 |
Модуль 6. Машины переменного тока
|
|
|
|
Модуль 6. МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Комплексной целью модуля является изучение:
- устройства и принципа работы синхронных и асинхронных машин переменного тока;
- характеристики синхронных генераторов переменного тока;
- системы пуска и режимов работы синхронных и асинхронных двигателей;
- способов регулирования частоты вращения двигателей переменного тока.
Лекция 13. Конструкция и принцип действия синхронных машин
переменного тока
13. 1. Генератор с тихоходным и быстроходным ротором
Синхронными называются электрические машины, частота вращения которых связана постоянным соотношением с частотой сети переменного тока, в которую эта машина включена. Синхронные машины служат генераторами переменного тока на электрических станциях, а синхронные двигатели применяются в тех случаях, когда нужен двигатель, работающий с постоянной частотой вращения. Для получения переменного тока нужно, чтобы виток был сцеплен с переменным магнитным потоком. Для этого мы вращаем виток в постоянном магнитном поле, но результат будет таким же если виток оставить неподвижным, а вращать постоянный магнит или электромагнит.
Статор синхронной машины по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя. В пазах статора размещается трехфазная, двухфазная или однофазная обмотки. Чтобы получить достаточно большой магнитный поток (не увеличивая размеров машины), витки располагают на неподвижном, собранном из тонких листов стальном сердечнике, через который магнитный поток может легко проходить. Воздушный зазор между вращающимся электромагнитом (ротор) и статором делают очень малым.
|
|
|
Одному полному обороту ротора соответствует один период переменного тока. Для того чтобы получать переменный ток, имеющий частоту 50 Гц, необходимо за одну секунду повернуть ротор на 50 оборотов. В минуту (60 с) такой ротор будет делать 3000 оборотов. Так вращается большинство турбогенераторов, т. е. генераторов переменного тока, приводимых во вращение паровыми турбинами.
Ротор принципиально представляет собой постоянный магнит или электромагнит. Это налагает особые требования на геометрическую форму ротора, так как любой магнит имеет полюса, число которых может быть два и более.
На рис. 13. 1 а, б приведены две конструкции генераторов, с тихоходным и быстроходным ротором.
а б
Рис. 13. 1. Конструкция синхронных генераторов: а – явнополюсной быстроходный; в – неявнополюсной тихоходный; 1 – корпус; 2 – ротор; 3 – статор; АУСХВZ – обмотки статора
На гидроэлектростанциях вращение ротора зависит от движения водяного потока. Но и при медленном вращении такой генератор должен вырабатывать электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц. Поэтому для каждой гидроэлектростанции конструируется свой генератор, на определенное число магнитных полюсов на роторе.
В маломощных синхронных генераторах обычно используется самовозбуждение: обмотка возбуждения питается выпрямленным током того же генератора (рис. 13. 2). Цепь возбуждения образуют трансформаторы тока ТТ, включенные в цепь нагрузки генератора, полупроводниковый выпрямитель ПВ, собранный по схеме трехфазного моста, и обмотка возбуждения генератора ОВ с регулировочным реостатом R.
Рис. 13. 2. Схема для самовозбуждения генератора
Самовозбуждение генератора происходит следующим образом. В момент пуска генератора благодаря остаточной индукции в магнитной системе появляются слабые ЭДС и токи в рабочей обмотке генератора. Это приводит к появлению ЭДС во вторичных обмотках трансформаторов ТТ и небольшого тока в цепи возбуждения, усиливающего индукцию магнитного поля машины. ЭДС генератора возрастает до тех пор, пока магнитная система машины полностью не возбудится.
|
|
|
13. 2. ЭДС синхронного генератора
Как было показано выше, величина наводимой в обмотке статора ЭДС количественно связана с числом витков обмотки w и скоростью изменения магнитного потока Ф:
13. 1
Переходя к действующим значениям, выражение ЭДС можно записать в виде
13. 2
где n – частота вращения ротора генератора, Ф – магнитный поток, c – постоянный коэффициент. При подключении нагрузки напряжение на зажимах генератора в разной степени меняется. Влияние магнитного поля статора на магнитное поле, создаваемое вращающимися полюсами ротора, называется реакцией якоря. В случае активной нагрузки (для получения такого режима нагрузка должна быть активно-емкостной, при этом емкость скомпенсирует индуктивность обмотки генератора) ток совпадает по фазе с ЭДС, и максимум тока наступает в тот момент, когда оси полюсов будут находиться против обмоток фаз (рис. 13. 3, а). Это так называемая поперечная реакция якоря: потоки статора Фс и ротора Фр взаимно перпендикулярны. В результате сложения этих потоков общий магнитный поток генератора несколько увеличивается и смещается в пространстве и, следовательно, ЭДС генератора возрастает.
В случае чисто индуктивной нагрузки ток отстает от ЭДС по фазе на π /2, в момент максимального значения тока в. обмотке А – Х ротор повернут на 90 по часовой стрелке (рис. 13. 3, б). Магнитные потоки Фс и Фр направлены навстречу друг другу и общий магнитный поток генератора равен их разности. В этом случае реакция якоря уменьшает суммарный магнитный поток машины и, следовательно, уменьшает ее ЭДС.
Рис. 13. 3
При емкостной нагрузке генератора ток нагрузки опережает по фазе ЭДС на η /2, и, следовательно, ротор генератора еще не дошел на 90° до вертикального положения, а ток в обмотке А – Х уже имеет максимальное значение (рис. 13. 3, в). Потоки Фс и Фр направлены в одну сторону, и общий магнитный поток генератора равен их сумме, что приводит к увеличению ЭДС.
|
|
|
При смешанной активно-индуктивной (рис. 13. 4, а) или активно-емкостной (рис. 13. 4, б) нагрузке ток и ЭДС сдвинуты по фазе на некоторый угол.
а б
Рис. 13. 4
Поток обмотки статора Ф может быть разложен на две взаимно перпендикулярные составляющие: поперечную (активную) – Фс1 и продольную (реактивную) – Фс2. В результате реакции якоря суммарный магнитный поток смещается от вертикали и изменяет свое значение в зависимости от характера нагрузки.
|
|
|
