Электротехника. Реферат №2 Магнитные цепи, синхронные машины, ма. Магнитные цепи, синхронные машины, машины постоянного тока

• Название: Магнитные цепи, синхронные машины, машины постоянного тока
• Дата: 17.05.2022
• Размер: 0.95 Mb.
• Имя файла: Электротехника. Реферат №2 Магнитные цепи, синхронные машины, ма.doc
• Тип: Реферат; #534322
• страница: 2 из 4

U-образная характеристика синхронного генератора

Ценной особенностью синхронного генератора, подключенного к электрической системе большой мощности, является возможность регулирования его реактивного тока посредством изменения тока возбуждения.



(3.1)

Если мощность синхронного генератора Р = ωрМ_эм и напряжение на шинах электрической системы U постоянны, то значения произведений сомножителей в (3.1) не зависят от тока возбуждения. Однако при изменении тока возбуждения изменяются значения создаваемого им потокосцепления с фазной обмоткой статора Ψ̇₀ и индуктированная этим потокосцеплением в фазной обмотке ЭДС Ė₀.

Из уравнения электрического состояния фазы статора следует, что это возможно только при соответствующем изменении тока İ = İ_а + İ_р в фазной обмотке, а именно - реактивной составляющей тока İр.

При токах возбуждения меньше (больше) некоторого граничного значения I_в < I_в.гр (Р) [I_в > I_в.гр(P)] ток синхронного генератора имеет емкостную IрС (индуктивную IpL) реактивную составляющую φ < 0 (φ > 0) (см. рис. 3.2). Следовательно, при недовозбуждении (перевозбуждении) реактивная мощность генератора имеет емкостный (Qc = - 3UI_рL) [индуктивный (QL = 3UI_pL)] характер.

Если синхронный генератор подключен к электрической системе большой мощности U = const, то его эквивалентную схему замещения можно представить в виде параллельного соединения двух источников тока: источника активной составляющей тока генератора, зависящей от вращающего момента первичного двигателя, I_а(М_вр), и источника реактивной составляющей тока генератора, зависящей от момента вращения первичного двигателя и тока возбуждения, I_p(I_в, M_вр)



Рис. 3.1

Рис 3.2

Зависимость тока статора от тока возбуждения I(I_в) при постоянном вращающем моменте первичного двигателя Мвр = const называется U-образной характеристикой синхронного генератора (рис. 3.2). При некотором малом значении тока возбуждения угол |θ| (рис. 3.1) может превысить значение π/2 и устойчивость работы синхронного генератора нарушится. Чем больше значение активной мощности синхронного генератора, тем при больших значениях тока возбуждения наступит потеря устойчивости. На рис. 3.2 граница устойчивости синхронного генератора показана штриховой линией.

Если вращающий момент первичного двигателя равен нулю (Мвр = 0), то, пренебрегая всеми видами потерь, можно считать, что ток синхронного генератора реактивный (рис. 3.2, Р = 0):



(3.2)

Ток генератора в этом случае зависит линейно от тока возбуждения. Линейность зависимости I(Iв) нарушается лишь при больших значениях тока возбуждения вследствие насыщения магнитопровода машины.

Основные понятия о магнитных цепях и методах их расчета

Магнитные силы переменной и постоянной магнитодвижущей силы

     Как известно из курса физики, вокруг проводника с током появляется магнитное поле. Интенсивность магнитного поля характеризуется векторной величиной: напряженностью магнитного поля , измеряемой в амперах на метр (A/м). Интенсивность магнитного поля характеризуется также вектором магнитной индукции , измеряемой в теслах (Тл). Напряженность магнитного поля не зависит, а магнитная индукция зависит от свойств окружающей среды.



где  μ₀ - абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м;

μ - относительное значение магнитной проницаемости, безразмерная величина;

μ₀ = 4π·10^-7 Гн/м.


    В зависимости от величины относительной магнитной проницаемости, все вещества делятся на три группы.

      К первой группе относятся диамагнетики: вещества, у которых μ< 1.
      Ко второй группе относятся парамагнетики, вещества с μ >1.
      К третьей группе относятся ферромагнетики, вещества с μ >> 1.

    К ферромагнетикам принадлежат железо, никель, кобальт и многие сплавы из неферромагнитных веществ.
     Магнитной цепью называется совокупность устройств, содержащих ферромагнитные вещества. Процессы в магнитных цепях описываются с помощью понятий магнитодвижущей силы, магнитного потока.
     Магнитным  потоком называется  поток вектора магнитной индукции через     поверхность S

.
     Магнитный поток измеряется в веберах (Вб).
     Источником магнитодвижущей силы является либо постоянный магнит, либо электромагнит (катушка, обтекаемая током).
     Магнитодвижущая сила электромагнита



     где  I - ток, протекающий в катушке;
           W - число витков катушки.
     В магнитных цепях используется свойство ферромагнитного материала тысячекратно усиливать магнитное поле катушки с током за счет собственной намагниченности.

Расчет магнитных цепей

Основным законом, используемым при расчетах магнитных цепей, является закон полного тока.

  (4.1)

Он формулируется следующим образом: линейный интеграл вектора напряженности магнитного поля по замкнутому контуру равен алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром. Если контур интегрирования охватывает катушку с числом витков W, через которую протекает ток I, то алгебраическая сумма токов , где F - магнитодвижущая сила.

Обычно  контур  интегрирования  выбирают таким образом, чтобы он совпадал с  силовой линией магнитного поля, тогда векторное произведение в формуле (9.1) можно заменить произведением скалярных величин H·dl. В практических расчетах интеграл заменяют суммой и выбирают отдельные участки магнитной цепи таким образом, чтобы H1, H2, . . . вдоль этих участков можно было считать приблизительно постоянными. При этом (9.1) переходит в

     (4.2)

где  l₁, l₂, …, l_n - длины участков магнитной цепи;
H₁·l₁, H₂·l₂ - магнитные напряжения участков цепи. Магнитным сопротивлением участка магнитной цепи называется отношение магнитного напряжения рассматриваемого участка к магнитному потоку в этом участке

,   

где  S - площадь поперечного сечения участка магнитной цепи,
l - длина участка.

Рассмотрим расчет магнитной цепи, изображенной на рис. 4.2.

Ф ерромагнитный магнитопровод имеет одинаковую площадь поперечного сечения S.
     lср - длина средней силовой линии магнитного поля в магнитопроводе;
     δ - толщина воздушного зазора.
     На магнитопроводе размещена обмотка, по которой протекает ток I.
          Рис. 4.2

Прямая задача расчета магнитной цепи заключается в том, что задан магнитный поток Ф и требуется определить магнитодвижущую силу F. Определим магнитную индукцию в магнитопроводе

.

По кривой намагничивания найдем значение напряженности магнитного поля H, соответствующее величине В.
       Напряженность магнитного поля в воздушном зазоре

.

 Магнитодвижущая сила обмотки

.

При обратной задаче расчета магнитной цепи по заданному значению магнитодвижущей силы требуется определить магнитный поток. Расчет такой задачи выполняется с помощью магнитной характеристики цепи F = f(Ф).
Для построения такой характеристики необходимо задаться несколькими значениями Ф и найти соответствующие значения F. С помощью магнитной характеристики по заданной магнитодвижущей силе определяется магнитный поток.

Магнитные цепи переменной магнитодвижущей силой

Физические процессы в цепях переменного тока, содержащих катушку со стальным сердечником, имеют ряд особенностей по сравнению с процессами в цепях постоянного тока. Эти особенности оказывают существенное влияние на конструктивное выполнение и технические характеристики электрических аппаратов и машин переменного тока.

Ферромагнитные элементы в цепях переменного тока имеют дополнительные потери в сердечнике на гистерезис и вихревые токи. Для снижения потерь стальной сердечник выполняют шихтованным из тонких изолированных друг от друга пластин.

Катушка с ферромагнитным сердечником

Для увеличения индуктивности катушек их наматывают на замкнутые сердечники из ферромагнитного материала. В устройствах работающих на низких частотах для сердечников используют электротехническую сталь. При высоких частотах используются сердечники из спрессованного ферромагнитного порошка. Но независимо от конструкции и материала все катушки с ферромагнитным сердечником обладают рядом особых с войств. Для краткости в дальнейшем мы будем называть их просто катушками.

В основном катушки имеют конструкцию, показанную на рис. 1. На замкнутый сердечник из ферромагнитного материала различной формы и размеров наматываются проводники, по которым протекает переменный ток.

Протекающий ток создает вокруг катушки переменный магнитный поток, большая часть которого вследствие высокой магнитной проницаемости ферромагнетика замыкается по материалу Ф₀. Существенно меньшая часть магнитного потока охватывает витки катушки, замыкаясь по воздуху, и образует т.н. поток рассеяния Ф_s. Основной поток и поток рассеяния отличаются друг от друга не только количественно, но и принципиально. Поток рассеяния замыкается по среде, магнитная проницаемость которой не зависит от напряженности магнитного поля. Поэтому его величина линейно связана с величиной тока катушки. Основной поток замыкается по ферромагнетику, обладающему сильно выраженной нелинейной зависимостью магнитной проницаемости от напряженности поля и неоднозначной связью между ними. Все это делает невозможным общий точный анализ процессов в катушке и требует принятия допущений, позволяющих рассматривать катушку как объект с линейными характеристиками.

Переменный магнитный поток, пронизывающий материал сердечника, вызывает появление в массе материала ЭДС индукции. Так как все ферромагнетики относятся к проводникам, то под действием этой ЭДС в сердечнике возникают электрические токи ( i_F рис. 2), протекающие по замкнутым контурам, расположенным в плоскостях перпендикулярных направлению магнитного потока, и называемые вихревыми токами и ли токами Фуко.

Вихревые токи создают свой магнитный поток, стремящийся, в соответствии с правилом Ленца, ослабить изменение основного потока. Поэтому они действуют размагничивающим образом, уменьшая основной поток.

Размагничивающее действие вихревых токов неодинаково в различных частях сердечника. Наиболее сильно оно выражено в центре сечения (рис. 2), т.к. центральные части охватываются максимальным числом контуров тока, МДС которых и создают размагничивающий поток. Поэтому в центре сечения плотность основного магнитного потока будет меньше, чем на краях, т.е. происходит вытеснение основного магнитного потока в наружные слои магнитопровода. Это явление выражено тем резче, чем выше частота магнитного потока и больше сечение, магнитная проницаемость и удельная проводимость материала сердечника.

Протекающий по материалу сердечника электрический ток вызывает его нагрев. Если это тепло не используется, то говорят о потерях на вихревые токи. В соответствии с законом Джоуля-Ленца, мощность расходуемая на нагрев равна I_F²r, где I_F - действующее значение вихревых токов, а r - сопротивление контура, по которому они замыкаются. Очевиднно, что эффективно снизить эти потери можно уменьшив ток. Это достигается увеличением удельного сопротивления материала и разделением его на отдельные изолированные друг от друга слои вдоль линий магнитного потока (рис. 2). Такое разделение на слои называется шихтованием магнитопровода.

Генераторы постоянного тока

Генераторы постоянного тока являются источниками постоянного тока, в которых осуществляется преобразование механической энергии в электрическую. Якорь генератора приводится во вращение каким-либо двигателем, в качестве которого могут быть использованы электрические двигатели внутреннего сгорания и т.д. Генераторы постоянного тока находят применение в тех отраслях промышленности, где по условиям производства необходим или является предпочтительным постоянный ток (на предприятиях металлургической и электролизной промышленности, на транспорте, на судах и др.). Используются они и на электростанциях в качестве возбудителей синхронных генераторов и источников постоянного тока.

В последнее время в связи с развитием полупроводниковой техники для получения постоянного тока часто применяются выпрямительные установки, но несмотря на это генераторы постоянного тока продолжают находить широкое применение.

Генераторы постоянного тока выпускаются на мощности от нескольких киловатт до 10 000 кВт.

Режим работы электрической машины в условиях, для которых она предназначена заводом-изготовителем, называется номинальным. Величины, соответствующие этому режиму работы (мощность, ток, напряжение, частота вращения и др.), являются номинальными данными машины. Они указываются в каталогах и выбиваются на табличке, прикрепленной к станине машины.

Рассмотрим принцип действия генератора постоянного тока, где подводимая механическая энергия преобразуется в электрическую энергию постоянного тока. Для этого воспользуемся упрощенной схемой генератора постоянного тока (рис. 5.2). В магнитном поле постоянного магнита вращается стальной сердечник, в продольных пазах которого расположен диаметральный виток abcd Начало d конец а этого витка присоединены к двум взаимно изолиро­ванным медным полукольцам. Образующим коллектор, который вращается вместе со стальным цилиндром. По коллектору сколь­зят неподвижные контактные щетки А и В, от которых отходят провода к потребителю энергии R. Стальной сердечник с витком (обмоткой) и коллектором обра­зует вращающуюся часть машины постоянного тока — якорь.

Если с помощью какой-либо внешней силы вращать якорь, то стороны витка будут пересекать магнитное поле и в обмотке якоря будет возникать ЭДС:

e = 2Blu

г де В — индукция; l — длина стороны витка; u — скорость переме­щения пазовых сторон витка.

Рис. 5.2. Упрощенная схема генератора постоянного тока.

Так как длина и скорость перемещения пазовых сторон обмотки якоря неизменны, то е обмотки якоря прямо пропорциональна В, а форма графика ЭДС определяется законом распределения магнит­ной индукции S, размещенной в воздушном зазоре между поверх­ностью якоря и полюсом самого магнита. Так, например, магнитная индукция в точках зазора, лежащих на оси полюсов, имеет макси­мальные значения (рис. 5.3, а): под северным магнитным полюсом (N) — положительное значение и под южным магнитным полюсом (S) — отрицательное. В точках n и n’ лежащих на линии, проходя­щей через середину межполисного пространства, магнитная индук­ция равна нулю.

Допустим, что магнитная индукция в воздушном зазоре рас­сматриваемой схемы распределяется синусоидально:B=B_maxsin£. Тогда ЭДС витка при вращении якоря будет также изменяться по синусоидальному закону. Угол а определяет изменение положения якоря относительно исходного положения. На рис. 3.3, а показан ряд положений витка abcd (обмотки) в различные моменты времени за один оборот якоря. При а, равном 360°, ЭДС якоря равна нулю, а при а, равном 270°, имеет максимальное значение, причем отрица­тельное. Таким образом, в обмотке якоря генератора постоянного тока наводится переменная ЭДС, и, следовательно, при подключении нагрузки в обмотке будет переменный ток (рис. 3.3, б, линия 7). За время второго полуоборота якоря, когда ЭДС и ток в обмотке якоря отрицательны, ЭДС и ток во внешней цепи генератора (в на­грузке) не меняют своего направления, т. е. остаются положитель­ными, как и в течение первой половины оборота якоря.

Рис. 5.3. Принцип действия генератора постоянного тока: а — различные поло­жения витка обмотки; б — преобразование переменного тока якоря в постоян­ный ток внешней цепи; 1 — ток в обмотке якоря; 2 — ток во внешней цепи

 Д ействительно, при a = 90° щетка А соприкасается с коллектор­ной пластиной проводника d, расположенного под полюсом N, и имеет положительный потенциал, а щетка В — отрицательный, так как она соприкасается с пластиной коллектора, соединенной со стороной а витка, находящейся под полюсом S. При a = 270°, когда стороны а и d поменялись местами, щетки А и В сохраняют неиз­менной свою полярность, так как полукольца коллектора также по­менялись местами и щетка А по-прежнему имеет контакт с коллек­торной пластиной, связанной со стороной, находящейся под полю­сом N₉ а щетка В — с коллекторной пластиной, связанной со стороной, находящейся под полюсом 5. В результате ток во внеш­ней цепи не изменяет своего направления (рис. 5.3, б, линия 2), т. е. переменный ток обмотки якоря с помощью коллектора и щеток преобразуется в постоянный. Ток во внешней цепи постоянен лишь по па-правлению, а его величина изменяется, т. е. ток пульсирует.

Р ис. 5.4. Генератор с двумя витками в обмотке якоря: a — схема генератора; б — пульса­ция тока; 1,2 — ток в обмот­ках якоря; 3 — ток во внеш­ней цепи

Пульсации тока и ЭДС значительно ослабляются, если обмотку якоря вы­полнить из большого числа равномерно распределенных по поверхности сер­дечника витков и увеличить соответст­венно число коллекторных пластин. Например, при двух витках на сердеч­нике якоря (четырех пазовых сторо­нах), оси которых смещены относи­тельно друг друга на угол 90°, и четырех пластинах в коллекторе (рис. 5.4, а). В этом случае ток во внешней цепи ге­нератора пульсирует с удвоенной часто­той, но глубина пульсации значительно меньше (рис. 5.4, б). Если витков в об­мотке якоря от 12 до 16, то ток на выхо­де генератора практически постоянен.

На рис. 5.5 представлена конструк­ция генератора постоянного тока.



Рис. 5.5. Генератор постоянного тока: 1 и 16 — крышки; 2 и 12 — шариковые подшипники; 3 и 10 —масленки; 4 — корпус; 5 — соединительный провод; 6 — защитная лента; 7 и 11 — стяжные болты; 8 — щеткодержатель положительной щетки; 9 и 25— уплотнительные манжеты; 13 — защитный колпачок; 14— отра­жательная шайба; 15— отрицательная щетка; 17 — щеткодержатель отрицатель­ной щетки; 18— коллектор; 19 — обмотка якоря; 20— конец обмотки возбужде­ния; 21 — сердечник якоря; 22 — вал якоря; 23 — полюсный сердечник; 24 — ка­тушка обмотки возбуждения; 26— крыльчатка шкива; 27— шкив.