Электротехника Лекции. Закон Кулона напряженность электрического поля
 Скачать 39.64 Mb.
|
|
Включение трехфазных двигателей в однофазную сеть. Во многих практических случаях, когда нет трехфазной сети, можно использовать трехфазные асинхронные двигатели, включая их определенным образом в однофазную сеть переменного тока. Рис. 110 На рис.110 а и б приведены схемы, на которых у двигателей выведены лишь по три конца обмоток. Подключаемый конденсатор С создает дополнительный сдвиг по фазе между током и напряжением, обеспечивая начальный пусковой момент. На рисунке 110 в и г изображены схемы включения трехфазных асинхронных двигателей, у которых выведены все шесть концов статорной обмотки. Приведенные схемы включения обеспечивают получение от двигателей 40-50% от мощности в симметричном трехфазном включении.
Генераторы переменного тока служат для преобразования механической энергии первичных двигателей в электрическую. В качестве первичного двигателя применяются: паровая турбина ( система паровая турбина – генератор называется турбогенератором), водяная турбина (гидрогенератор), двигатель внутреннего сгорания (дизель- генератор), электрический двигатель ( двигатель – генератор). Синхронной машиной называется машина, скорость вращения магнитного поля которой равно скорости ротора (9-17) Машина обратима и может работать как генератор, так и как двигатель. Однако наибольшее распространение они получили как генераторы переменного тока, которые устанавливают на всех современных электростанциях. Генератор, как и всякая электрическая машина, состоит из неподвижной части – статора и вращающейся части – ротора. Часто ту часть машины, которая создает магнитное поле, называют индуктором, а ту часть машины, где располагается обмотка, в которой индуцируется эдс, называют якорем. В основе работы синхронных генераторов лежит явление электромагнитной индукции. ЭДС, которая индуцируется в рабочей обмотке . Принципиально безразлично, будет ли движущийся проводник пересекать неподвижное магнитное поле или, наоборот, подвижное магнитное поле будет пересекать неподвижный проводник, поэтому конструктивно синхронные генераторы могут быть двух видов. В первом из них якорь неподвижен, а индуктор вращается (рис.111 а), во втором – наоборот (рис.111б). а б Рис. 111 Маломощные и низковольтные генераторы (однофазные и трехфазные) часто используются в передвижных станциях и могут работать по схеме рис. б. В этих генераторах рабочая обмотка часто выполняется на роторе, а на внутренней поверхности статора устраивается полюсная система с явно выраженными полюсами. Подключение генератора к внешней нагрузке осуществляется через скользящие токосъемы( щетки с кольцами на оси ротора). Современные генераторы, как составная часть силовой электроэнергетики, стр ояться на высокое напряжение 15-40кВ. Снимать такие высокие напряжения с вращающейся рабочей обмотки при помощи щеточно – коллекторного узла затруднительно. Кроме того, обмотку высокого напряжения, которая при вращении ротора испытывает толчки и вибрации, очень трудно изолировать. Этим объясняется, что в современных генераторах обмотку якоря располагают на неподвижной части машины – статоре, а обмотку возбуждения (магнитные полюсы) располагают на роторе. Схема двухполюсного синхронного генератора этого типа дана на рис. а. На статор машины намотаны три обмотки с одинаковым количеством витков, сдвинутые на угол 1200. Буквами Н и К отмечены начала и концы каждой обмотки. Магнитное поле создается обмоткой, намотанной на роторе. Через щетки и кольца к концам этой обмотки подается постоянное напряжение от специального источника питания. Ротор при помощи первичного двигателя приводится во вращение; его магнитное поле пересекает обмотки статора и в них индуктируются синусоидальные эдс. Статор. Статор ничем не отличается от статора асинхронной машины. В его обмотке действием вращающегося магнитного поля ротора наводится эдс, подаваемая во внешнюю цепь генератора. Такая конструкция генератора позволяет устранить скользящие контакты в цепи нагрузки генератора (обмотка статора соединяется с нагрузкой непосредственно) и надежно изолировать рабочую обмотку от корпуса машины, что весьма существенно для современных генераторов, изготавливаемых на большие мощности при высоких напряжениях. Основной магнитный поток синхронного генератора, создаваемый вращающимся ротором, возбуждается от постороннего источника питания. Постоянный ток от источника проходит через обмотку ротора через два кольца и две неподвижных щетки, установленные на валу генератора. Мощность такого источника питания равна 0,25 – 1% от номинальной мощности синхронного генератора. Номинальное напряжение 115-350В. Ротор. По свой конструкции роторы генераторов делятся на явнополюсные (тихоходные) (рис. 112а) и неявнополюсные (высокоскоростные) (рис.112 б). Число пар полюсов ротора обусловлено а б Рис. 112 скоростью его вращения. При частоте генерируемой эдс 50Гц неявнополюсной ротор быстроходной машины – турбогенератора, вращающийся со скоростью 3000об/мин, имеет одну пару полюсов, тогда как явнополюсной ротор тихоходного гидрогенератора, вращающийся со скоростью от 50 до 750об/мин, имеет число пар полюсов соответственно от 60 до 4. Работа генератора под нагрузкой. Реакция якоря. Если к зажимам работающего генератора подключить внешнюю нагрузку, то в обмотках статора возникает электрический ток, который создает свое магнитное поле – поток статора. Это магнитное поле накладывается на основное магнитное поле ротора, создаваемое обмоткой возбуждения, ослабляет или усиливает его. Это воздействие поля статора на основное магнитное поле называется реакцией якоря. Рассмотрим реакцию якоря при различных по характеру нагрузках. Рис. 113 В случае активной нагрузки, при которой ток совпадает по фазе с эдс, максимум тока наступит в тот момент, когда оси полюсов ротора будут находиться напротив обмоток якоря (рис.113 а). Это так называемая поперечная реакция якоря: потоки статора и ротора взаимно перпендикулярны. В результате векторного сложения этих потоков результирующий магнитный поток генератора несколько увеличивается и смещается в пространстве, - следовательно, эдс генератора возрастает. В случае чисто индуктивной нагрузки ток отстает от эдс по фазе на К моменту максимального значения тока в обмотке А-Х ротор должен быть повернуть на 900 по часовой стрелке (рис.113 б). Магнитные потоки и направлены встречно и результирующий магнитный поток генератора равен их разности. Такая реакция якоря уменьшает эдс генератора. В случае чисто емкостной нагрузки ток нагрузки генератора опережает по фазе эдс на , - следовательно, ротор генератора еще не дошел 900 до вертикального положения, а ток в обмотке А-Х уже имеет максимальное значение (рис.113 в). Потоки и имеют одинаковое направление, увеличивают результирующий магнитный поток , а это приводит к увеличению эдс генератора. Очевидно, что реакция якоря будет тем значительней, чем больше ток нагрузки. Таким образом, реакция якоря в синхронном генераторе приводит к изменениям магнитного потока и эдс, что является крайне нежелательным, так как изменение значения и характера нагрузки приводит к изменению напряжения на зажимах генератора. На практике при всяком изменении нагрузки с помощью автоматики изменяют ток возбуждения; этим ослабляют влияние реакции якоря. Для снятия различных характеристик синхронного генератора можно использовать схему рис.114 а. Характеристика холостого хода. Эта характеристика представляет зависимость индуктированной в статоре эдс Е от тока возбуждения при разомкнутой внешней цепи машины E = f (iB) при n = nн и I = 0. а б в Рис. 114 Генератор приводится во вращение с синхронной скоростью, соответствующей номинальной частоте генератора. Изменяют при помощи реостата ток возбуждения, отмечая показания амперметра в цепи возбуждения. По показаниям вольтметра, включенного на зажимы обмотки статора, определяют величину индуктированной эдс Е. Характеристика холостого хода показана на рис. 114б. Прямолинейная часть характеристики указывает на пропорциональность между магнитным потоком (током возбуждения) и индуктированной эдс. В дальнейшем магнитная система генератора насыщается, кривая изгибается, т.е. при значительном увеличении тока возбуждения индуктированная эдс растет очень медленно. Внешняя характеристика. Зависимость напряжения на зажимах генератора U от тока нагрузки I при постоянных значениях тока возбуждения iB, коэффициента мощности cosφ и скорости n вращения дается внешней характеристикой (рис. в) U =f(I). На рис.114 в даны внешние характеристики генератора для различных видов нагрузки. Изменение напряжения с нагрузкой происходит вследствие реакции якоря и падения напряжения в обмотке статора. При индуктивной нагрузке реактивный ток размагничивает машину и напряжение при увеличении тока нагрузки уменьшается. При емкостной нагрузке напряжение генератора с увеличением тока нагрузки повышается вследствие действия продольно – намагничивающей реакции якоря. Номинальный режим нагрузки выбирается таким, чтобы при cosφ = 0,8 изменения напряжения не превышали 35 - 45% от номинального (кривая 1).
Вследствие обратимости синхронный генератор можно заставить работать в режиме синхронного двигателя. Наибольшее распространение получили трехфазные синхронные двигатели. У них обмотка статора питается трехфазным переменным током, а обмотка ротора подключается к источнику постоянного напряжения. При питании трехфазным переменным током обмотки статора синхронного двигателя возникает вращающееся магнитное поле. Скорость вращения зависит от частоты переменного тока и числа полюсов статора. При частоте 50ГЦ и при двух полюсах поле будет вращаться со скоростью 3000об/мин, при четырех полюсах -1500об/мин, при шести полюсах -1000об/мин и т.д. Однако если теперь включить постоянный ток в обмотку ротора, то ротор остается стоять на месте. Самостоятельно он тронуться не может. а б Рис. 115 Это можно объяснить следующим образом. Пусть в момент включения двигателя направление питающего тока в обмотках статора соответствует рис.115 а. В этот момент на неподвижный ротор будет действовать пара сил , стремящихся повернуть ротор в направлении часовой стрелки. Через половину периода направление токов в обмотках статора изменяется на противоположное (рис.115 б). Так как ротор в силу своей инертности за очень короткое практически остался на месте, то на него уже подействовала пара сил, стремящаяся повернуть ротор в обратную сторону. Таким образом, при непосредственном включении синхронного двигателя в сеть его ротор не сдвинется с места. Легко видеть, что за полпериода переменного тока ротор должен успевать повернуться на полоборота при одной паре полюсов обмотки статора, для этого надо предварительно разогнать до необходимой скорости вращения. Таким образом, необходимость предварительно разгона ротора является характерной особенностью синхронного двигателя. Если ротор синхронного двигателя разогнать другим, вспомогательным двигателем до скорости вращения магнитного поля статора, то магнитные полюса статора, взаимодействуя с полюсами ротора, как иногда говорят, «схватятся» с ними, и ротор будет вращаться далее сам, без посторонней помощи, в такт с полем статора, т.е. синхронно. Механический разгон применяется при пуске двигателей малой мощности (вручную) и двигателей большой мощности (от специального постороннего двигателя). В этом случае сначала ротор разгоняется до скорости, близкой к синхронной, и включается обмотка возбуждения, а затем включаются обмотки статора в сеть. У двигателей с так называемым асинхронным пуском в полюсных наконечниках ротора укладываются металлические стержни, соединенные с боков кольцами. Получается своеобразная дополнительная (пусковая) обмотка, подобная «беличьему колесу» асинхронного двигателя. При пуске такого двигателя обмотку возбуждения закорачивают через разрядный резистора обмотку статора включают в сеть, при этом ротор начинает разгон так же, как и ротор асинхронного двигателя. После того, как он достигнет наибольшей возможной скорости вращения (примерно 95% синхронной), обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока. Двигатель автоматически входит в синхронизм, а дополнительная обмотка как бы автоматически отключается, так как эдс индукции в ней при синхронной скорости вращения поля и ротора равна нулю. Достоинством синхронного двигателя является строго постоянная скорость вращения, а недостатком – необходимость применения вспомогательных устройств для запуска двигателя. Контрольные вопросы
Г л а в а 10 МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Машины постоянного тока могут быть генераторами для преобразования механической энергии в электрическую, а также электродвигателями для преобразования электрической энергии в механическую. Действие генератора основано на явлении электромагнитной индукции, а двигателя - на взаимодействии проводников, по которым протекает постоянный ток, с магнитным полем электромагнитов. Машина постоянного тока состоит из двух частей: индуктора (электромагнитной системы) и якоря. Индуктор является неподвижной частью и вместе с магнитопроводом образует статор, а якорь – вращающаяся часть машины постоянного тока, ее ротор. На рис. представлен статор машины в разрезе с двумя (рис.116 а) и четырьмя (рис.116 б) полюсами. Число полюсов статора должно быть четным. Обмотку полюсов изготавливают из медной изолированной проволоки. Сердечники полюсов обычно изготавливают из листовой электротехнической стали толщиной 0,35 – 0,5 мм. Пропущенный, через обмотку возбуждения Рис.116 постоянный ток создает магнитный поток полюсов. Для лучшего распределения магнитного поля в воздушном зазоре к концам полюсов привертываются полюсные наконечники. Ротор собирается из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, покрытых слоем изолирующего лака для снижения потерь на вихревые токи. По окружности роторных (якорных) пластин выштамповываются отверстия, образующие пазы, в которые укладывают изолированные провода обмотки. При вращении якоря в магнитном поле статора в проводниках обмотки ротора индуктируется переменная эдс. Для превращения переменной эдс в постоянную в генераторах постоянного тока применяют приспособление, называемое коллектором . В электродвигателях постоянного тока коллектор служит для изменения направления постоянного тока, чтобы получить вращающий момент ротора. Коллектор состоит из медных пластин, разделенных изоляционными прослойками и собранных в виде цилиндра. На коллектор опираются угольные или металлоугольные щетки. При вращении щетки остаются неподвижными.
При вращении якоря в магнитном поле в проводниках его обмотки индуктируется эдс, переменная по величине и направлению (рис.117 ). Если начало и конец одного витка обмотки припаять к двум медным кольцам, на кольца наложить щетки, соединенные с внешней цепью, то при вращении витка в магнитном поле, как показано на рис.117 а , в замкнутой цепи потечет переменный электрический ток (рис.117 б). На этом основано действие генератора переменного тока. а б рис.117 Если же начало и конец витка присоединить к двум медным полукольцам, изолированным друг от друга и называемым пластинами коллектора, и наложить на них щетки, то при вращении витка в магнитном поле (рис. 118а), в витке будет по- прежнему индуктироваться переменная эдс. Однако во внешней цепи будет протекать уже пульсирующий ток, переменный по величине, но постоянный по направлению (рис.118б). а б Рис.118 Для установления этого обратимся теперь к рис.119а. Здесь показан якорь с одним витком. Начало витка (н ) припаяно к коллекторной пластине (а), конец витка (к ) к пластине (б). К коллекторным пластинам прижаты две неподвижные щетки, соединенные с внешней цепью. Рассмотрим три характерных положения витка в пространстве между полюсами. В положении (рис.119 а) виток находится в зоне действия северного полюса. Учитывая направление вращения якоря, определим направление эдс в витке по правилу правой руки. Необходимо учесть, Рис.119 что эдс индуктируется только в той части витка, которая лежит поверх якоря. Ток в данном положении направлен от начала витка к его концу. Через правую щетку ток пойдет во внешнюю цепь. Поэтому эту щетку можно назвать положительной. Пройдя нагрузку, ток притекает к левой щетке генератора , которую можно назвать отрицательной. В положении (б) (рис.119б) виток находится на нейтральной линии. Нейтральной линией или геометрической нейтралью называется линия, проходящая через центр якоря и перпендикулярная оси полюсов. Активная часть витка в этом положении, скользит вдоль магнитных линий, не пересекая их. Поэтому эдс в витке не наводится, и ток равен нулю. Обычно ширина щетки больше толщины изоляционного слоя между коллекторными пластинами, и виток, находясь на нейтральной линии, замыкается в этот момент щетками накоротко. В положении (в) (рис.119 в) виток находится в зоне действия южного полюса. Определяя направление эдс, индуктированной в витке, находим, что ток направлен от конца витка к его началу. Если бы коллекторная пластина (а) по - прежнему соприкасалась с левой щеткой, а пластина (б) с правой щеткой, то изменение направления тока в витке вызвало бы перемену тока во внешней цепи. Но этого теперь не случится, так как изменение направления тока в витке после перехода его через нейтральную линию совпадает с таким моментом, когда под правую щетку подошла пластина (а) и под левую щетку – пластина (б). Сравнивая первое и третье положения видно (рис.119 а,в), что ток витка в обоих случаях притекает к правой, положительной щетке, проходит по внешней цепи и возвращается к левой, отрицательной щетке. Во внешней цепи направление тока не изменяется и ток является пульсирующим (рис. 118б). |