двигатель параллельного, независимого, последовательного и смешанного возбуждения.

    реферат , добавлен 17.12.2009

    Выбор синхронных генераторов, их технические параметры. Выбор двух структурных схем электрической станции, трансформаторов и автотрансформаторов связи. Технико-экономическое сравнение всех вариантов. Выбор и обоснование упрощенных схем всех напряжений.

Характеристики системы возбуждения определяются сочетанием свойств источника питания обмотки возбуждения и устройств автоматического регулирования. Системы возбуждения должны обеспечивать:

1) надежное питание обмотки ротора синхронной машины во всех режимах, в том числе и при авариях;

2) устойчивое регулирование тока возбуждения при изменении нагрузки в пределах номинальной;

3) достаточное быстродействие;

4) форсировку возбуждения.

Системы возбуждения классифицируются в зависимости от источника питания-обмотки возбуждения на зависимые (самовозбуждение) и независимые. Зависимая — питается от главной или дополнительной обмотки якоря возбуждаемого генератора. Независимая питается от других источников (от шин собственных нужд станции, от возбудителя или вспомогательного генератора).

Среди независимых систем возбуждения различают:

а) прямые системы возбуждения, в которых ротор возбудителя или вспомогательного генератора находится на одном валу с ротором
синхронной машины или сопрягается с ним редуктором скорости;

б) косвенные системы возбуждения, в которых ротор возбудителя или вспомогательного генератора приводится во вращение синхронным или асинхронным двигателем, специально установленным для этой цели.

До 60-х годов прошлого века применялись прямые электромашинные системы возбуждения, в которых обмотка возбуждения синхронной машины питается от коллекторного генератора постоянного тока — возбудителя (рис. 24.26, а).

В соответствии с ГОСТ 533-76, ГОСТ 5616-81 и ГОСТ 609-75 турбо- и гидрогенераторы и синхронные компенсаторы могут иметь только обладающие наибольшей надежностью прямую систему возбуждения или систему самовозбуждения. Но электромашинные системы возбуждения по условиям коммутации не могут применяться в турбогенераторах мощностью 200 МВт и выше, у которых мощность возбуждения превышает 800-1000 кВт.

В. настоящее время все большее распространение получают вентильные системы возбуждения . Они применяются для синхронных двигателей и генераторов небольшой мощности, а также для крупных турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов, в том числе и для установок предельных мощностей.

Различают три основные разновидности вентильных систем возбуждения.

1. Независимая вентильная система возбуждения (рис. 24.26, б), в которой питание обмотки возбуждения осуществляется от вспомогательного синхронного генератора, ротор которого укреплен на валу главного генератора. В схемах выпрямителей в этом случае используются полупроводниковые вентили (кремниевые диоды или тиристоры), собранные по трехфазной мостовой схеме. При регулировании возбуждения генератора используются одновременно возможности управления выпрямителями и возможности изменения напряжения вспомогательного генератора.

2. Бесщеточная система возбуждения, которая отличается от независимой вентильной системы (рис. 24.26, б )тем, что имеет обращенный вспомогательный синхронный генератор, у которого обмотка переменного тока 3 размещается на роторе. Выпрямитель 5, получающий питание от этой обмотки, расположен на валу главного генератора. Преимуществом данной системы является отсутствие скользящих контактов, которые в мощных турбогенераторах должны быть рассчитаны на тысячи ампер

3 . Система самовозбуждения (рис. 24.26, в), в которой питание обмотки возбуждения производится от главной или дополнительной обмотки якоря. Выпрямление переменного тока осуществляется с помощью тиристоров. Отбор энергии осуществляется с помощью трансформаторов 9 и 7, включенных соответственно параллельно и последовательно с обмоткой статора. Трансформатор 7 позволяет обеспечить форсирование возбуждения при близких коротких замыканиях, когда напряжение на обмотке якоря существенно снижается. Система самовозбуждения имеет по сравнению с другими системами более высокую надежность и меньшую стоимость из-за отсутствия в ней возбудителя или вспомогательного генератора.

Важными параметрами систем возбуждения являются номинальная скорость нарастания напряжения возбуждения, номинальное напряжение возбуждении, кратность форсировки возбуждения.

Номинальное напряжение возбуждения — напряжение на выводах обмотки возбуждения при питании ее номинальным током возбуждения и сопротивлении обмотки, приведенном к расчетной рабочей температуре.

Кратность форсировки возбуждения — отношение наибольшего установившегося значения напряжения возбуждения к номинальному напряжению возбуждения.

В схеме возбуждения предусматривается специальное устройство, с помощью которого можно в аварийной ситуации достаточно быстро уменьшить ток возбуждения до нуля (погасить магнитное поле ). Например, при внутренних коротких замыканиях в обмотке статора гашение поля осуществляется с помощью автомата гашения поля, который замыкает обмотку возбуждения на специальный гасительный резистор.

Для удержания синхронной машины в синхронизме при снижении напряжения сети при удаленных коротких замыканиях прибегают к форсированию ее тока возбуждения. Форсирование производится автоматически релейной защитой машины. Эффективность форсировки характеризуется кратностью форсировки возбуждения.

При рассмотрении принципа действия синхронного генератора было установлено, что на роторе синхронного генератора расположен источник МДС (индуктор), создающий в генераторе магнитное поле. С помощью приводного двигателя (ПД) ротор генератора приводится во вращение с синхронной частотой n 1 . При этом магнитное поле ротора также вращается и, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней ЭДС.

Синхронные двигатели конструктивно почти не отличаются от синхронных генераторов. Они также состоят из статора с обмоткой и ротора. Поэтому независимо от режима работы любая синхронная машина нуждается в процессе возбуждения — наведения в ней магнитного поля.

Основным способом возбуждения синхронных машин является электромагнитное возбуждение, сущность которого состоит в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения. При прохождении по этой обмотке постоянного тока возникает МДС возбуждения, которая наводит в магнитной системе машины магнитное поле.

До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.1, а), обмотка возбуждения которого (ОВ) получала питание постоянного тока от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронной машины и якоря возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронной машины поступает через контактные кольца и щетки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя (r 1) и подвозбудителя (r 2).

В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах большой мощности — турбогенераторах — иногда в качестве возбудителя применяют генераторы переменного тока индукторного типа (см. § 23.6). На выходе такого генератора включают полупроводниковый выпрямитель.

Рис. 1.1.

Регулировка тока возбуждения синхронного генератора в этом случае осуществляется изменением возбуждения индукторного генератора.

Получила применение в синхронных генераторах бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе.

В качестве возбудителя и в этом случае применяют генератор переменного тока (рис. 1.1, 5), у которого обмотка 2, в которой наводится ЭДС (обмотка якоря), расположена на роторе, а обмотка возбуждения 1 расположена на статоре. В результате обмотка якоря возбудителя и обмотка возбуждения синхронной машины оказываются вращающимися, и их электрическое соединение осуществляется непосредственно, без контактных колец и щеток. Но так как возбудитель является генератором переменного тока, а обмотку возбуждения необходимо питать постоянным током, то на выходе обмотки якоря возбудителя включают полупроводниковый преобразователь 3, закрепленный на валу синхронной машины и вращающийся вместе с обмоткой возбуждения синхронной машины и обмоткой якоря возбудителя. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя осуществляется от подвозбудителя (ПВ) — генератора постоянного тока.

Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронной машины позволяет повысить ее эксплуатационную надежность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в том числе гидрогенераторах (см. § 1.2), получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.2, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь (ПП) преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного магнетизма магнитопровода машины.

Рис. 1.2.

На рис. 1.2, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подается в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора побуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на выходе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты БЗ, обеспечивающий защиту обмотки возбуждения и тиристорного преобразователя ТП от перенапряжений и токовой перегрузки.

В современных синхронных двигателях для возбуждения применяют тиристорные возбудительные устройства, включаемые в сеть переменного тока и осуществляющие автоматическое управление током возбуждения во всевозможных режимах работы двигателя, в том числе и переходных. Такой способ возбуждения является наиболее надежным и экономичным, так как КПД тиристорных возбудительных устройств выше, чем у генераторов постоянного тока. Промышленностью выпускаются тиристорные возбудительные устройства на различные напряжения возбуждения с допустимым значением постоянного тока 320 А.

Наибольшее распространение в современных сериях синхронных двигателей получили возбудительные тиристорные устройства типов ТЕ8-320/48 (напряжение возбуждения 48 В) и ТЕ8-320/75 (напряжение возбуждения 75 В). Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5% полезной мощности машины (меньшее значение относится к машинам большой мощности).

В синхронных машинах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, когда на роторе машины располагаются постоянные магниты. Такой способ возбуждения дает возможность избавить машину от обмотки возбуждения. В результате конструкция машины упрощается, становится более экономичной и надежной. Однако из-за дефицитности материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничивается лишь машинами мощностью не более нескольких киловатт.

Стабилизация напряжения синхронного генератора с постоянными магнитами при переменной нагрузке Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.314: 621.382: 621.314.572

С.А. Харитонов, Д.В. Коробков, Д.В. Макаров, А.Г. Гарганеев

Стабилизация напряжения синхронного генератора с постоянными магнитами при переменной нагрузке

Анализируются три сценария проектирования и управления системой генерирования электрической энергии переменного тока на базе синхронного генератора и параллельно включенного полупроводникового преобразователя. Показана возможность стабилизации напряжения синхронного генератора, определены основные электрические величины и их зависимости от режимов работы системы.

Ключевые слова: синхронный генератор, постоянные магниты, переменная нагрузка, стабилизация напряжения, полупроводниковый преобразователь.

Системы электроснабжения переменного тока для автономных объектов, где электрическая энергия вырабатывается с помощью синхронных генераторов (СГ) с постоянной частотой вращения вала, как правило, строятся на базе трехкаскадных синхронных генераторов, где стабилизация напряжения осуществляется за счет регулирования с помощью полупроводникового преобразователя тока в обмотке возбуждения генератора.

Однако существуют альтернативные варианты построения аналогичных по функциональным возможностям систем электроснабжения [1]. В частности, представляется перспективным использование в составе систем генерирования электрической энергии (СГЭЭ) для таких систем электроснабжения синхронных генераторов (СГ) с возбуждением от постоянных магнитов.

Известно, что данный тип СГ обладает рядом преимуществ, к которым можно отнести:

— отсутствие вращающихся контактов;

— возможность применения при воздушном охлаждении;

— минимальные эксплуатационные расходы;

— возможность реализации режима электростартерного запуска;

— относительная простота конструкции.

Особенностью такого генератора является нестабильность выходного напряжения при изменении величины и коэффициента мощности нагрузки. По этой причине данный тип СГ применяется в составе мехатронных систем, содержащих полупроводниковый преобразователь (ПП).

Для стабилизации напряжения СГ с постоянными магнитами можно предложить три способа включения ПП:

— последовательный;

— параллельный;

— последовательно-параллельный (комбинированный).

Достаточно традиционным является использование системы с последовательным включением полупроводникового преобразователя [1]. При таком построении системы генерирования величина, частота и качественные показатели напряжения на нагрузке могут определяться полупроводниковым преобразователем. Недостатком такой системы является то, что полупроводниковый преобразователь должен быть рассчитан на величину тока короткого замыкания нагрузки.

Возможен параллельный вариант включения преобразователя, данный тип мощных систем стал предметом анализа относительно недавно. При таком построении СГЭЭ частота напряжения на нагрузке определяется СГ, а величина и качественные показатели этого напряжения определяются совокупностью параметров СГ и ПП. К очевидным достоинствам этого типа СГЭЭ можно отнести некритичность ПП к режимам короткого замыкания в нагрузке.

Комбинированный параллельно-последовательный вариант включает в себя все достоинства и недостатки двух предыдущих.ПП), сдвинутый по фазе относительно напряжения каждой из фаз СГ ( фпп ) на угол ±п/2. В этом случае за счет реакции якоря происходит увеличение или уменьшение суммарного магнитного потока СГ.

В рассматриваемой системе возможны три сценария проектирования параметров и способа управления СГЭЭ, их удобно идентифицировать с помощью рис. 2, где качественно показан характер изменения основных электрических величин.

Сценарий 1 Сценарий 2 Сценарий 3

При реализации сценария 1 (рис. 2, а) величина внутренней ЭДС СГ (Е0) выбирается при заданном номинальном напряжении на нагрузке (ин ном) исходя из режима максимальной нагрузки СГЭЭ, т.е. при !н = !н max. В этом случае ПП генерирует по отношению к напряжению СГ индуктивный характер тока (фпп = —п/ 2). Величина этого тока максимальна в режиме холостого

хода СГЭЭ и уменьшается с ростом тока нагрузки.

При реализации сценария 2 (рис. 2, б) величина внутренней ЭДС СГ выбирается из условия Eg = ин ном в режиме холостого хода СГЭЭ. При этом ПП генерирует по отношению к напряжению СГ емкостный характер тока (ФПП = V2), величина которого возрастает с увеличением тока нагрузки.

Сценарий 3 (рис. 2, в) представляет наиболее общий вариант построения СГЭЭ, когда СГ и ПП проектируются из условия обеспечения номинального режима системы по нагрузке при Inn = 0 не на границах, а внутри диапазона изменения тока нагрузки (0 < IHo < IH max). В этом случае ПП в первом диапазоне (G<IH <Ihq ) генерирует индуктивный (ФПП = —п/2) по отношению к напряжению СГ характер тока Inn, а во втором диапазоне (!н о < !н < !н max) генерирует емкостный по отношению к напряжению СГ характер тока (ФПП =П2 ).

Математическая модель СГЭЭ

При разработке математической модели были приняты следующие допущения:

— анализу подлежит статический режим;

— магнитная система СГ не насыщена и линейна;

— нагрузка СГЭЭ симметричная;

Рис. 1. Система генерирования с параллельным полупроводниковым преобразователем

— полупроводниковый преобразователь работает с высокочастотной ШИМ, частота которой намного выше частоты генерируемого напряжения;

— анализ электромагнитных процессов проводится по основным гармоникам тока и напряжения СГЭЭ;

— СГ не имеет успокоительных контуров;

— магнитные сопротивления СГ по продольной и поперечной осям отличаются незначительно;

— ЭДС генератора изменяется по синусоидальному закону;

— выполняются условия теоремы о постоянстве потокосцеплений [2];

— вентили ПП идеальны.

Будем полагать, что преобразователь за счет внутренних возможностей регулирования работает в режиме источника трехфазного синусоидального тока /ди. и Ьд — индуктивности СГ по продольной и поперечной осям соответ-

ственно.

Без учета активных потерь в генераторе, а также высокочастотных гармоник в токе преобразователя, используя символический метод расчета, принимая напряжение на нагрузке равным номинальному напряжению (ин = ин ном), получим схему замещения одной фазы СГЭЭ (рис. 3).

ь

и, = и =

Рис. 3. Схема замещения одной фазы СГЭЭ

Здесь —о = Еое — эффективное значение ЭДС холостого хода генератора,

± У—

/ди = IППе 2 =±У/ПП, 1н = 1нС08Фн + У • !н§1пФн, У = »/“1, 1ди, 1н — эффективное значение токов ПП и нагрузки, ин = исг — эффективное значение выходного напряжения на нагрузке, равное напряжению СГ, фн — угол сдвига тока нагрузки относительно напряжения СГ.пфн + ((С0*фн) .

(2)

(3)

Количественная оценка электрических параметров СГЭЭ

Токи и напряжения в системе зависят от выбранного сценария проектирования и способа управления. Анализ процессов в системе при том или ином сценарии проведем в порядке их нумерации.

1

При определении параметров системы будем считать заданными, кроме номинальных параметров нагрузки, также значение тока короткого замыкания, максимальный ток нагрузки и коэффициент мощности в режиме перегрузки СТЭЭ (Ін max, cosфH max). Искомыми величинами являются:

зависимость тока ПП от тока нагрузки (Іц Ін)) и его максимальное значение (Imax +), а также

ЭДC ( Eq ) и ток (Ісг) генератора.AC холостого хода генератора ( Eq ) выбирается в режиме максимального тока нагрузки (iH = iH max), при этом ток ПП равен нулю (ІПП (iH max ) = Q). Используя соотношение (І), при вышеуказанных условиях получим следующее

соотношение для определения величины —0 :

—0 =

І —

Y

cos(?H max

sln(?H max

(4)

В режиме холостого хода СГЭЭ ток ПП должен иметь максимальное значение (/ди = /тах -), учитывая это, из (2) получим

Е0-1

/ = / —

max- кз

—0

(5)

Рис.1пФн — Л)2 (ІHcosФн).

(У)

Максимальное значение тока ПП найдем из соотношения (7) при условии 1н = /н. тах

фн = фнтах :

* * * I/ * \2 / * \2

Imax + = Ікз + Ін. maxslnфн — \(ІІкз) — ІІн. maxC0sфн) .

(8)

При известных значениях тока ПП и нагрузки ток СГ определяется с помощью соотношения (3) независимо от выбранного сценария.

и

На рис. 5, в качестве примера, для /кз = 4 приведены зависимости тока ПП (рис. 5, а) и СГ (рис. 5, б) в функции величины тока нагрузки для сценариев 1 и 2.

1,5

— сценарий 1

— сценарий 2

I * 1 ПП C0Sф „=1

:^Фн = 0,8 / ‘ ‘

cos фн = 0,8 ► и Г»

/*- — c0^H =Ч44-

\ * .Ц,<

©

б

Рис. 5. Зависимость преобразователя (а) и тока генератора (б) от тока нагрузки СГЭЭ

Как следует из рис. 5, а, несмотря на различный характер зависимости тока /пп от /н, максимальные значения тока ПП в обоих сценариях одинаковы: /max- = /max+ = 1,08 . В номинальном режиме СГЭЭ (U = 1, cosфн = 0,8) ток ПП в сценарии 1 меньше (/Пп = 0,44), чем в сценарии 2 (/Пп = 0,68). Максимальное значение тока СГ (рис. 5, б) в обоих сценариях различно, при

н _ ■’н. max

= 1,З имеем:

|/сг max =1,7 — сценарий 1;

1/сг max =1,53 — сценарий 2.

В номинальном режиме СГЭЭ ток СГ в сценарии 1 больше (/*г = 1,28), чем в сценарии 2

(/*г = 0,8). Наиболее существенно токи СГ в двух сценариях отличаются в режиме холостого хода,

действительно, в сценарии 2 ток холостого хода СГ равен нулю, а в сценарии 1 — /*г =1,08 .

Таким образом, сценарий 2 обладает очевидным преимуществом, т.к. обеспечивает меньшую величину тока синхронного генератора. Это преимущество обеспечивает для этого сценария меньшую установленную мощность СГЭЭ и, как следствие, меньшую массу и габариты.

Сценарий 3

Исходя из принципа работы системы, в данном сценарии максимальное значение тока преобразователя следует искать в двух точках, а именно при = 0 и /н = /н. max. Обозначим

/н = /н0, фн =фн0 — ток нагрузки и угол сдвига этого тока относительно напряжения СГ, при кото -ром ток полупроводникового преобразователя равен нулю (см.j = /н шах,

I * ■‘нО

c°s9h max = 0,8 —»’і

1 1 c°s9h max =У

1 1 6-

c°s9h

0,7

0,8

0,9

Рис. 6. Зависимость тока /но от коэффициента мощности нагрузки

т.е. I’ — = I

шах+

. В результате получим

ІНо =-

Eo(-

I.н, а в случае индуктивного характера этого тока напряжение должно быть соответственно меньше этой величины. Такая зависимость напряжения от сценария работы обеспечивается алгоритмом управления преобразователем.

Выводы

1. В рамках принятых допущений аналитически доказана возможность стабилизации напряжения синхронного генератора с постоянными магнитами при переменной величине нагрузки за счет использования параллельного подключения полупроводникового преобразователя. Стабилизация осуществляется регулированием перетоков реактивной мощности между генератором и преобразователем.

2. Предложено три различных сценария проектирования и управления системой генерирования электрической энергии с постоянной величиной выходного напряжения. Сценарии значительно отличаются выбором исходных параметров генератора и преобразователя. Однако схемная реализация полупроводникового преобразователя для всех вариантов построения может быть идентичной на базе инвертора напряжения с высокочастотной ШИМ.Фн: \ \ = 1 / Vі X*’

,»***

? — — I 0 = 0 814

// ■ -1 н 0 = 0 1Л СП

cost л Рн = 0 ,8 I н

0

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

Рис. 8. Зависимость тока СГ от тока нагрузки

к нагрузке

Рис. 9. Схема универсального полупроводникового преобразователя

имущества системы. При этом в СГЭЭ с полуторным диапазоном изменения тока нагрузки и ео8фн < 0,98 максимальный ток синхронного генератора не превышает ток нагрузки.

4. Использование сценариев 1 и 2 при проектировании и управлении СГЭЭ приводит к необходимости установки полупроводникового преобразователя со значением максимального тока в два раза большим, чем при реализации сценария 3. Отличительной особенностью сценария 2 является практически пропорциональная зависимость тока полупроводникового преобразователя от тока нагрузки, что обеспечивает нулевое значение тока синхронного генератора в режиме холостого хода СГЭЭ.

Работа выполнена по государственному контракту № 13.G36.31.0010 от 22.10.2010 г.

Литература

1. Лёвин А.В. Электрический самолёт: от идеи до реализации / А.В. Лёвин, И.И. Алексеев, С.А. Харритонов, Л.К. Ковалев. — М.: Машиностроение, 2010. — 288 с.

2. Трещев И.И. Электромеханические процессы в машинах переменного тока. — Л.: Энергия. Ленингр. отд., 1980. — 344 с.

3. Харитонов С. А. Электромагнитные процессы в системах генерирования электрической энергии для автономных объектов. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. — 536 с. — Серия «Монографии НГТУ».

Харитонов Сергей Александрович

Д-р техн. наук, проф., зав. каф. промышленной электроники Новосибирского государственного технического университета (НГТУ)

Тел.: (383) 346-08-66

Эл. почта: [email protected]

Коробков Дмитрий Владиславович

Ассистент каф. промышленной электроники НГТУ

Макаров Денис Владимирович

Аспирант каф. промышленной электроники НГТУ

Гарганеев Александр Георгиевич

Д-р техн. наук, профессор, зав. каф. электронных средств автоматизации и управления ТУСУРа

Тел.: (382-2) 41-47-69

Эл. почта: [email protected]

Kharitonov S.A., Korobkov D.V., Makarov D.V., Garganeev A.G.

Stabilization of voltage of the synchronous generator with constant magnets at variable loading

Three scenarios of design and management of system of generating of electric energy of a variable of a current on the basis of the synchronous generator and in parallel switched-on semi-conductor converter are analyzed. Possibility of stabilization of voltage of the synchronous generator is shown, the main electric sizes and their dependences on working hours of system are defined.

Keywords: synchronous generator, constant magnets, variable loading, voltage stabilization, semi-conductor converter.

Виды генераторов переменного тока — Морской флот

Электрическим генератором называется машина или установка, предназначенная для преобразования энергии неэлектрической — в электрическую: механической — в электрическую, химической — в электрическую, тепловой — в электрическую и т. д. Сегодня в основном, произнося слово «генератор», мы имеем ввиду преобразователь механической энергии – в электрическую.

Это может быть дизельный или бензиновый переносной генератор, генератор атомной электростанции, автомобильный генератор, самодельный генератор из асинхронного электродвигателя, или тихоходный генератор для маломощного ветряка. В конце статьи мы рассмотрим в качестве примера два наиболее распространенных генератора, но сначала поговорим о принципах их работы.

Так или иначе, с физической точки зрения принцип работы каждого из механических генераторов — один и тот же: явление электромагнитной индукции, когда при пересечении линиями магнитного поля проводника – в этом проводнике возникает ЭДС индукции. Источниками силы, приводящей к взаимному перемещению проводника и магнитного поля, могут быть различные процессы, однако в результате от генератора всегда нужно получить ЭДС и ток для питания нагрузки.

Принцип работы электрического генератора — Закон Фарадея

Принцип работы электрического генератора был открыт в далеком 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем. Позже этот принцип назвали законом Фарадея. Он заключается в том, что при пересечении проводником перпендикулярно магнитного поля, на концах этого проводника возникает разность потенциалов.

Первый генератор был построен самим Фарадеем согласно открытому им принципу, это был «диск Фарадея» – униполярный генератор, в котором медный диск вращался между полюсами подковообразного магнита. Устройство давало значительный ток при незначительном напряжении.

Позже было установлено, что отдельные изолированные проводники в генераторах проявляют себя гораздо эффективнее с практической точки зрения, чем сплошной проводящий диск. И в современных генераторах применяются теперь именно проволочные обмотки статора (в простейшем демонстрационном случае — виток из проволоки).

Генератор переменного тока

В подавляющем своем большинстве современные генераторы — это синхронные генераторы переменного тока. У них на статоре располагается якорная обмотка, от которой и отводится генерируемая электрическая энергия. На роторе располагается обмотка возбуждения, на которую через пару контактных колец подается постоянный ток, чтобы получить вращающееся магнитное поле от вращающегося ротора.

За счет явления электромагнитной индукции, при вращении ротора от внешнего привода (например от ДВС), его магнитный поток пересекает поочередно каждую из фаз обмотки статора, и таким образом наводит в них ЭДС.

Чаще всего фаз три, они смещены физически на якоре друг относительно друга на 120 градусов, так получается трехфазный синусоидальный ток. Фазы можно соединить по схеме «звезда» либо «треугольник», чтобы получить стандартное сетевое напряжение.

Частота синусоидальной ЭДС f пропорциональна частоте вращения ротора: f = np/60, где — p – число пар магнитных плюсов ротора, n – количество оборотов ротора в минуту. Обычно максимальная скорость вращения ротора — 3000 оборотов в минуту. Если подключить к обмоткам статора такого синхронного генератора трехфазный выпрямитель, то получится генератор постоянного тока (так работают, кстати, все автомобильные генераторы).

Трехмашинный синхронный генератор

Конечно, у классического синхронного генератора есть один серьезный минус — на роторе располагаются контактные кольца и щетки, прилегающие к ним. Щетки искрят и изнашиваются из-за трения и электрической эрозии. Во взрывоопасной среде это не допустимо. Поэтому в авиации и в дизель-генераторах более распространены бесконтактные синхронные генераторы, в частности — трехмашинные.

У трехмашинных устройств в одном корпусе установлены три машины: предвозбудитель, возбудитель и генератор — на общем валу. Предвозбудитель — это синхронный генератор, он возбуждается от постоянных магнитов на валу, генерируемое им напряжение подается на обмотку статора возбудителя.

Статор возбудителя действует на обмотку на роторе, соединенную с закрепленным на ней трехфазным выпрямителем, от которого и питается основная обмотка возбуждения генератора. Генератор генерирует в своем статоре ток.

Газовые, дизельные и бензиновые переносные генераторы

Сегодня очень распространены в домашних хозяйствах дизельные, газовые и бензиновые генераторы, которые в качестве приводных двигателей используют ДВС — двигатель внутреннего сгорания, передающий механическое вращение на ротор генератора.

У генераторов на жидком топливе имеются топливные баки, газовым генераторам — необходимо подавать топливо через трубопровод, чтобы затем газ был подан в карбюратор, где превратится в составную часть топливной смеси.

Во всех случаях топливная смесь сжигается в поршневой системе, приводя во вращение коленвал. Это похоже на работу автомобильного двигателя. Коленвал вращает ротор бесконтактного синхронного генератора (альтернатора).

Лучшие инверторные генераторы домашних электростанций имеют встроенный аккумулятор для компенсации перепадов и систему двойного преобразования, у таких устройств переменное напряжение получается более стабилизированным.

Автомобильные генераторы

Еще один пример генератора переменного тока — самый распространенный в мире вид генератора – автомобильный генератор. Данный генератор традиционно содержит обмотку возбуждения с контактными кольцами на роторе и трехфазную обмотку статора с выпрямителем.

Встроенный электронный регулятор удерживает напряжение в допустимых для автомобильного аккумулятора пределах. Автомобильный генератор — высокооборотный генератор, его обороты могут достигать 9000 в минуту.

Хотя изначально ток получается переменным (полюсные наконечники ротора поочередно и в разной полярности пересекают своими магнитными потоками три фазы обмотки статора), затем он выпрямляется диодами и превращается в постоянный, пригодный для зарядки аккумулятора.

Необычные конструкции электрических генераторов:

Генератор – устройство, преобразующее один вид энергии в другой.
В данном случае рассматриваем преобразование механической энергии вращения в электрическую.

Различают два типа таких генераторов. Синхронные и асинхронные.

Синхронный генератор. Принцип действия

Отличительным признаком синхронного генератора является жёсткая связь между частотой f переменной ЭДС, наведённой в обмотке статора, и частотой вращения ротора n , называемой синхронной частотой вращения:

где p – число пар полюсов обмотки статора и ротора.
Обычно частота вращения выражается в об/мин, а частота ЭДС в Герцах (1/сек), тогда для количества оборотов в минуту формула примет вид:

На рис. 1.1 представлена функциональная схема синхронного генератора. На статоре 1 расположена трёхфазная обмотка, принципиально не отличающаяся от аналогичной обмотки асинхронной машины. На роторе расположен электромагнит с обмоткой возбуждения 2, получающей питание постоянным током, как правило, через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, расположенных на роторе, и двух неподвижных щёток.
В некоторых случаях в конструкции ротора синхронного генератора вместо электромагнитов могут использоваться постоянные магниты, тогда необходимость в наличии контактов на валу отпадает, но существенно ограничиваются возможности стабилизации выходных напряжений.

Приводным двигателем (ПД), в качестве которого используется турбина, двигатель внутреннего сгорания либо другой источник механической энергии, ротор генератора приводится во вращение с синхронной скоростью. При этом магнитное поле электромагнита ротора также вращается с синхронной скоростью и индуцирует в трёхфазной обмотке статора переменные ЭДС EA , EB и EC , которые будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120°), образуют симметричную трёхфазную систему ЭДС.

C подключением нагрузки к зажимам обмотки статора С1, С2 и С3 в фазах обмотки статора появляются токи IA, IB, IC , которые создают вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора. Таким образом, в синхронном генераторе магнитное поле статора и ротор вращаются синхронно. Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе

e = 2Blwv = 2πBlwDn

Здесь: B – магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл;
l – активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, т.е. длина сердечника статора, м;
w – количество витков;
v = πDn – линейная скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с;
D – внутренний диаметр сердечника статора, м.

Формула ЭДС показывает, что при неизменной частоте вращения ротора n форма графика переменной ЭДС обмотки якоря (ста- тора) определяется исключительно законом распределения магнитной индукции B в зазоре между статором и полюсами ротора. Если график магнитной индукции в зазоре представляет собой синусоиду B = Bmax sinα , то ЭДС генератора также будет синусоидальной. В синхронных машинах всегда стремятся получить распределение индукции в зазоре как можно ближе к синусоидальному.

Так, если воздушный зазор δ постоянен (рис. 1.2), то магнитная индукция B в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (график 1). Если же края полюсов ротора «скосить» так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен δmax (как это показано на рис. 1.2), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (график 2), а, следовательно, и график ЭДС, индуцированной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде. Частота ЭДС синхронного генератора f (Гц) пропорциональна синхронной частоте вращения ротора n (об/с)

где p – число пар полюсов.
В рассматриваемом генераторе (см. рис.1.1) два полюса, т.е. p = 1.
Для получения ЭДС промышленной частоты (50 Гц) в таком генераторе ротор необходимо вращать с частотой n = 50 об/с (n = 3000 об/мин).

Способы возбуждения синхронных генераторов

Самым распространенным способом создания основного магнитного потока синхронных генераторов является электромагнитное возбуждение, состоящее в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения, при прохождении по которой постоянного тока, возникает МДС, создающая в генераторе магнитное поле. До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись преимущественно специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.3, а). Обмотка возбуждения (ОВ) получает питание от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронного генератора, возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронного генератора поступает через контактные кольца и щётки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя r1 и подвозбудителя r2 . В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах получила применение также бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе. В качестве возбудителя в этом случае применяют обращенный синхронный генератор переменного тока В (рис. 1.3, б). Трехфазная обмотка 2 возбудителя, в которой наводится переменная ЭДС, расположена на роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора и их электрическое соединение осуществляется через вращающийся выпрямитель 3 непосредственно, без контактных колец и щёток. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя В осуществляется от подвозбудителя ПВ – генератора постоянного тока. Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронного генератора позволяет повысить её эксплуатационную надёжность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в этом числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.4, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь ПП преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счёт остаточного магнетизма машины.

На рис. 1.4, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подаётся в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на входе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты (БЗ), обеспечивающий защиту обмотки возбуждения (ОВ) от перенапряжения и токовой перегрузки.

Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5 % полезной мощности (меньшее значение относится к генераторам большой мощности).
В генераторах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, расположенными на роторе машины. Такой способ возбуждения даёт возможность избавить генератор от обмотки возбуждения. В результате конструкция генератора существенно упрощается, становится более экономичной и надёжной. Однако, из-за высокой стоимости материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничено машинами мощностью не более нескольких киловатт.

Синхронные генераторы составляют основу электроэнергетики, так как практически вся электроэнергия во всём мире вырабатывается посредством синхронных турбо- или гидрогенераторов.
Так же синхронные генераторы находят широкое применение в составе стационарных и передвижных электроустановок или станций в комплекте с дизельными и бензиновыми двигателями.

Асинхронный генератор. Отличия от синхронного

Асинхронные генераторы принципиально отличаются от синхронных отсутствием жесткой зависимости между частотой вращения ротора и вырабатываемой ЭДС. Разницу между этими частотами характеризует коэффициент s – скольжение.

здесь:
n – частота вращения магнитного поля (частота ЭДС).
n r – частота вращения ротора.

Более подробно с расчётом скольжения и частоты можно ознакомиться в статье: асинхронные генераторы. Частота.

В обычном режиме электромагнитное поле асинхронного генератора под нагрузкой оказывает тормозной момент на вращения ротора, следовательно, частота изменения магнитного поля меньше, поэтому скольжение будет отрицательным. К генераторам, работающим в области положительных скольжений, можно отнести асинхронные тахогенераторы и преобразователи частоты.

Асинхронные генераторы в зависимости от конкретных условий применения выполняются с короткозамкнутым, фазным или полым ротором. Источниками формирования необходимой энергии возбуждения ротора могут являться статические конденсаторы или вентильные преобразователи с искусственной коммутацией вентилей.

Асинхронные генераторы можно классифицировать по способу возбуждения, характеру выходной частоты (изменяющаяся, постоянная), способу стабилизации напряжения, рабочим областям скольжения, конструктивному выполнению и числу фаз.
Последние два признака характеризуют конструктивные особенности генераторов.
Характер выходной частоты и методы стабилизации напряжения в значительной степени обусловлены способом образования магнитного потока.
Классификация по способу возбуждения является основной.

Можно рассмотреть генераторы с самовозбуждением и с независимым возбуждением.

Самовозбуждение в асинхронных генераторах может быть организовано:
а) с помощью конденсаторов, включенных в цепь статора или ротора или одновременно в первичную и вторичную цепи;
б) посредством вентильных преобразователей с естественной и искусственной коммутацией вентилей.

Независимое возбуждение может осуществляться от внешнего источника переменного напряжения.

По характеру частоты самовозбуждающиеся генераторы разделяются на две группы. К первой из них относятся источники практически постоянной (или постоянной) частоты, ко второй переменной (регулируемой) частоты. Последние применяются для питания асинхронных двигателей с плавным изменением частоты вращения.

Более подробно рассмотреть принцип работы и конструктивные особенности асинхронных генераторов планируется рассмотреть в отдельных публикациях.

Асинхронные генераторы не требуют в конструкции сложных узлов для организации возбуждения постоянным током или применения дорогостоящих материалов с большим запасом магнитной энергии, поэтому находят широкое применение у пользователей передвижных электроустановок по причине своей простоты и неприхотливости в обслуживании. Используются для питания устройств, не требующих жёсткой привязки к частоте тока.
Техническим достоинством асинхронных генераторов можно признать их устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям.
С некоторой информацией по мобильным генераторным установкам можно ознакомиться на странице:
Дизель-генераторы.
Асинхронный генератор. Характеристики.
Асинхронный генератор. Стабилизация.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Генератор тока – это такой тип электрической машины, которая способствует преобразованию механической энергии в электрическую. Основано действие генераторов тока по принципу электромагнитной индукции: электродвижущая сила (ЭДС) наводится в движущемся в магнитном поле проводе.

Производить генератор тока может не только постоянный, но и переменный ток. На латыни слово генератор (generator) означает – производитель.

На мировом рынке наиболее известными поставщиками генераторов являются компании: General Electric (GE), ABB, Siemens AG, Mecc Alte.

Генераторы постоянного тока.

Единственным типом источника для получения электроэнергии на протяжении долгого времени были электрические генераторы.

Переменный ток индуктируется в обмотке якоря генератора постоянного тока, затем он электромеханическим выпрямителем – коллектором преобразуется в постоянный ток. Особенно при большой частоте вращения якоря генератора, процесс выпрямления тока коллектором связан с очень частым износом щеток и коллектора.

Различаются генераторы постоянного тока по характеру их возбуждения, они бывают с самовозбуждением и независимого возбуждения. К независимому источнику питания в генераторах с электромагнитным возбуждением подключается обмотка возбуждения, располагающаяся на главных полюсах.

Постоянными магнитами, из которых производятся полюсы машины, возбуждаются генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением. Основное применение генераторы постоянного тока находят в тех отраслях промышленности, где постоянный ток является предпочтительным по условиям производства (предприятия электролизной и металлургической промышленности, суда, транспорт и прочие). В качестве источников постоянного тока и возбудителей синхронных генераторов применяются генераторы постоянного тока на электростанциях.

Может достигать до 10 Мегаватт мощность генератора тока.

Генераторы переменного тока.

При достаточно высоком напряжении получать большие токи позволяют генераторы переменного тока. Несколько типов индукционных генераторов различают в настоящее время.

Они состоят из создающего магнитное поле постоянного магнита или электромагнита и обмотки, индуцируется в которой переменная ЭДС. Так как складываются наводимые в последовательно соединенных витках ЭДС, то в рамке индукции амплитуда ЭДС будет пропорциональна количеству в ней витков. Также она пропорциональна через каждый виток амплитуде переменного магнитного потока. В генераторах тока, чтобы получить большой магнитный поток применяется специальная магнитная система, состоящая из двух сердечников, изготовленных из электротехнической стали. В пазах одного из сердечников размещены создающие магнитное поле обмотки, а в пазах второго располагаются обмотки, в которых индуцируется ЭДС. Один из сердечников называется ротором, так как он вращается вокруг вертикальной или горизонтальной оси, вместе со своей обмоткой.

Другой сердечник называется статором – это неподвижный сердечник с его обмоткой. Как можно меньшим делается зазор между сердечниками ротора и статора, наибольшее значение потока магнитной индукции обеспечивается этим. Электромагнит, являющийся ротором вращается в больших промышленных генераторах, а обмотки, уложенные в пазах статора и в которых наводится ЭДС остаются неподвижными.

С помощью скользящих контактов приходится во внешнюю цепь подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора. Контактными кольцами, которые присоединены к концам его обмотки для этого снабжается ротор. К кольцам прижаты неподвижные пластины-щетки, они осуществляют связь с внешней цепью обмотки ротора. В обмотках создающего магнитное поле электромагнита, сила тока значительно меньше той силы тока, которую отдает генератор тока во внешнюю цепь. Поэтому гораздо удобнее снимать генерируемый ток с неподвижных обмоток, а сравнительно слабый ток подводить через скользящие контакты к вращающемуся электромагниту. Вырабатывается этот ток, расположенным на том же валу отдельным генератором постоянного тока (возбудителем). Вращающимся магнитом создается магнитное поле в маломощных генераторах тока, щетки и кольца в таком случае вообще не требуются.

Бывают двух типов обмотки возбуждения синхронных генераторов: с явнополюсными и неявнополюсными роторами. Выступают из индуктора несущие обмотки возбуждения в генераторах с явнополюсными роторами полюса. На сравнительно низкие частоты вращения рассчитаны генераторы данного типа, они используются для работы с приводом от поршневых паровых машин, гидротурбин, дизельных двигателей. Для привода синхронных генераторов с неявнополюсными роторами применяются газовые и паровые турбины. Стальную поковку с фрезерованными продольными пазами для витков обмотки возбуждения, которые обычно выполнены в виде медных пластин, представляет собой ротор такого генератора. В пазах фиксируются витки, а для снижения потерь мощности и уровня шума, связанных с сопротивлением воздуха шлифуется, а затем полируется поверхность ротора.

По большей части трехфазными делаются обмотки генераторов тока. Подобное сочетание движущихся частей, способных создавать энергию также экономично и непрерывно, встречается в механике редко.

Современный генератор тока является внушительным сооружением, состоящим из медных проводов, стальных конструкций и изоляционных материалов. С точностью до 1 миллиметра изготавливаются важнейшие детали генераторов, которые сами имеют размеры несколько метров.

Кривая работоспособности синхронного генератора

Кривая возможностей синхронного генератора определяет границу, в пределах которой машина может работать безопасно. Он также известен как Operating Charts или Capability Charts . Допустимый диапазон эксплуатации ограничен следующими пунктами, указанными ниже:

  • Нагрузка МВА не должна превышать номинальную мощность генератора. Этот предел определяется нагревом якоря статора током якоря.
  • МВт нагрузка не должна превышать номинальную мощность первичного двигателя.
  • Ток возбуждения не должен превышать заданное значение, определяемое нагревом поля.
  • Для установившейся или стабильной работы угол нагрузки δ должен быть меньше 90 градусов. Теоретический предел устойчивости устойчивого состояния достигается при δ = 90⁰.

Кривая производительности основана на векторной диаграмме синхронной машины. Векторная диаграмма генератора переменного тока с цилиндрическим ротором при отстающем коэффициенте мощности показана ниже:

Для простоты предполагается, что сопротивление якоря и насыщение пренебрежимо малы.Предполагается, что машина подключена к шинам постоянного напряжения так, чтобы напряжение V p было постоянным. Длина O’O (= V p ) фиксированная. Оси Ox и Oy начерчены так, что их начало O находится на вершине V p .

По векторной диаграмме,

Реальная выходная мощность генератора определяется как:

Выходная реактивная мощность генератора определяется как:

Типичная кривая производительности генератора с цилиндрическим ротором показана ниже:

Кривая нанесена на S-плоскость, где P — вертикальная ось, а Q — горизонтальная ось.Для постоянной мощности Ia и вольт-ампер S = VA геометрическое место представляет собой окружность с центром в точке O и радиусом OB (= 3 В p I a ). Постоянная операция P лежит на прямой, параллельной оси Q. Географическое место постоянного возбуждения представляет собой окружность с центром O ’и радиусом O’B (= 3 V p E f / X s ). Линии постоянного коэффициента мощности представляют собой прямые радиальные линии от O.

.

Для возбуждения E f , равного нулю, ток якоря задается как:

= ток короткого замыкания при номинальном напряжении

= OO ’

Теоретический предел устойчивости — прямая линия O’M, перпендикулярная O’O в точке O ’.Здесь δ = 90⁰. Между a и b работа генератора ограничена максимальным током возбуждения и окружностью радиуса (3 В E f / X s ) с центром O ’. Между b и c операция ограничена пределом MVA. Здесь I a — максимально допустимый ток якоря. Между c и d работа ограничена мощностью первичного двигателя. Между d и e работа ограничена практическим пределом устойчивости.

Теоретический предел устойчивости достигается при δ = 90⁰.Но между теоретическим и практическим пределом должен быть запас прочности. Практический предел обычно берется на 10% меньше теоретического предела устойчивости. Полная рабочая зона генератора — abcdkOa . Работа генератора в этой зоне безопасна с точки зрения нагрева и стабильности. Как только рабочая точка находится в этой области, находятся желаемая мощность P, S, Q, то есть ток, коэффициент мощности и возбуждение.

Рассмотрим рисунок, приведенный ниже.

Здесь рассматривается рабочая точка F и дается следующая информация:

  • Если точка F находится внутри кривой производительности, машина не будет перегреваться и вряд ли выйдет из синхронизма.
  • Линия от F до начала O ’I f проходит под углом δ к оси.
  • Линия от FG до F, параллельная O’Oa, дает мощность, равную OG.
  • Линия от F до начала O оси Q показывает угол коэффициента мощности ϕ от вертикальной оси.т.е. FOG = ϕ
  • Ток якоря I a определяется OF.
  • Выходная мощность в ВА определяется как (OF x рабочее напряжение)
  • Выход VAr определяется как GF x выходное напряжение
  • O’F дает возбуждение E f .

Это все о кривой возможностей.

Что такое метод синхронного импеданса — измерения, расчеты и допущения

Метод Synchronous Impedance или метод ЭДС основан на концепции замены эффекта реакции якоря мнимым реактивным сопротивлением.Для расчета регулирования синхронный метод требует следующих данных: это сопротивление якоря по фазе и характеристика холостого хода. Характеристика холостого хода представляет собой график напряжения цепи и тока возбуждения. Этот метод также требует характеристики короткого замыкания, которая представляет собой график короткого замыкания и тока возбуждения.

Состав:

Для синхронного генератора следующее уравнение приведено ниже:

Где,

Для расчета синхронного импеданса измеряется Z s , а затем вычисляется значение E a .По значениям E , и V рассчитывается регулировка напряжения.

Измерение синхронного импеданса

Измерение синхронного импеданса выполняется следующими методами. Они известны как:

  • Испытание сопротивления постоянному току
  • Проверка обрыва цепи
  • Тест на короткое замыкание

Испытание сопротивления постоянному току

В этом испытании предполагается, что генератор переменного тока соединен звездой с разомкнутой обмоткой возбуждения постоянного тока, как показано на принципиальной схеме ниже:

Он измеряет сопротивление постоянному току между каждой парой клемм либо с помощью метода амперметра-вольтметра, либо с помощью моста Уитстона.Взято среднее значение сопротивления из трех наборов R t . Значение R t делится на 2, чтобы получить значение сопротивления постоянному току на каждую фазу. Поскольку эффективное сопротивление переменному току больше, чем сопротивление постоянному току, из-за скин-эффекта. Следовательно, эффективное сопротивление переменному току на каждую фазу получается путем умножения сопротивления постоянному току на коэффициент от 1,20 до 1,75 в зависимости от размера машины. Типичное значение для использования в расчетах — 1,25.

Тест на обрыв цепи

В испытании на обрыв цепи для определения синхронного импеданса генератор переменного тока работает с номинальной синхронной скоростью, а клеммы нагрузки остаются разомкнутыми.Это означает, что нагрузки отключены, а ток возбуждения установлен на ноль. Принципиальная схема показана ниже:

После установки нулевого тока возбуждения ток возбуждения постепенно увеличивается, шаг за шагом. Напряжение на зажимах E t измеряется на каждом шаге. Ток возбуждения можно увеличить, чтобы получить на 25% больше номинального напряжения. Построен график между фазным напряжением холостого хода E p = E t / √3 и током возбуждения I f .Полученная таким образом кривая называется характеристикой разомкнутой цепи (O.C.C). Форма такая же, как у нормальной кривой намагничивания. Линейная часть O.C.C расширяется, образуя линию воздушного зазора.

Характеристика разомкнутой цепи (O.C.C) и линия воздушного зазора показаны на рисунке ниже:


Тест короткого замыкания

В испытании на короткое замыкание клеммы якоря закорочены на три амперметра, как показано на рисунке ниже:

Перед запуском генератора ток возбуждения следует уменьшить до нуля.Каждый амперметр должен иметь диапазон, превышающий номинальное значение полной нагрузки. После этого генератор работает на синхронной скорости. То же, что и при испытании обрыва цепи, когда ток возбуждения постепенно увеличивается, а ток якоря измеряется на каждом шаге. Ток возбуждения увеличивается, чтобы получить токи якоря до 150% от номинального значения.

Снимается значение тока возбуждения I f и среднее значение трех показаний амперметра на каждом шаге. Построен график между током якоря Ia и током возбуждения I f .Полученная таким образом характеристика называется Характеристика короткого замыкания (S.C.C) . Эта характеристика представляет собой прямую линию, как показано на рисунке ниже.

Расчет синхронного импеданса

Следующие шаги приведены ниже для расчета синхронного импеданса.

  • Характеристики холостого хода и характеристики короткого замыкания изображены на одной кривой.
  • Определите значение тока короткого замыкания I sc и получите номинальное напряжение генератора на каждую фазу.
  • Синхронный импеданс Z S будет равен напряжению холостого хода, деленному на ток короткого замыкания при том токе возбуждения, который дает номинальную ЭДС на фазу.

Синхронное реактивное сопротивление определяется как

График показан ниже:

Из приведенного выше рисунка рассмотрим ток возбуждения I f = OA, который обеспечивает номинальное напряжение генератора переменного тока на каждую фазу. Соответствующее этому току возбуждения напряжение холостого хода составляет AB

.

Следовательно,

Допущения в методе синхронного импеданса

Следующие допущения, сделанные в методе синхронного импеданса, приведены ниже:

  • Синхронный импеданс постоянный

Синхронный импеданс определяется из О.C.C и S.C.C . Это отношение напряжения холостого хода к току короткого замыкания. Когда O.C.C и S.C.C линейны, синхронный импеданс Z S составляет , постоянный .

  • Флюс в условиях испытаний такой же, как и в условиях нагрузки.

Предполагается, что заданное значение тока возбуждения всегда создает одинаковый поток. Это предположение вносит существенную ошибку. Когда якорь закорочен, ток в якоре отстает от генерируемого напряжения почти на 90 градусов, и, следовательно, реакция якоря почти полностью размагничивает.

  • Эффект потока реакции якоря можно заменить падением напряжения, пропорциональным току якоря, и что падение напряжения реакции якоря добавляется к падению напряжения реактивного сопротивления якоря.
  • Магнитное сопротивление потоку якоря постоянно независимо от коэффициента мощности.

Для машины с цилиндрическим ротором это предположение в основном верно из-за равномерного воздушного зазора. Регулирование, полученное с помощью метода синхронного импеданса, выше, чем при реальной нагрузке.Следовательно, этот метод также называется пессимистическим методом .

При более низких возбуждениях Z S равно постоянной , так как характеристики разомкнутой цепи совпадают с линией воздушного зазора. Это значение Z S называется линейным или ненасыщенным синхронным импедансом . Однако с увеличением возбуждения эффект насыщения заключается в уменьшении Z S и значений за пределами линейной части разомкнутой цепи, называемых насыщенным значением синхронного импеданса.

Электрические машины — Якорь синхронного генератора

Ток якоря

Если ток якоря равен нулю, индуцированное напряжение равно напряжению на клеммах. Если течет ток якоря, индуцированное напряжение больше не равно измеренному напряжению на клеммах.

Причины разницы между наведенным напряжением и напряжением на клеммах:

  • Реакция якоря
  • Реактивное сопротивление утечки якоря
  • Сопротивление якоря
Реакция якоря

Реакция якоря — это уменьшение плотности магнитного потока за счет создания тока якоря. магнитное поле, противодействующее полю ротора.

Рассмотрим вращающееся магнитное поле и обмотку статора, состоящую из нескольких катушек. Как магнитный поле вращается, напряжение, индуцированное в каждой из катушек, находится в фазе с плотностью магнитного потока. В магнитные и электрические векторные диаграммы аналогичны.

Рис. 2. Отношения между пространственным углом плотности потока и фазовым углом наведенного напряжения во времени.

Теперь, если индуцированное напряжение подключено к нагрузке и протекает запаздывающий ток, магнитное поле будет создаваться результирующим током якоря.Этот вектор плотности потока электрически отстает от вектора тока на 90 °. Суммируя магнитные потоки ротора и якоря, результирующая плотность потока будет отличаться от плотности потока ротора. В результате величина и фаза индуцированного напряжения будут функцией тока якоря. Этот эффект известная как реакция якоря и проиллюстрированная на анимации ниже

Нажмите одну из кнопок ниже, чтобы запустить анимацию

Наведенное напряжение Текущий Арматурное поле Стоп Шаг вперед

Рис 3.Интерактивная анимация для иллюстрации реакции арматуры

На схеме слева от анимации показано упрощенное поперечное сечение статора с 9 витками. Положение пика магнитной индукции основного ротора показано векторной стрелкой. Верхний правый график показывает синусоидальное изменение плотности потока вокруг воздушного зазора, а нижний левый график показывает индивидуальные индуцированные напряжения катушки. При нажатии кнопки «Напряжение» происходит анимация изменения плотности потока и напряжений во времени.Теперь предположим, что мы позволяем току течь. Предполагается, что ток в каждой катушке отстает от напряжения. На нижнем правом графике показаны напряжения отдельных катушек с течением времени, в то время как диаграмма слева теперь показывает ток в каждой катушке (красный — за пределами страницы, синий — на странице). Мы также можем отобразить положение пикового тока в виде векторной стрелки. Теперь ток будет создавать новое магнитное поле в воздушном зазоре. Нажатие кнопки «Поле» иллюстрирует этот эффект. Поле статора будет отставать от местоположения пиковых токов статора на 90 градусов.Это показано в виде темно-красного вектора в правом верхнем углу. Комбинированное чистое магнитное поле, поле статора плюс поле ротора, показано зеленым цветом, как вектор, так и в правом верхнем углу.

Математически чистое магнитное поле определяется как

.

\ [ \ vec {B} _ {net} = \ vec {B} _ {R} + \ vec {B} _ {S} \]

, а суммарное индуцированное напряжение можно записать как

\ [ \ vec {V} = \ vec {E} -j \ vec {I} _A X \]

Термин \ (j \ vec {I} _A X \) используется для объяснения реакции якоря.

Наконец, напряжение на клеммах будет уменьшено из-за падений напряжения на реактивном сопротивлении утечки и сопротивлении обмотки

\ [ \ vec {V} = \ vec {E} -j \ vec {I} _A X-j \ vec {I} _A X_A — \ vec {I} _A R_A \]

Использование термина \ (X_S \) или синхронного реактивного сопротивления чтобы учесть как реакцию якоря, так и реактивное сопротивление утечки, получается окончательное уравнение якоря:

\ [ \ vec {E} = \ vec {V} + \ vec {I} _A R_A + j \ vec {I} _A X_S \]

Цепь якоря

Схема для описания одной фазы обмотки синхронного генератора описывает уравнение арматуры, приведенное выше.

Рис. 4. Модель эквивалентной схемы для якоря синхронной машины.

Трехфазный синхронный генератор может подключаться по схеме звезды или треугольника. Однако часто встречаются генераторы в конфигурации звездой, поскольку полное линейное напряжение выше для заданное фазное напряжение.

Соединение звездой

\ [ \ begin {выровнено} I_A & = I_ {линия} \\ V & = \ frac {V_ {LL}} {\ sqrt {3}} \ end {выровнен} \]

Обратите внимание, что в некоторых текстах для обозначения напряжения на клеммах используется V T .В примерах и примечаниях здесь мы будем использовать V для обозначения фазного напряжения и В LL для линейного напряжения на зажимах

[PDF] Глава 6. Синхронные машины

1 48550 Электроэнергетика Глава 6. Синхронные машины Темы для обсуждения: 1) Введение 2) Синхронный мак …

48550 Электроэнергетика

Глава 6. Синхронные машины Темы для обсуждения: 1) Введение

4) Модель эквивалентной схемы

2) Структуры синхронных машин

5) Характеристики генератора

3) Вращающееся магнитное поле

6) Характеристики двигателя

Введение Синхронная машина — это вращающаяся машина переменного тока, скорость которой в установившемся режиме пропорциональна частоте тока в ее якоре.Магнитное поле, создаваемое токами якоря, вращается с той же скоростью, что и поле, создаваемое током поля на роторе, который вращается с синхронной скоростью, и в результате получается постоянный крутящий момент. Синхронные машины обычно используются в качестве генераторов, особенно для крупных энергетических систем, таких как турбогенераторы и гидроэлектрические генераторы в электросети. Поскольку скорость ротора пропорциональна частоте возбуждения, синхронные двигатели могут использоваться в ситуациях, когда требуется привод с постоянной скоростью.Поскольку реактивную мощность, генерируемую синхронной машиной, можно регулировать, регулируя величину тока возбуждения ротора, ненагруженные синхронные машины также часто устанавливаются в энергосистемах исключительно для коррекции коэффициента мощности или для управления реактивным потоком в кВА. Такие машины, известные как синхронные конденсаторы, могут быть более экономичными при больших размерах, чем статические конденсаторы. Синхронные двигатели, особенно с роторами с постоянными магнитами, широко используются с источниками питания с силовой электронной системой переменного напряжения и частотой (VVVF) для приводов с регулируемой скоростью.Если возбуждение статора двигателя с постоянными магнитами регулируется положением его ротора таким образом, что поле статора всегда на 90o (электрическое) впереди ротора, характеристики двигателя могут быть очень близки к характеристикам обычных щеточных двигателей постоянного тока, что очень предпочтительно. для частотно-регулируемых приводов. Положение ротора можно определить с помощью датчиков положения ротора или рассчитать по наведенной ЭДС в обмотках статора. Поскольку для двигателей этого типа не требуются щетки, они известны как бесщеточные двигатели постоянного тока.

Синхронные машины

В этой главе мы сконцентрируемся на обычных синхронных машинах, тогда как бесщеточные двигатели постоянного тока будут рассмотрены позже в отдельной главе.

Конструкции синхронных машин Статор и ротор Обмотка якоря обычной синхронной машины почти всегда находится на статоре и обычно представляет собой трехфазную обмотку. Обмотка возбуждения обычно находится на роторе и возбуждается постоянным током или постоянными магнитами.

Источник постоянного тока, необходимый для возбуждения

, обычно подается через генератор постоянного тока, известный как возбудитель, который часто устанавливается на том же валу, что и синхронная машина.В больших турбогенераторах используются различные системы возбуждения с использованием возбудителя переменного тока и твердотельных выпрямителей. Существует два типа конструкций ротора: круглый или цилиндрический ротор и ротор с явнополюсным ротором, как схематично показано на диаграмме ниже. Как правило, конструкция с круглым ротором используется для высокоскоростных синхронных машин, таких как паротурбинные генераторы, в то время как конструкция с явным полюсом используется для низкоскоростных приложений, таких как гидроэлектрические генераторы. На рисунках ниже показаны статор и ротор гидроэлектрического генератора и ротор турбогенератора.

(a)

(b)

Схематическое изображение синхронных машин с круглым или цилиндрическим ротором (а) и с выступающими роторами (б)

2

Синхронные машины

3

Синхронные машины

Угол в Электрические и механические узлы. Рассмотрим синхронную машину с двумя магнитными полюсами.

Идеализированное радиальное распределение плотности потока в воздушном зазоре

является синусоидальным вдоль воздушного зазора. Когда ротор вращается на один оборот, наведенная ЭДС, которая также является синусоидальной, изменяется в течение одного цикла, как показано на диаграмме ниже.Если мы измеряем положение ротора в физических или механических градусах или радианах, а фазовые углы плотности потока и ЭДС в электрических градусах или радианах, в этом случае мы готовы увидеть, что угол, измеренный в механических градусах или радианах, равен который измеряется в электрических градусах или радианах, то есть

θ = θm, где θ — угол в электрических градусах или радианах, а θm — механический угол.

4

Синхронные машины

B (θ) & e (ω t) B (θ) e (ω t)

B (θ) & e (ω t) B (θ) e (ω t)

0

π / 2

π π

3 π / 2

θm θ & ωt

0

π

π

π

π

2π2000 9π2000

θ & ωt

(a) (b) Распределение плотности потока в воздушном зазоре и наведенная ЭДС в фазной обмотке двухполюсной (a) и четырехполюсной (b) синхронной машины (b) Многие синхронные машины имеют более двух полюсов.В качестве конкретного примера рассмотрим четырехполюсную машину. Когда ротор вращается на один оборот (θm = 2π), наведенная ЭДС изменяется в течение двух циклов (θ = 4π), и, следовательно,

θ = 2θm. В общем случае, если машина имеет P-полюса, соотношение между электрическими и механические единицы угла могут быть легко выведены как

θ =

P θ 2 м

Взяв производные с обеих сторон вышеприведенного уравнения, мы получаем

ω =

P ω 2 м

5

Синхронные машины

где ω — угловая частота ЭДС в электрических радианах в секунду, а ωm — угловая скорость ротора в механических радианах в секунду.Когда ω и ωm преобразуются в циклы в секунду или Гц и обороты в минуту соответственно, мы получаем

P n 2 60120 fn = P f =

или

, где ω = 2πf, ωm = 2πn / 60 и n скорость ротора в об / мин. Видно, что частота наведенной ЭДС пропорциональна скорости вращения ротора. Распределенные трехфазные обмотки Статор синхронной машины состоит из многослойного сердечника из электротехнической стали и трехфазной обмотки. На рис. (А) ниже показана пластина статора синхронной машины, которая имеет ряд равномерно распределенных пазов.Катушки должны быть уложены в эти пазы и подключены таким образом, чтобы ток в каждой фазной обмотке создавал магнитное поле в воздушном зазоре вокруг периферии статора, как можно ближе к идеальному синусоидальному распределению. Рис. (B) — изображение катушки.

(a) (b) Фотографии (a) пластинки статора и (b) катушки синхронной машины Как показано ниже, эти катушки соединены в трехфазную обмотку. Каждая фаза способна создавать определенное количество магнитных полюсов (на диаграмме ниже четыре магнитных полюса генерируются фазной обмоткой).Обмотки трех фаз расположены равномерно по периферии статора и помечены в такой последовательности, что фаза a на 120o (электрическая) опережает фазу b и на 240o (электрическая) опережает фазу c. Отмечено, что на схемах выше в каждый паз уложены две стороны катушки. Этот тип обмотки известен как

6

Синхронные машины

двухслойная обмотка. В случае, когда в каждом пазу имеется только одна сторона катушки, обмотка называется однослойной обмоткой.

7

Синхронные машины

Вращающиеся магнитные поля Магнитное поле распределенной фазовой обмотки Распределение магнитного поля распределенной фазовой обмотки может быть получено путем сложения полей, генерируемых всеми катушками обмотки. На приведенной ниже диаграмме показаны профили mmf и напряженности поля одиночной катушки в однородном воздушном зазоре. Если предположить, что проницаемость железа бесконечна, по закону Ампера, mmf на каждом воздушном зазоре будет Nia / 2, где N — количество витков катушки и, помимо прочего, ток в катушке.Распределение МДС вдоль воздушного зазора представляет собой прямоугольную волну. Из-за равномерного воздушного зазора пространственное распределение напряженности магнитного поля такое же, как у mmf. Аналитически можно показать, что фундаментальная составляющая является основной составляющей, когда квадратная волна mmf разложена в ряд Фурье, и ее можно записать как

Fa1 =

4 Ni a cosθ π 2

, где θ — угловое смещение. от магнитной оси катушки. Когда распределения поля нескольких распределенных катушек объединены, результирующее распределение поля близко к синусоиде, как показано на диаграмме на следующей странице.Фундаментальный компонент результирующего mmf может быть получен путем сложения основных компонентов этих отдельных катушек, и его можно выразить как

8

Синхронные машины

9

Синхронные машины

Fa1 =

4 kp N ph i cosθ π P a

, где Nph — общее количество витков фазной обмотки, образованное этими катушками, kp известен как коэффициент распределения обмотки, который определяется как

kp =

Фундаментальный mmf распределенная обмотка Основная ммс концентрированной обмотки

и P — количество полюсов.В некоторых обмотках катушки с коротким шагом (расстояние между двумя сторонами катушки меньше, чем между двумя соседними магнитными полюсами) используются для устранения определенной гармоники, и основная составляющая результирующего mmf выражается как

Fa1 =

4 квт N ph i cosθ π P a

, где kw = kdkp — коэффициент намотки, kd известен как коэффициент тангажа, который определяется как

kd =

Фундаментальный mmf обмотки с коротким шагом Фундаментальный mmf полный шаг обмотки

и кВтНч известно как эффективное число витков фазной обмотки.Пусть ia = I m cosωt, и мы имеем

4 квт N ph I m cos ωt cosθ π P = Fm cos ωt cosθ 4 квт N ph Fm = Im π P Fa 1 =

, где

МДС распределенной фазовая обмотка зависит как от пространства, так и от времени. При построении графика в разные моменты времени, как показано ниже, мы можем видеть, что это пульсирующая синусоида. Мы называем этот тип ММЖ пульсирующим ММЖ. Поскольку cos α cos β =

cos (α — β) + cos (α + β), приведенное выше выражение основной составляющей mmf 2

может быть далее записано как

Fm F cos (θ — ωt) + m cos (θ + ωt) 2 2 = F + + F−

Fa 1 =

10

Синхронные машины

Можно показать, что первый член в приведенном выше уравнении обозначает вращающийся mmf в направлении + θ и второй — вращающийся mmf в направлении -θ.То есть пульсирующий MMF можно разделить на два вращающихся MMF с одинаковыми величинами и противоположными направлениями вращения, как показано выше. Для машины с однородным воздушным зазором приведенный выше анализ также применим к напряженности магнитного поля и плотности потока в воздушном зазоре.

11

Синхронные машины

Магнитное поле трехфазных обмоток Как только мы получим выражение mmf для однофазной обмотки, нетрудно записать выражения mmf для трех однофазных обмоток, расположенных на расстоянии 120 ° (электрическое) друг от друга, и возбуждаемые сбалансированными трехфазными токами:

Fm F cos (θ — ωt) + m cos (θ + ωt) 2 2 oo Fb1 = Fm cos (ωt — 120) cos (θ — 120) Fa 1 = Fm cos ωt cosθ =

Fm F cos (θ — ωt) + m cos (θ + ωt — 240 o) 2 2 o Fc1 = Fm cos (ωt — 240) cos (θ — 240 o) =

и

=

Fm F cos (θ — ωt) + m cos (θ + ωt — 480 o) 2 2

Следовательно, результирующая mmf, генерируемая трехфазной обмоткой, равна

F1 = Fa 1 + Fb1 + Fc1 =

cos ( θ + ωt) + cos (θ + ωt — 240o) + cos (θ + ωt — 480 o) = 0

Обратите внимание, что

F1 t = 0

0

3Fm cos (θ — ωt) 2

ω

t = 2πω

π / 2

π

900 02 3 π / 2

Вращение mmf в направлении + θ

12

θ

Синхронные машины

На приведенной выше диаграмме показано результирующее mmf F1 в два конкретных момента времени: t = 0 и t = π / 2ω.Нетрудно заметить, что F1 — это вращающийся МДС в направлении + θ θ (a → → b → → c) с постоянной величиной 3Fm / 2. Скорость этого вращающегося ммс может быть рассчитана как

ωf =

π 2 dθ = = ω dt π 2ω

рад / с (электрическая)

При выражении в механических радианах в секунду и оборотах в минуту скорость вращающийся ммс может быть выражен как

ωf = и

nf =

ω P2 60ω ​​f 2π

рад / с (механический)

=

120 f P

об / мин

соответственно.Опять же, для машины с однородным воздушным зазором приведенный выше анализ для mmf также действителен для напряженности магнитного поля и плотности магнитного потока в воздушном зазоре. Следовательно, скорость вращающегося магнитного поля пропорциональна частоте трехфазных токов возбуждения, которые генерируют поле. Сравнивая соотношение между скоростью ротора и частотой наведенной ЭДС в трехфазной обмотке, полученное ранее, мы можем обнаружить, что скорость ротора равна скорости вращающегося поля для данной частоты.Другими словами, ротор и вращающееся поле вращаются с одинаковой скоростью. Мы называем эту скорость синхронной скоростью и используем специальные символы ωsyn (механический рад / с) и nsyn (об / мин), чтобы обозначить ее. Вышеупомянутый аналитический вывод также может быть выполнен графически путем добавления векторов mmf трех фаз, как показано на диаграммах ниже. Когда ωt = 0, ток фазы a максимален, и вектор mmf с величиной Fm фазы a находится на магнитной оси фазы a, в то время как mmf фаз b и c имеют величину Fm / 2 и в противоположных направлениях. их магнитных осей, поскольку токи этих двух фаз равны −Im / 2.Следовательно, результирующее mmf F1 = 3Fm / 2 находится на магнитной оси фазы a. Когда ωt = π / 3, ic = −Im и ia = ib = Im / 2. Результирующий mmf F1 = 3Fm / 2 находится на оси фазы c, но в противоположном направлении. Аналогично, когда ωt = 2π / 3, ib = Im и ia = ic = −Im / 2. Следовательно, результирующий mmf F1 = 3Fm / 2 находится в положительном направлении магнитной оси фазы b. В общем, результирующий mmf имеет постоянную величину 3Fm / 2 и будет находиться в положительном направлении магнитной оси фазной обмотки, когда ток в этой фазной обмотке достигнет положительного максимума.Скорость вращающегося mmf равна угловой частоте в электрических рад / с.

13

Синхронные машины

14

Синхронные машины

В случае синхронного генератора три уравновешенных ЭДС с частотой f = Pn / 120 Гц индуцируются в трехфазных обмотках, когда ротор приводится в движение первичной обмоткой. движитель вращается со скоростью n. Если трехфазная цепь статора замкнута сбалансированной трехфазной электрической нагрузкой, сбалансированные трехфазные токи с частотой f будут течь в цепи статора, и эти токи будут генерировать вращающееся магнитное поле со скоростью nf = 120f / P = n.Когда обмотка статора трехфазного синхронного двигателя питается от сбалансированного трехфазного источника питания с частотой f, сбалансированные трехфазные токи в обмотке будут генерировать вращающееся магнитное поле со скоростью nf = 120f / P. Это вращающееся магнитное поле будет тянуть намагниченный ротор, который является важным магнитом, вращаться с той же скоростью n = nf. С другой стороны, этот вращающийся ротор также будет генерировать сбалансированные трехфазные ЭДС с частотой f в обмотке статора, которые будут уравновешиваться с приложенным напряжением на клеммах.Магнитное поле ротора Используя метод наложения на МДС катушек, которые образуют обмотку ротора, мы можем вывести, что распределения МДС и, следовательно, плотности потока в воздушном зазоре близки к синусоидальным волнам для синхронной машины с круглым ротором с равномерный воздушный зазор, как показано ниже.

15

Синхронные машины

В случае ротора с явнополюсным ротором, полюса ротора имеют такую ​​форму, чтобы результирующая ммс и плотность потока синусоидально распределялись в воздушном зазоре и, таким образом, индуцированная ЭДС в обмотках статора, связывающих его поток также будет синусоидальным.Возбуждение поля синхронной машины может быть обеспечено с помощью постоянных магнитов, что устраняет необходимость в источнике постоянного тока для возбуждения. Это может не только сэкономить энергию для магнитного возбуждения, но и значительно упростить конструкцию машины, что особенно удобно для небольших синхронных машин, поскольку это обеспечивает большую гибкость топологий машин. На приведенной ниже диаграмме показаны поперечные сечения двух синхронных машин с постоянными магнитами.

Модель электрической цепи, эквивалентная

на фазу На приведенной ниже диаграмме схематически показано поперечное сечение трехфазной двухполюсной синхронной машины с цилиндрическим ротором.Катушки aa ‘, bb’ и cc ‘представляют собой распределенные обмотки статора, создающие синусоидальные волны магнитной индукции и плотности потока, вращающиеся в воздушном зазоре. Контрольные направления для токов показаны точками и крестиками. Обмотка возбуждения ff ‘на роторе также представляет собой распределенную обмотку, которая создает синусоидальные волны магнитной индукции и плотности потока, центрированные на его магнитной оси и вращающиеся вместе с ротором. Уравнения электрической цепи для трех фазных обмоток статора могут быть записаны по закону напряжения Кирхгофа как

va = Ra ia +

dλa dt

16

Синхронные машины

Магнитная ось фазы b

Φ ca Φ aao

Φ ba Магнитная ось фазы c

Принципиальная схема трехфазной синхронной машины с цилиндрическим ротором

dλb dt dλc vc = Rc ic + dt vb = Rb ib +

, где va, vb и vc — напряжения на обмотки, Ra, Rb и Rc — сопротивления обмоток, а λa, λb и λc — суммарные потокосцепления обмоток фаз a, b и c соответственно.Для симметричной трехфазной обмотки статора имеем

Ra = Rb = Rc Потоковые связи фазных обмоток a, b и c можно выразить через собственную и взаимную индуктивность следующим образом:

λa = λaa + λab + λac + λaf = Laa ia + Lab ib + Lac ic + Laf, если λb = λba + λbb + λbc + λbf = Lba ia + Lbb ib + Lbc ic + Lbf, если λc = λca + λcb + λcc + λcf = Lca ia + Lcb ib + Lcc ic + Lcf, если где

Laa = Lbb = Lcc = Laao + Lal Lab = Lba = Lac = Lca = — Laao 2 Laf = Lafm cosθ Lbf = Lafm cos (θ — 120 o)

17

Синхронные машины

Lcf = Lafm cos (θ — 240 o) для сбалансированной трехфазной машины, Laao = Φaao / ia, Lal = Φal / ia, Φaao — это поток, который связывает все три фазные обмотки, Φal поток, который только связывает фазу обмотки и θ = ωt + θo.Когда обмотки статора возбуждаются сбалансированными трехфазными токами, мы имеем

ia + ib + ic = 0. Суммарная потокосцепление фазы обмотки может быть далее записано как

λa = (Laao + Lal) ia — Laao ib / 2 — Лаао ic / 2 + Лафми f cos (ωt + θo) = (Лаао + Лал) ia — Лаао (ib + ic) / 2 + Лафми f cos (ωt + θo) = (Лаао + Лал) ia + Лаао ia / 2 + Lafmi f cos (ωt + θo)

= (3 Laao 2 + Lal) ia + Lafmi f cos (ωt + θo)

= Ls ia + Lafmi f cos (ωt + θo) Аналогично можно записать

λb = Ls ib + Lafmi f cos (ωt + θo — 120 o)

и

λc = Ls ic + Lafmi f cos (ωt + θo — 240 o)

где Ls = 3Laao / 2 + Lal — известная как синхронная индуктивность.Таким образом, трехфазные обмотки математически разделены, и, следовательно, для сбалансированной трехфазной синхронной машины нам просто нужно решить уравнение цепи для одной фазы. Подставляя приведенное выше выражение потокосцепления в уравнение цепи фазы a, мы получаем

va = Ra ia + Ls

dia dλaf + dt dt

В установившемся режиме приведенное выше уравнение может быть выражено через напряжение и ток. векторов как

Va = E a + (Ra + jωLs) I a = E a + (Ra + jX s) I a

X s = ωLs называется синхронным реактивным сопротивлением, а ωLafm I f 2π Ea = j = j fk w N ph Φ f = j 4.44 fk w N ph Φ f 2 2 — вектор наведенной ЭДС, учитывая, что Lafm I f = λafm = kw N ph Φ f, If — постоянный ток в

, где

— обмотка ротора, а Φf — магнитный поток ротора. в воздушном зазоре.

18

Синхронные машины

Следует отметить, что приведенное выше уравнение схемы было получено в предположении, что фазный ток протекает через положительный вывод, то есть опорное направление фазного тока было выбрано в предположении, что машина является двигателем.В случае генератора, в котором предполагается, что фазный ток вытекает из положительного вывода, уравнение схемы принимает следующий вид:

Va = E a — (Ra + jX s) I a

На следующих схемах показана фаза схемы замещения синхронной машины с круглым ротором в двигательном и генераторном режимах соответственно.

jXs

Ra

Ea

jXs

Ia

Ra

Ea

VA

(a)

Ia

VA в синхронной цепи

, эквивалентная (b) синхронная цепь для каждой машины генератор, и (b) опорные направления двигателя

Экспериментальное определение параметров цепи В модели эквивалентной схемы для каждой фазы, показанной выше, необходимо определить три параметра: сопротивление обмотки Ra, синхронное реактивное сопротивление Xs и наведенная ЭДС в фазной обмотке. Эа.Фазное сопротивление обмотки Ra может быть определено путем измерения сопротивления обмотки постоянному току с помощью вольт-амперного метода, в то время как синхронное реактивное сопротивление и наведенная ЭДС могут быть определены путем испытаний на обрыв цепи и короткое замыкание.

Тест на разрыв цепи Привод синхронной машины с синхронной скоростью с помощью первичного двигателя, когда обмотки статора разомкнуты. Измените ток обмотки ротора и измерьте напряжение на клеммах обмотки статора. Взаимосвязь между напряжением на клеммах обмотки статора и током возбуждения ротора, полученная при испытании на обрыв цепи, известна как характеристика обрыва цепи синхронной машины.

19

Синхронные машины

Тест короткого замыкания Уменьшите ток возбуждения до минимума, используя реостат возбуждения, а затем разомкните прерыватель цепи возбуждения. Замкните клеммы статора машины на три амперметра; Замкните выключатель цепи возбуждения; и увеличить ток возбуждения до значения, отмеченного при испытании на обрыв цепи, при котором напряжение на клеммах холостого хода равно номинальному напряжению, при сохранении синхронной скорости. Запишите три тока статора.(Это испытание следует проводить быстро, поскольку токи статора могут быть больше номинального значения).

При предположении, что синхронное реактивное сопротивление Xs и наведенная ЭДС Ea имеют одинаковые значения как при испытаниях на обрыв, так и на короткое замыкание, и что Xs >> Ra, мы имеем

Xs =

Обрыв цепи на фазное напряжение Короткое замыкание на фазный ток

Для некоторых машин ток короткого замыкания слишком велик, если машина работает с синхронной скоростью.В этом случае испытание на короткое замыкание может быть выполнено на пониженной скорости, например, на полусинхронной скорости nsyn / 2 или frated / 2. Поскольку Ea ∝ f, наведенная ЭДС при испытании на короткое замыкание уменьшается вдвое. Таким образом,

Xs

f с рейтингом / 2

1 Voc = 2 I sc f

с рейтингом

с рейтингом

/2

Следовательно,

Xs

с рейтингом

= 2 × X s

f номинальный / 2

20

=

Voc I sc

f номинальный f номинальный / 2

Синхронные машины

Синхронная машина, работающая как генератор Электромагнитная мощность и крутящий момент Когда синхронная машина работает как генератор, a для привода генератора требуется первичный двигатель.В установившемся режиме механический крутящий момент первичного двигателя должен уравновешиваться с электромагнитным крутящим моментом, создаваемым генератором, и крутящим моментом с механическими потерями из-за трения и ветра, или

Tpm = T + Tloss Умножение синхронной скорости на обе стороны крутящего момента Уравнение баланса мощности:

Ppm = Pem + Ploss

, где Ppm = Tpmωsyn — механическая мощность, подаваемая первичным двигателем, Pem = Tωsyn — электромагнитная мощность генератора, а Ploss = Tlossωsyn — механическая потеря мощности. системы.Электромагнитная мощность — это мощность, преобразующаяся в электрическую в трехфазных обмотках статора. То есть

Pem = Tω syn = 3E a I a cosϕ Ea Ia, где ϕEaIa — угол между векторами Ea и Ia.

jXs

Prime Mover

Ra

Ia

Tloss T Ea Generator

Tpm ωsyn

VA

Синхронная машина, работающая как генератор

Ea

, как правило, для более крупных синхронных генераторов сопротивления меньше, чем синхронное реактивное сопротивление, и, таким образом, уравнение для каждой фазы цепи можно приблизительно записать как

jXs I a δ ϕ

Va

Ia

Va = E a — jX s I a Соответствующая векторная диаграмма показана на

21

Векторная диаграмма генератора

Синхронные машины

правая сторона.Из векторной диаграммы легко получить

E a sin δ = X s I a cosϕ. Если пренебречь сопротивлением фазной обмотки, выходная электрическая мощность равна электромагнитной мощности, или

Pem = Pout = 3Va I a cosϕ Следовательно ,

Pem =

3E aVa sinδ Xs

и

T =

Pem 3E aVa = sin δ ω syn ω syn X s

Зависимость электромагнитного момента от угла нагрузки

, где δ — угол между векторами напряжения и ЭДС, известного как угол нагрузки.Если пренебречь сопротивлением обмотки статора, δ можно также рассматривать как угол между вращающимися магнитными полями ротора и статора. Электромагнитный момент синхронной машины пропорционален синусоидальной функции угла нагрузки, как показано на диаграмме выше, где кривая в третьем квадранте соответствует ситуации, когда машина работает как двигатель, где электромагнитный момент равен отрицательный, потому что направление тока якоря обратное.

Стабилизация напряжения Напряжение на клеммах при постоянном токе возбуждения зависит от тока якоря или тока нагрузки; то есть генератор имеет регулировку, которая становится более заметной по мере того, как цепь нагрузки становится более индуктивной и рабочий коэффициент мощности падает.Это регулирование определяется как

VR =

Va (NL) — Va (номинальное) Va (номинальное)

, где Va (NL) — величина напряжения на клеммах без нагрузки, а Va (номинальная) — величина номинальное напряжение на клеммах. Когда генератор выдает полную нагрузку, на требуемой клемме должно быть номинальное напряжение. Нормализованная разница между величинами напряжения холостого хода и напряжения полной нагрузки при номинальном напряжении определяется как регулировка напряжения. Это значение можно легко определить по векторной диаграмме для работы с полной нагрузкой.Если регулирование является чрезмерным, можно использовать автоматический контроль тока возбуждения для поддержания почти постоянного напряжения на клеммах при изменении нагрузки.

22

Синхронные машины

Синхронная машина, работающая как двигатель Электромагнитная мощность и крутящий момент Когда синхронная машина работает как двигатель для привода механической нагрузки в установившемся состоянии, механический крутящий момент двигателя должен уравновешивать момент нагрузки и крутящий момент с механическими потерями из-за трения и сопротивления воздуха, который составляет

T = Tload + Tloss Умножая синхронную скорость на обе стороны уравнения крутящего момента, мы получаем уравнение баланса мощности как

Pem = Pload + Ploss, где Pem = Tωsyn Электромагнитная мощность двигателя, Pload = Tloadωsyn — это механическая мощность, передаваемая механической нагрузке, а Ploss = Tlossωsyn — механическая потеря мощности в системе.Как и в случае с генератором, электромагнитная мощность — это количество энергии, преобразуемой из электрической в ​​механическую. То есть

Pem = 3E a I a cosϕ Ea Ia = Tω syn, где ϕEaIa — угол между векторами Ea и Ia.

jXs

мех. Нагрузка

Ra

Ia

ωsyn T Ea

Va

Двигатель

Tload Tloss

Синхронная машина, работающая как двигатель

VA

Если уравнение сопротивления обмотки статора игнорируется, можно игнорировать уравнение для каждой фазы записывается примерно как

Va = E a + jX s I a Соответствующая векторная диаграмма показана справа.Из векторной диаграммы можно легко получить

jXs I a δ ϕ Ia Векторная диаграмма двигателя

Va sin δ = X s I a cosϕ Ea Ia

, где ϕ E a I a = ϕ — δ

23

Ea

Синхронные машины

Следовательно,

Pem =

3E aVa sinδ Xs

и

T =

Pem 3E aVa = sin δ ω syn ω syn X s

, где угол нагрузки δ .

Когда сопротивление обмотки статора

игнорируется, δ можно также рассматривать как угол между вращающимися магнитными полями ротора и статора.

Электромагнитный момент в зависимости от угла нагрузки

В моторном режиме поле статора опережает ротор.

Электромагнитный момент

синхронной машины пропорционален синусоидальной функции угла нагрузки, как показано на диаграмме выше, где кривая в третьем квадранте соответствует ситуации, когда машина работает как генератор, где электромагнитный момент отрицательный, потому что направление тока якоря меняется на противоположное.

Коэффициент мощности синхронного двигателя Предположим, что синхронный двигатель приводит в движение нагрузку с постоянным крутящим моментом.Активная мощность, преобразуемая машиной, является постоянной, независимо от значения тока возбуждения, поскольку скорость двигателя постоянна. Таким образом,

T =

3Va E a sin δ = постоянная ω syn X s

E a sinδ = постоянная

или и

Pem = 3Va I a cosϕ = постоянная I a cosϕ = постоянная

или

Используя приведенную ниже векторную диаграмму, мы анализируем изменение угла коэффициента мощности синхронного двигателя при изменении возбуждения поля ротора.Для небольшого тока возбуждения ротора наведенная ЭДС в обмотке статора также мала, как показано вектором Ea1. Это дает угол отставания коэффициента мощности ϕ1> 0. По мере увеличения тока возбуждения угол отставания коэффициента мощности уменьшается.

При определенном токе ротора вектор наведенной ЭДС Ea2 составляет

перпендикулярно вектору напряжения на клеммах, и, следовательно, вектор тока статора совмещен с напряжением на клеммах, то есть с нулевым углом коэффициента мощности ϕ2 = 0. Когда ротор ток

24

Синхронные машины

далее увеличивается, ток статора опережает напряжение на клеммах или опережающий угол коэффициента мощности ϕ3

I a cosϕ Ia1 ϕ3

ϕ1

Ia2 δ1 δ2

Va sinδ 9000 δ3 jX s Ia1

jX s Ia3 jX s Ia2

Ia3 Ea1

Ea2

Ea3

Фазорная диаграмма синхронного двигателя в режиме пониженного возбуждения, единичного коэффициента мощности и избыточного возбуждения Для преобразования определенного количества активного электрическая энергия в механическую, требуется определенное количество магнитного потока.В случае запаздывающего коэффициента мощности ток возбуждения ротора настолько мал, что от источника питания статора требуется некоторая реактивная мощность, и, следовательно, ток статора отстает от напряжения на клеммах. Это состояние называется возбуждением. Когда тока возбуждения ротора достаточно для создания необходимого магнитного потока, получается единичный коэффициент мощности. Если ток возбуждения ротора больше необходимого, паразитная реактивная мощность должна быть передана в линии питания источника питания. Это состояние известно как чрезмерное возбуждение.На практике из-за этой особенности синхронные двигатели часто работают без активной нагрузки в качестве синхронных конденсаторов с целью коррекции коэффициента мощности.

Диаграмма

под векторной диаграммой схематически иллюстрирует компенсацию коэффициента мощности для индуктивной нагрузки, которая является обычной для заводов, использующих большие асинхронные двигатели с синхронным конденсатором.

Управляя током возбуждения ротора таким образом, что синхронный конденсатор

потребляет линейный ток с опережающим фазовым углом, мнимая составляющая которого

25

Synchronous Machines

компенсирует составляющую тока нагрузки, общий линейный ток будет иметь минимальная мнимая составляющая.Следовательно, общий коэффициент мощности индуктивной нагрузки и синхронного конденсатора будет близок к единице, а величина общего линейного тока будет минимальной. Также можно видеть, что только когда коэффициент мощности равен единице или ток статора совмещен с напряжением на клеммах, величина тока статора минимальна. Построив график зависимости тока статора от тока возбуждения ротора, можно получить семейство V-образных кривых. Показано, что для работы большей активной нагрузки с единичным коэффициентом мощности требуется больший ток возбуждения ротора.

Трехфазный источник питания

Is

I load I cmp

Индуктивная нагрузка

Синхронный конденсатор Компенсация коэффициента мощности для индуктивной нагрузки с помощью синхронного конденсатора

26

Синхронные машины

Синхронные моторные приводы запуск в синхронном режиме, поскольку инерция и механическая нагрузка не позволяют ротору догнать вращающееся магнитное поле с синхронной скоростью. Обычно в ротор вставляют несколько медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко концевыми кольцами, и запускают двигатель как асинхронный (принцип работы асинхронных двигателей обсуждается в другой главе).Когда скорость ротора близка к синхронной скорости, на ротор подается питание постоянного тока, и он будет догонять вращающееся магнитное поле или синхронизироваться с ним. Однако это не является проблемой для синхронных двигателей, управляемых силовым электронным инвертором, поскольку инвертор может увеличивать частоту возбуждения. Поскольку скорость ротора пропорциональна частоте возбуждения статора, скоростью синхронного двигателя можно управлять только путем изменения частоты статора. Распространенной стратегией управления скоростью является управление скоростью с переменным напряжением и частотой (VVVF), при котором соотношение между напряжением статора и частотой поддерживается постоянным.Ниже представлена ​​блок-схема привода синхронного двигателя с разомкнутым контуром. Для скоростей вращения ротора ниже номинальной используется стратегия VVVF, а максимальный крутящий момент, который может создать двигатель, является постоянным. Когда требуемая скорость ротора выше номинальной, напряжение статора ограничивается номинальным напряжением, а частота увеличивается. Затем максимальный крутящий момент уменьшается с увеличением скорости. Как показано кривыми крутящий момент-скорость на приведенной ниже диаграмме, моторный привод подходит для нагрузки с постоянным крутящим моментом, когда скорость ниже номинальной, и будет подходить для нагрузки с постоянной мощностью, когда скорость выше номинальной. .

27

Синхронные машины

ωr ωmax

ωrated

0

Tmax

T

Кривые скорости крутящего момента синхронного двигателя с управлением VVVF

28

синхронное управление с замкнутым контуром возбуждением статора можно управлять в соответствии с положением ротора, так что магнитное поле статора перпендикулярно полю ротора, и, следовательно, электромагнитный крутящий момент, создаваемый двигателем, всегда максимален при любых условиях нагрузки.Кривая крутящего момента двигателя в этом случае практически такая же, как у двигателя постоянного тока. Этот тип моторного привода известен как бесщеточные двигатели постоянного тока, которые будут рассмотрены в другой главе. На приведенных ниже схемах показан оптический датчик положения и блок-схема привода синхронного двигателя с обратной связью.

29

Синхронные машины

Упражнения 1. 6-полюсная синхронная машина с круглым ротором, 3-фазная синхронная машина, соединенная звездой, имеет следующие результаты испытаний: Испытание на разрыв цепи: 4000 В между фазой при 1000 об / мин, ток ротора 50 А Испытание на короткое замыкание : 300 A при 500 об / мин 50 A ток ротора. Пренебрегая сопротивлением статора и потерями в сердечнике, предполагая линейную характеристику холостого хода, рассчитайте: (a) синхронное реактивное сопротивление машины при 50 Гц, (b) ток ротора, необходимый для машина для работы в качестве мотора на 0.8 коэффициент мощности, ведущий от линии питания 3,3 кВ к линии с выходной мощностью 1000 кВт, (c) ток ротора, необходимый для работы машины в качестве генератора на бесконечной шине 3,3 кВ между фазой при поставке 1500 кВА. при отставании коэффициента мощности 0,8, (d) угол нагрузки для (b) и (c), и нарисуйте векторную диаграмму для (b) и (c). Ответ: 7,7 Ом, 69,54 А, 76 А, 24,8 °, 27,4 ° 2. Для синхронного генератора мощностью 2500 кВА, 6600 В, подключенного по схеме «звезда», работающего при полной нагрузке, рассчитайте (а) процентное регулирование напряжения при коэффициенте мощности 0.8 с запаздыванием, (b) регулировка напряжения в процентах при коэффициенте мощности 0,8 с опережением. Синхронное реактивное сопротивление и сопротивление якоря составляют 10,4 Ом и 0,071 Ом соответственно. Ответ: 44%, -20% 3. Определите частоту вращения ротора в об / мин следующих трехфазных синхронных машин: (a) f = 60 Гц, количество полюсов = 6, (b) f = 50 Гц, количество полюсов = 12, и (c) f = 400 Гц, количество полюсов = 4. Ответ: 1200 об / мин, 500 об / мин, 12000 об / мин 4. AY подключен 3 фазы 50 Гц 8-полюсный синхронный генератор переменного тока имеет индуцированный напряжение между линиями 4400 В при токе возбуждения ротора 10 А.Если этот генератор переменного тока должен генерировать напряжение 60 Гц, вычислите новую синхронную скорость и индуцированное напряжение для того же тока ротора, равного 10 А. Ответ: Enew = 5280 В, nsyn-new = 900 об / мин 5. 3 фазы Y подключены 6 Полюсный генератор переменного тока рассчитан на 10 кВА 220 В при 60 Гц. Синхронное реактивное сопротивление Xs = 3 Ом. Линия холостого хода к напряжению на клемме нейтрали при 1000 об / мин следует кривой намагничивания, показанной ниже. Определите (а) номинальную скорость в об / мин, (б) ток возбуждения, необходимый для работы с полной нагрузкой при отставании коэффициента мощности 0,8.E (V) 11 38 70 102 131 156 178 193 206215 221 224 If (A) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2

30

Синхронные машины

Ответ: nsyn = 1200 об / мин, If = 1.0 A 6. Генератор, о котором идет речь, 3 с номиналом 10 кВА, 220 В, 26,2 А, при 1200 об / мин. Определите угол крутящего момента и ток возбуждения для работы двигателя с единичным коэффициентом мощности при номинальной нагрузке. Ответ: угол крутящего момента = 32o, If = 0,75 A 7. Трехфазная индукционная печь потребляет 7,5 кВА при отставании коэффициента мощности 0,6.Доступен синхронный двигатель 10 кВА. Если общий коэффициент мощности комбинации должен быть равен единице, определите механическую нагрузку, которую может выдержать двигатель. Ответ: 8 кВт 8. Следующие данные взяты из характеристик разомкнутой цепи и короткого замыкания 45 кВА 3-фазной Y-подключенной 220 В (линия к линии) 6-полюсной синхронной машины 60 Гц: из характеристики разомкнутой цепи: Линия к линии напряжение = 220 В Ток возбуждения = 2,84 А из характеристики короткого замыкания: Ток якоря (А) 118152 Ток возбуждения (А) 2.20 2,84 от линии воздушного зазора: ток возбуждения = 2,20 A Напряжение между фазами = 202 В Рассчитайте ненасыщенное значение синхронного реактивного сопротивления и его значение насыщения при номинальном напряжении. Выразите синхронное реактивное сопротивление в омах на фазу, а также в единицах номинала машины в качестве основы. Ответ: 0,987 Ом на фазу, 0,92 на единицу, 0,836 Ом на фазу, 0,775 на единицу 9. Из векторной диаграммы синхронной машины с постоянным синхронным реактивным сопротивлением Xs, работающей при постоянном напряжении на клеммах Vt и постоянном напряжении возбуждения Ef, видно, что геометрический вектор вершины фазора тока якоря представляет собой окружность.На векторной диаграмме с напряжением на клеммах, выбранным в качестве опорного вектора, укажите положение центра этой окружности и ее радиус. Выразите координаты центра и радиуса круга через Vt, Ef и Xs.

31

Закон Ленца и обратная ЭМП

Закон Ленца и обратная ЭМП работают рука об руку. При работе электродвигателя, когда якорь вращается внутри магнитного поля, создается напряжение. Это напряжение обычно называют обратной ЭДС (электродвижущей силой), поскольку оно действует против напряжения, приводящего в действие двигатель.

Законы электромагнетизма

Одним из фундаментальных законов, регулирующих работу электродвигателя, является закон Фарадея, который гласит, что любое изменение магнитной среды катушки с проволокой вызывает «индуцирование» напряжения (ЭДС) в катушке. Независимо от того, как происходит изменение — перемещая магнит и катушку относительно друг друга или изменяя магнитное поле, — будет генерироваться напряжение. Уравнение для этой наведенной ЭДС:

Рука об руку с законом Фарадея работает закон Ленца, который гласит, что полярность наведенной ЭДС такова, что она производит ток, магнитное поле которого противодействует изменению, которое его вызывает.Индуцированное магнитное поле внутри любой проволочной петли всегда поддерживает постоянный магнитный поток в петле. Проще говоря, согласно закону Ленца, индуцированное напряжение (ЭДС) будет противодействовать управляющему напряжению. Следовательно, отрицательный знак в уравнении.

Закон Ленца применяется к цепям двигателей

Рассматривая простую схему двигателя и принимая во внимание сохранение энергии, мы видим, что сетевое напряжение на двигателе всегда будет равно напряжению питания плюс обратная ЭДС:

Напряжение сети = напряжение питания + противоЭДС

Показано графически:

Напряжение питания = 195 В
Противо-ЭДС = -45 В
Напряжение сети на двигателе = 150 В

Напряжение питания = 195 В.

Задняя ЭДС = -45 В.

Напряжение сети на двигателе, рассчитанное по закону Ома (V = I x R = 10 A x 15 Ом), = 150 В.

Это согласуется с уравнением для сетевого напряжения:

150 В = 195 В + -45 В

Обратная ЭДС на практике

Теперь давайте посмотрим, что происходит, когда на двигатель прикладывается нагрузка.

Во-первых, повышенная нагрузка вызывает снижение скорости двигателя. Обратная ЭДС напрямую связана со скоростью, поэтому, когда скорость уменьшается, уменьшается и наведенная обратная ЭДС.Из приведенного выше уравнения мы видим, что при меньшей обратной ЭДС напряжение (и, следовательно, ток) на двигателе увеличится. Этот дополнительный ток создает дополнительный крутящий момент, необходимый двигателю для восстановления скорости при увеличении нагрузки.


В конструкции двигателя на обратную ЭДС влияет количество витков в обмотках статора и магнитное поле. Двигатели спроектированы с постоянной обратной ЭДС, которая позволяет двигателю потреблять номинальный ток и обеспечивать номинальный крутящий момент при работе на номинальной скорости.


Обратная ЭДС может иметь синусоидальную (AC) или трапециевидную (DC) форму волны. Форма обратной ЭДС важна, поскольку она определяет тип управляющего тока и метод коммутации, который следует использовать для двигателя.

Принципиальная схема и пример взяты из Департамента образования и профессиональной подготовки Нового Южного Уэльса, 2007 г.

Синхронная машина

— обзор

4.14.5.3.2.4 Синхронная машина

Синхронная машина — это машина переменного тока; его ротор вращается с той же скоростью вращения поля (синхронная скорость).Синхронные машины преимущественно используются в производстве электроэнергии. Они называются синхронными генераторами (или генераторами переменного тока). Синхронные генераторы являются первичными устройствами преобразования энергии, и их номинальная мощность может достигать от долей лошадиных сил до нескольких сотен мегавольт-ампер (МВА). Обычно они используются в насосах, серводвигателях и электрических часах, где требуется постоянная скорость.

В синхронных машинах ротор имеет обмотку, возбуждаемую постоянным током, или ФЭУ для создания поля возбуждения, контактные кольца и щетки для внешнего соединения.Статор несет обмотку якоря. Обмотка возбуждения возбуждается постоянным током для создания магнитного потока в воздушном зазоре. Когда ротор вращается, в обмотке якоря, расположенной на статоре, индуцируется напряжение. Ток якоря создает вращающийся поток в воздушном зазоре, скорость которого совпадает со скоростью ротора, отсюда и название синхронной машины.

Синхронные машины часто делятся на две группы в зависимости от конфигурации ротора: цилиндрический ротор и явнополюсный. Синхронные машины с цилиндрическим или круглым ротором имеют равномерный воздушный зазор, 2–4 полюса ротора с высокой скоростью, ротор, который обычно имеет небольшой диаметр, но имеет длину в осевом направлении и обычно приводится в движение паровыми турбинами.Синхронные машины с явными полюсами имеют неравномерный воздушный зазор, большое количество полюсов ротора с низкой скоростью, ротор, который обычно имеет большой диаметр, но короткий в осевом направлении, и обычно приводится в движение водяными турбинами.

Принцип действия синхронных генераторов основан на использовании полюсов, которые намагничиваются либо постоянными магнитами, либо постоянным током. Якорь, обычно содержащий трехфазную обмотку, установлен на валу. Обмотка якоря питается через три контактных кольца и набор скользящих по ним щеток.Ротор вращается первичным двигателем. Схематический разрез двухполюсной синхронной машины показан на рис. 17.

Рис. 17. Синхронная машина. Схематический вид в разрезе двухполюсной машины.

Воспроизведено с Sen PC. Принципы электрических машин и силовой электроники. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: John Wiley & amp; Сыновья; 2004.

В синхронной машине обмотка возбуждения намотана на ротор, а якорь — на статор. Постоянный ток, создающий магнитное поле, которое должно вращаться с синхронной скоростью, возбуждает вращающуюся обмотку возбуждения.На вращающуюся обмотку возбуждения можно подавать напряжение через набор контактных колец и щеток. В полях с внешним питанием источником может быть генератор постоянного тока с приводом от вала; Существует несколько вариаций этих схем. Сердечник статора изготовлен из изолированных стальных пластин для минимизации вихревых токов и потерь на гистерезис.

Число полюсов в электрической машине всегда четное число. При увеличении числа полюсов скорость вращения уменьшается. Синхронная скорость — это скорость вращения поля возбуждения.Скорость ротора определяется частотой возбуждения и числом полюсов.

Электрические машины — генераторы и двигатели | Электродинамика

11.2 Электрические машины — генераторы и двигатели (ESCQ4)

Мы видели, что когда проводник перемещается в магнитном поле или когда перемещается магнит около проводника в проводнике течет ток. Величина тока зависит от:

  • скорость, с которой проводник испытывает изменяющееся магнитное поле,
  • количество витков, составляющих проводник, а
  • положение плоскости проводника относительно магнитного поле.
Влияние ориентации проводника относительно магнитного поля проиллюстрирован на рисунке 11.1.

Рисунок 11.1: Серия рисунков, показывающих, что магнитный поток, проходящий через проводник, зависит от от угла, который плоскость проводника составляет с магнитным полем. Величайший поток проходит через проводник, когда плоскость проводника перпендикулярна силовые линии магнитного поля, как на Рисунке 11.1 (а).Номер силовых линий, проходящих через проводник, уменьшается, так как проводник вращается до тех пор, пока он параллелен магнитному полю Рис. 11.1 (c).

Если наведенная ЭДС и ток в проводнике были представлены как функция угла между плоскостью проводника и магнитным полем для проводника, имеющего постоянной скорости вращения, то наведенные ЭДС и ток будут варьируются, как показано на рисунке 11.2. Ток чередуется около нуля и известен как переменного тока (сокращенно AC).

Рисунок 11.2: Изменение наведенной ЭДС и тока как угол между плоскостью проводника и проводником. магнитное поле меняется.

Угол изменяется как функция времени, поэтому приведенные выше графики могут быть нанесены на временную ось. также.

Вспомните закон Фарадея, о котором вы узнали в 11 классе:

Закон Фарадея

ЭДС, \ (\ mathcal {E} \), индуцированный вокруг одиночной петли проводника, пропорционален скорость изменения магнитного потока φ через площадь, \ (A \) петли.Математически это можно выразить как:

\ [\ mathcal {E} = -N \ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta t} \]

где \ (\ phi = B · A \ cos \ theta \) и \ (B \) — напряженность магнитного поля.

Закон Фарадея связывает наведенную ЭДС со скоростью изменения магнитного потока, который является произведением напряженности магнитного поля и поперечного сечения область, через которую проходят силовые линии. Площадь поперечного сечения изменяется при вращении петли проводника. что дает фактор \ (\ cos \ theta \).\ (\ theta \) — угол между нормаль к поверхности витка проводника и магнитному полю. Когда проводник замкнутого контура меняет ориентацию по отношению к магнитному полю, величина магнитного потока, проходящего через область контура, изменяется, и в проводящем контуре индуцируется ЭДС.

Электрогенераторы (ESCQ5)

Генераторы переменного тока (ESCQ6)

Используется принцип вращения проводника в магнитном поле для генерации тока. в электрических генераторах.Генератор преобразует механическую энергию (движение) в электрическую.

Генератор

Генератор — это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую.

Схема простого генератора переменного тока показана на рисунке 11.3. Проводник представляет собой катушку с проволокой, помещенную в магнитное поле. В проводник вручную вращается в магнитном поле. Это порождает чередование ЭДС.Переменный ток нужно передать от проводника к нагрузке, это система, для функционирования которой требуется электрическая энергия.

Нагрузка и проводник соединены контактным кольцом. Скользящее кольцо это соединитель, который может передавать электричество между вращающимися частями машины. Он состоит из кольца и щеток, одна из которых неподвижна. по отношению к другому. Здесь кольцо прикрепляется к проводнику и щеткам. прикреплены к нагрузке.Ток генерируется во вращающемся проводнике, проходит в контактные кольца, которые вращаются против щеток. Ток передается через щетки в нагрузку, и, таким образом, система получает питание.

Рисунок 11.3: Схема генератора переменного тока.

Направление тока меняется с каждой половиной оборота катушки. Когда одна сторона петли переходит в другую полюс магнитного поля, ток в контуре меняет направление.Этот тип тока, который меняет направление, известен как переменный. current, а на рис. 11.4 показано, как это происходит. как проводник вращается.

Рисунок 11.4: Красные (сплошные) точки обозначают ток, исходящий со страницы, а крестики показывают текущий ток. переходя на страницу. Генераторы переменного тока

также известны как генераторы переменного тока. Они используются в легковых автомобилях для зарядки автомобильного аккумулятора.

Генератор постоянного тока (ESCQ7)

Простой генератор постоянного тока устроен так же, как генератор переменного тока, за исключением того, что представляет собой одно контактное кольцо, которое разделено на две части, называемые коммутатором, поэтому ток в внешняя цепь не меняет направление.Схема генератора постоянного тока показана на Рисунок 11.5. Коммутатор с разъемным кольцом учитывает изменение направление тока в контуре, создавая тем самым постоянный ток (DC), проходящий через щетки и в цепь. Ток в петле меняет направление, но если вы посмотрите Внимательно изучив 2D-изображение, вы увидите, что секция коммутатора с разъемным кольцом также изменилась. какой стороны цепи он касается. Если ток меняет направление одновременно что коммутатор меняет местами стороны внешней цепи всегда будет иметь ток, идущий в в том же направлении.

Рисунок 11.5: Схема генератора постоянного тока.

Форма ЭДС от генератора постоянного тока показана на рисунке 11.6. ЭДС не является постоянной, но представляет собой абсолютное значение синусоидальной / косинусоидальной волны.

Рисунок 11.6: Изменение ЭДС в генераторе постоянного тока.

Генераторы переменного и постоянного тока (ESCQ8)

Проблемы, связанные с замыканием и размыканием электрического контакта с движущейся катушкой, — это искрение и нагрев, особенно если генератор вращается с высокой скоростью.Если атмосфера, окружающая машину, содержит легковоспламеняющиеся или взрывоопасные пары, практические проблемы искрообразования щеточных контактов еще больше.

Если вращается магнитное поле, а не катушка / проводник, тогда в генераторе переменного тока (генераторе) не нужны щетки, поэтому у генератора переменного тока не будет тех же проблем, что и у генераторов постоянного тока. Те же преимущества переменного по сравнению с постоянным током для конструкции генератора применимы и к электродвигателям. В то время как электродвигатели постоянного тока нуждаются в щетках для электрического контакта с движущимися катушками провода, электродвигатели переменного тока этого не делают.Фактически, конструкции двигателей переменного и постоянного тока очень похожи на их аналоги-генераторы. Электродвигатель переменного тока зависит от реверсивного магнитного поля, создаваемого переменным током через его неподвижные катушки с проволокой, заставляющими магнит вращаться. Двигатель постоянного тока зависит от замыкания и размыкания щеточных контактов. соединения для обратного тока через вращающуюся катушку каждые 1/2 оборота (180 градусов).

Электродвигатели (ESCQ9)

Основные принципы работы электродвигателя такие же, как и у генератора, за исключением того, что электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию (движение).

Электродвигатель

Электродвигатель — это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую.

Если поместить движущуюся заряженную частицу в магнитное поле, она испытал бы силу, называемую силой Лоренца .

Сила Лоренца

Сила Лоренца — это сила, испытываемая движущейся заряженной частицей в электрическом и магнитное поле.{-1} $} \)) и \ (B \) — напряженность магнитного поля (в теслах, Тл).

На этой диаграмме показан положительный заряд, движущийся между двумя противоположными полюсами магнитов. В направление движения заряда указано оранжевой стрелкой. Он испытает Сила Лоренца, которая будет направлена ​​зеленой стрелкой.

Токоведущий провод, в котором ток идет в направлении оранжевого стрелка, также будет испытывать магнитную силу, зеленая стрелка, из-за Лоренца сила на движущиеся отдельные заряды в текущем потоке.

Если направление тока обратное для того же направления магнитного поля, то направление магнитной силы также будет обратным, как показано на этой диаграмме.

Мы можем, если есть два параллельных проводника с током в противоположных направлениях, они будут испытывать магнитные силы в противоположных направлениях.

Электродвигатель работает за счет использования источника ЭДС, заставляя ток течь по петле проводник так, чтобы сила Лоренца на противоположных сторонах петли была противоположной направления, которые могут вызвать вращение петли вокруг центральной оси.

Сила, действующая на проводник с током из-за магнитного поля, называется законом Ампера.

Направление магнитной силы перпендикулярно обоим направлениям потока. тока и направления магнитного поля и можно найти используя Правило правой руки , как показано на рисунке ниже. Используйте ваш правая ; ваш первый палец указывает в сторону ток, второй палец по направлению магнитного поля и большой палец будет указывать в направлении силы.

И двигатели, и генераторы можно объяснить с помощью катушки, вращающейся в магнитном поле. В генераторе катушка присоединена к внешней цепи, которая вращается, что приводит к изменению потока, вызывающему ЭДС. В двигателе катушка с током в магнитном поле испытывает силу с обеих сторон катушки, создавая крутящую силу (называемую крутящим моментом , , произносится как «разговор»), которая заставляет ее вращаться.

Если используется переменный ток, для создания двигателя переменного тока требуются два контактных кольца.Двигатель переменного тока показан на рисунке 11.7

.

Рисунок 11.7: Схема двигателя переменного тока.

Если используется постоянный ток, для создания двигателя постоянного тока требуются коммутаторы с разъемным кольцом. Это показано на рисунке 11.8.

Рисунок 11.8: Схема двигателя постоянного тока.

Реальные приложения (ESCQB)

Автомобили

В автомобиле есть генератор. Когда двигатель автомобиля работает, Генератор заряжает аккумулятор и питает электрическую систему автомобиля.

Генераторы

Постарайтесь выяснить, какие значения тока вырабатываются генераторами переменного тока для разных типов машин. Сравните их, чтобы понять, какие числа имеют смысл в реальном мире. Вы найдете разные значения для автомобилей, грузовиков, автобусов, лодок и т. Д. Попытайтесь выяснить, какие другие машины могут иметь генераторы переменного тока.

Автомобиль также содержит электродвигатель постоянного тока, стартер, который вращает двигатель и запускает его. Стартер состоит из очень мощного электродвигателя постоянного тока и соленоида стартера, прикрепленного к двигателю.Стартерному двигателю требуется очень большой ток для запуска двигателя, и он соединен с аккумулятором с помощью больших кабелей для передачи большого тока.

Производство электроэнергии

Для производства электроэнергии для массового распределения (в дома, офисы, фабрики и т. д.) обычно используются генераторы переменного тока. Электроэнергия, производимая массивными Электростанции обычно имеют низкое напряжение, которое преобразуется в высокое напряжение. это эффективнее распределять электроэнергию на большие расстояния в виде высоких напряжение в линиях электропередач.

Затем высокое напряжение снижается до 240 В для потребления в домах и офисах. Этот обычно делается в пределах нескольких километров от того места, где он будет использоваться.

Рисунок 11.9: Генераторы переменного тока используются на электростанциях (все типы, гидро- и угольные станции) для выработки электроэнергии.

Ты справишься! Позвольте нам помочь вам учиться с умом для достижения ваших целей. Siyavula Practice направит вас в удобном для вас темпе, когда вы задаете вопросы в Интернете.

Зарегистрируйтесь, чтобы улучшить свои оценки

Генераторы и двигатели

Упражнение 11.1

Укажите разницу между генератором и двигателем.

Электрический генератор — это механическое устройство для преобразования энергии источника в электрическую.

Электродвигатель — это механическое устройство для преобразования электрической энергии из источника в энергию другого вида.

Используйте закон Фарадея, чтобы объяснить, почему в катушке, вращающейся в магнитном поле, индуцируется ток.

Закон Фарадея гласит, что изменяющийся магнитный поток может индуцировать ЭДС, когда катушка вращается в магнитном поле. Вращение может изменять магнитный поток, тем самым вызывая ЭДС.

Если вращение катушки такое, что поток не меняется, т.е. поверхность катушки остается параллельно магнитному полю, то наведенной ЭДС не будет.

Объясните основной принцип работы генератора переменного тока, в котором катушка механически вращается в магнитном поле.Нарисуйте диаграмму, подтверждающую ваш ответ.

Решение пока недоступно

Объясните, как работает генератор постоянного тока. Нарисуйте диаграмму, подтверждающую ваш ответ. Также опишите, чем генератор постоянного тока отличается от генератора переменного тока.

Решение пока недоступно

Объясните, почему катушка с током, помещенная в магнитное поле (но не параллельно полю), будет вращаться. Обратитесь к силе, действующей на движущиеся заряды со стороны магнитного поля и крутящего момента на катушке.

Катушка с током в магнитном поле испытывает силу с обеих сторон катушки, параллельно магнитному полю, создавая крутящую силу (называемую крутящим моментом), которая заставляет его вращаться. Любая катушка, по которой проходит ток, может чувствовать силу в магнитном поле. Сила обусловлена Магнитная составляющая силы Лоренца на движущихся зарядах в проводнике, называемая законом Ампера. Сила на противоположных сторонах катушки будет в противоположных направлениях, потому что заряды движется в противоположных направлениях.

Объясните основной принцип работы электродвигателя. Нарисуйте диаграмму, подтверждающую ваш ответ.

Решение пока недоступно

Приведите примеры использования генераторов переменного и постоянного тока.

Автомобили (как переменного, так и постоянного тока), производство электроэнергии (только переменного тока), везде, где требуется электропитание.

Приведите примеры использования двигателей.

Насосы, вентиляторы, бытовая техника, электроинструменты, бытовая техника, оргтехника.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.