|
|
Электротехника. Реферат №2 Магнитные цепи, синхронные машины, ма. Магнитные цепи, синхронные машины, машины постоянного тока
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева
Кафедра электротехники и электроники
Реферат на тему:
Магнитные цепи, синхронные машины, машины постоянного тока
Выполни студент группы П-21
Проверил:
Новикова Ирина Ивановна
Москва 2010
Содержание:
Синхронный генератор
Устройство синхронного генератора
Внешние характеристики синхронного генератора
Регулировочные характеристики синхронного генератора
Синхронный двигатель
Назначение и область применения
Устройство синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов
Пуск синхронного двигателя
Угловая и механическая характеристика синхронного двигателя
U-образная характеристика синхронного генератора
Основные понятия о магнитных цепях и методах их расчета
Магнитные силы переменной и постоянной магнитодвижущей силы
Катушка с ферромагнитным сердечником
Генераторы постоянного тока
Классификация генераторов постоянного тока
Характеристики генераторов
Сравнение внешних характеристик генераторов постоянного тока
Двигатели постоянного тока
Устройство, принцип действия
Пуск двигателей постоянного тока
Механические характеристики электродвигателей постоянного тока
Регулирование частоты вращение машин постоянного тока
Синхронный генератор
Электрическим генератором называется любое устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в электрическую. Это может быть паровая машина, водяная или ветряная установка особой конструкции, атомный реактор или двигатель внутреннего сгорания.
В настоящее время в промышленности используется множество различных электрогенераторов, которые различают по типу первичного двигателя (турбинные, гидравлические и дизельные генераторы). Генераторы различаются по виду выхода электрического тока, (генераторы постоянного и переменного тока). Генераторы также подразделяются по способу возбуждения — магнитному, внешнему или самовозбуждению, которое бывает последовательным, параллельным и смешанным.
Устройство синхронного генератора
Синхронный генератор состоит из нескольких частей:
Статор
Статор синхронного генератора, как и других машин переменного тока, состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, в пазах которого укладывается обмотка переменного тока, и станины — чугунного или сварного из листовой стали кожуха.
2) Роторы синхронных машин по конструкции делятся на два типа:
а) явнополюсные (т. е. с явно выраженными полюсами) и
б ) неявнополюсные (т. е. с неявно выраженными полюсами).
На изображении показаны схемы устройства синхронных генераторов с явнополюсным и неявнополюсным роторами.
Та или иная конструкция ротора диктуется соображениями механической прочности. У современных генераторов, вращающихся от быстроходных двигателей (паровая турбина), окружная скорость ротора может достигать 100—160 м/сек (в некоторых случаях 170 м/сек). Поэтому быстроходные генераторы имеют неявнополюсный ротор. Скорость вращения быстроходных генераторов составляет 3000 об/мин и 1500 об/мин.
К ободу ротора прикрепляются полюсы, на которые надеваются катушки возбуждения, соединяемые последовательно между собой. Концы обмотки возбуждения присоединяются к двум кольцам, укрепленным на валу ротора. На кольца накладываются щетки, к которым присоединяется источник постоянного напряжения. Обычно постоянный ток для возбуждения ротора дает генератор постоянного тока, сидящий на одном валу с ротором и называемый возбудителем. Мощность возбудителя равна 0,25—1% от номинальной мощности синхронного генератора. Номинальные напряжения возбудителей 60—350 В.
С хема 3х фазного генератора с самовозбуждением
Основным отличием генератора с самовозбуждением от обычного трехфазного генератора является то что в нем наличествуют селеновые выпрямители, подключенные к обмотке стартера. В первый момент слабое поле остаточного магнетизма вращающегося ротора индуктирует в обмотке статора незначительную переменную э.д.с. Селеновые выпрямители, подключенные к переменному напряжению, дают постоянный ток, который усиливает поле ротора, и напряжение генератора увеличивается.
Внешние характеристики синхронного генератора
На рис. 1 показаны внешние естественные характеристики трехфазного синхронного генератора, иллюстрирующие зависимость напряжения U г на его зажимах от тока обмотки статора Ir при заданном коэффициенте мощности приемников соs φ = const, неизменном токе возбуждения в обмотке ротора IB = const и постоянной частоте вращения ротора, чему отвечает неизменная частота переменного тока f=const. Эти характеристики могут исходить как из общей точки (0, Егx), отвечающей режиму холостого хода, так и пересекаться в точке (Iг ном, U г ном), соответствующей номинальной нагрузке.
Рис. 1.1. Внешние характеристики трехфазного синхронного генератора при изменении нагрузки с заданным коэффициентом мощности нагрузки: а - от режима холостого хода до номинальной; б - от номинальной до режима холостого хода.
Первые характеристики позволяют определить изменение напряжения генератора при увеличении нагрузки от режима холостого хода до номинального тока, а вторые - при снижении нагрузки от номинальной до режима холостого хода.
Основной естественной внешней характеристикой синхронного генератора считают кривую Uг (Iг), полученную при симметричном режиме, коэффициенте мощности приемников cos φ = 0,8 и φ > 0.
Для поддержания напряжения синхронного генератора неизменным при переменной нагрузке приходится регулировать ток возбуждения IB в обмотке ротора по закону, определяемому регулировочными характеристиками, крутизна которых зависит от характера нагрузки и ее коэффициента мощности (рис. 6.6). Так, при увеличивающемся токе нагрузки, отстающем по фазе от напряжения на угол φ > 0, возникает размагничивающее действие реакции якоря и соответствующая регулировочная характеристика поднимается, а при возрастающем токе нагрузки, опережающем по фазе напряжение на угол φ < 0, она снижается вследствие подмагничивающего действия реакции якоря.
Регулировочные характеристики синхронного генератора
Регулировочные характеристики дают возможность установить пределы изменения синхронного генератора и выбрать аппараты для регулирования напряжения. Регулировать ток возбуждения при изменении нагрузки генератора можно, изменяя сопротивление обмотки возбуждения.
Регулировать ток возбуждения при изменении нагрузки генератора, можно не только воздействуя на регулирующий реостата (Rp), но и автоматически, что особенно удобно при синхронных генераторах с самовозбуждением (рис. 1.3). Здесь при холостом ходе генератора вторичные обмотки вольтодобавочного трансформатора Трв играют роль дросселей, снижающих напряжение на зажимах согласующего трансформатора Трс, через который питаются полупроводниковые диоды В. При увеличении нагрузки генератора в этих обмотках наводится ЭДС, в результате чего напряжение на диодах возрастает и увеличивается ток возбуждения генератора, что приводит к относительной стабилизации напряжения на его зажимах.
Э лектромагнитная мощность трехфазного синхронного генератора Pэм - мощность, передаваемая электромагнитным путем обмотке статора вращаемым ротором и отличающаяся от мощности P2внешней цепи только на мощность 3R2I 2 отвечающую потерям электрической энергии в обмотке статора, определяется выражением
гдеR2 - активное сопротивление фазы обмотки статора.
Рис. 1.2. Регулировочные характеристики трехфазного синхронного генератора при различном коэффициенте мощности приемников
Поскольку потери электрической энергии в обмотке статора незначительны, можно считать, что мощности Pэм и P2 практически одинаковы. Поэтому электромагнитную мощность находят:
Поскольку электромагнитная мощность Pэм зависит от ЭДС холостого хода Ех, определяемой током возбуждения Iв, то некоторым перевозбуждением машины можно увеличить максимальную электромагнитную мощность, при этом повышается статическая устойчивость работы машины, но также усиливается нагрев обмотки ротора.
Работа трехфазных синхронных машин в генераторном режиме сопровождается потерями энергии, которые аналогичны потерям в асинхронных машинах. Эффективность работы трехфазного синхронного генератора характеризует КПД, который при симметричной нагрузке находят по формуле
где Uл и Iл - действующие линейные напряжения и ток;
ΔP - суммарные потери, отвечающие данной нагрузке машины.
Максимальное значение КПД синхронного генератора отвечает нагрузке, близкой к номинальной, и составляет для машин средней мощности 0,88-0,92, а для генераторов большой мощности доходит до 0,96-0,99 (рис. 1.4).
Электромагнитный момент синхронного генератора определяется выражением
 
Рис. 1.3. Графики зависимости КПД трехфазного синхронного генератора от нагрузки и коэффициента мощности приемников
Синхронные генераторы по сравнению с генераторами постоянного тока и имеют меньшую массу. Так, синхронный генератор ГС 504 мощностью 2750 кВт имеет массу 6500 кг, а генератор постоянного тока ГП 31ЗБ мощностью 2700 кВт - 9000 кг. Отсюда следует, что масса синхронного генератора меньше массы генератора постоянного тока на 28-30 %. Выпрямительная установка имеет массу, равную 10 % массы синхронного генератора. Поэтому общее снижение массы при переходе на синхронный генератор (СГ) и выпрямительную установку (ВУ) составляет 18-20 %. Применение постоянных магнитов в магнитных системах синхронных машин так же, как и в других типах электрических машин, обусловлено стремлением уменьшить габариты и вес машины, упростить конструкцию, увеличить к.п.д., повысить надежность в эксплуатации.
Синхронный двигатель
Назначение и область применения
Синхронные машины, являются машинами переменного тока. Применяются в качестве двигателя и генератора.
Синхронные двигатели применяются в основном в приводах большой мощности. Мощность их достигает нескольких десятков мегаватт. На тепловых станциях, металлургических заводах, шахтах, Холодильниках приводят в движение насосы, и другие механизмы, работающие с неизменной скоростью. Синхронные двигатели могут работать с различной реактивной мощностью. Таким образом, Эти двигатели позволяют улучшить коэффициент мощности предприятия. Однако стоимость приводов с синхронным двигателями выше, чем с асинхронными.
Специальные двигатели малой мощности используют в устройствах, где строгое постоянство скорости, электрочасы, автоматические самопишущие приборы, устройства с программным управлением и др.
Н а крупных подстанциях электрических систем устанавливают специальные синхронные машины, работающие в режиме холостого хода и отдающие в сеть только реактивную мощность, которая необходима для асинхронных двигателей. Эти машины называют синхронными компенсаторами.
Устройство синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов
Изобретение относится к области использования трехфазных синхронных машин для выработки электроэнергии. Устройство состоит из расположенных на одном валу трехфазного синхронного двигателя и трехфазного синхронного генератора, которые выполнены с возбуждением от постоянных магнитов. Ротор и статор двигателя и генератора имеют явно выраженные полюса. Обмотки статора намотаны вокруг полюсов статора. Постоянные магниты возбуждения в двигателе и генераторе размещены в спинках ротора между его полюсами. В центре полюсов ротора генератора находятся плоские компенсационные постоянные магниты, размещенные в плоскостях, проходящих через ось генератора.
Пуск синхронного двигателя
Одним из главных недостатков синхронных двигателей является сложность их пуска в ход. Пуск синхронных двигателей может быть осуществлен при помощи вспомогательного пускового двигателя или путем асинхронного пуска.
Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя. Если ротор синхронного двигателя с возбужденными полюсами развернуть другим, вспомогательным двигателем до скорости вращения поля статора, то магнитные полюсы статора, взаимодействуя с полюсами ротора, заставят ротор вращаться далее самостоятельно без посторонней помощи, в такт с полем статора, т. е. синхронно (откуда эти двигатели и получили свое название).
Д ля осуществления пуска необходимо, чтобы число пар полюсов асинхронного двигателя было меньше числа пар полюсов синхронного двигателя, ибо при этих условиях вспомогательный асинхронный двигатель может развернуть ротор синхронного двигателя до синхронной скорости.
Порядок пуска синхронного двигателя следующий. Включая рубильник 3, пускают вспомогательный асинхронный двигатель 2, который разворачивает ротор синхронного двигателя 1 до скорости, соответствующей скорости поля статора. Скорость вращения вспомогательного двигателя определяется по тахометру1. Затем, включая рубильник 4 постоянного тока, возбуждают полюсы ротора. Чтобы включить синхронный двигатель в сеть трехфазного тока, его нужно синхронизировать так же, как и при включении синхронного генератора на параллельную работу. Для этого реостатом 5 устанавливают такое возбуждение, чтобы напряжение обмотки статора по вольтметру V было равно напряжению сети, указываемому вольтметром V1.
Электролампы 6, включенные параллельно ножам рубильника 7 трех-фазной сети, при разомкнутом рубильнике будут мигать. Сначала мигание будет частым, но если изменять скорость вращения вспомогательного асинхронного двигателя, то лампы будут мигать . все реже и реже. Синхронный двигатель можно включить в сеть трехфазного тока рубильником 7 тогда, когда все три лампы одновременно погаснут. Ротор двигателя при этом входит в синхронизм и может далее вращаться самостоятельно. Теперь вспомогательный двигатель 2 рубильником 3 можно отключить от сети.
Сложность пуска и необходимость вспомогательного двигателя являются существенными недостатками этого способа пуска синхронных двигателей. Поэтому в настоящее время он применяется редко.
Асинхронный пуск синхронного двигателя. Для осуществления этого способа пуска в полюсных наконечниках полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкнутая обмотка. Так как во время пуска в обмотке возбуждения 1 двигателя наводится большая э. д. с, то по соображениям безопасности она замыкается рубильником 2 на сопротивление 3
П ри включении напряжения трехфазной сети в обмотку статора 4 синхронного двигателя возникает вращающееся магнитное поле, которое, пересекая короткозамкнутую (пусковую) обмотку, заложенную в полюсных наконечниках ротора, индуктирует в ней токи.
Эти токи, взаимодействуя с вращающимся полем статора, приведут ротор во вращение. При достижении ротором наибольшего числа оборотов (95—97% синхронной скорости) рубильник 2 переключают так, чтобы обмотку ротора включить в сеть постоянного напряжения.
Недостатком асинхронного пуска является большой пусковой ток (в 5—7 раз больший рабочего тока). Пусковой ток вызывает падение напряжения в сети, а это отражается на работе других потребителей. Для уменьшения пускового тока применяют пуск при пониженном напряжении с помощью реактора 2 или автотрансформатора.
В настоящее время применяют почти исключительно асинхронный пуск синхронных двигателей ввиду его простоты и надежности. Существуют также схемы автоматического асинхронного пуска синхронных двигателей
Угловая и механическая характеристика синхронного двигателя
Уравнения механической характеристики нелинейны в связи с наличием произведения переменных. Приближенное уравнение механической характеристики двигателя может быть найдено с помощью угловой статической характеристики синхронной машины.
Положим и будем пренебрегать активным сопротивлением статора R1. Будем считать, что обмотка возбуждения питается от источника тока, и во всех режимах iв=Iв=const. В этом случае уравнения механической характеристики примут вид:
 (2.1)
Из первого и второго уравнений определяются токи статора:
 (2.2)
Подставив эти выражения в третье уравнение системы и, учитывая, что , после преобразований получаем уравнение угловой характеристики двухфазного явнополюсного синхронного двигателя:
 (2.3)
Подставив и , получим уравнение угловой характеристики трехфазного асинхронного явнополюсного двигателя:
 (2.4)
Из этого выражения видно, что момент синхронного двигателя содержит две составляющие. Первая обусловлена взаимодействием вращающегося магнитного поля статора с полем возбуждения ротора, а вторая представляет собой реактивный момент, обусловленный явнополюсным исполнением ротора. Вследствие явнополюсности, энергия магнитного поля максимальна при любом из двух положений ротора, поэтому вторая составляющая момента зависит от двойного угла Θэл.
На рис. 2.5 изображена угловая характеристика трехфазной синхронной машины с явновыраженными полюсами.
Θ эл.ном. обычно составляет 20°-30°. Это обеспечивает перегрузочную способность двигателя . Реактивный момент увеличивает крутизну рабочего участка угловой характеристики и несколько повышает перегрузочную способность двигателя.
Рис. 2.5. Угловая характеристика трехфазной синхронной машины с явновыраженными полюсами.
Так как основная составляющая момента определяется линейной зависимостью момента от напряжения питания, то перегрузочная способность двигателя менее чувствительна к изменению напряжения сети, чем у асинхронного двигателя.
Вектор определяется геометрической суммой потокосцеплений обмотки статора по оси d (рис. 5.1б):
 (5.9)
и по оси q:
 (5.10)
|
|
|
Скачать 0.95 Mb.