Сравнивая между собой уравнение для вторичной обмотки трансформатора

с уравнением для вращающейся обмотки ротора (3.16), можно видеть несоответствие между ними. В уравнении для трансформатора правая часть имеет три слагаемых, а уравнение (3.16)–два слагаемых.

С учетом (3.17) уравнение (3.16) примет вид

(3.18)

Если теперь сравнить уравнение для вторичной обмотки трансформатора с (3.18), то из закона сохранения энергии следует, что механическая мощность на валу двигателя соответствует величине .

Схема замещения. Если построить схему замещения двигателя, то она будет иметь вид, аналогичный схеме замещения трансформатора, в которой вместо сопротивления нагрузки Z′_нбудет сопротивление (рис. 3.15).

В этой схеме величина равна сопротивлению, на котором при токе I′₂ рассеивается электрическая мощность , равная мощности на валу двигателя, т.е.

где - угловая скорость ротора.

Векторная диаграмма фазы двигателя при этом оказывается аналогичной векторной диаграмме фазы трансформатора.

Билет 30

Устройство синхронных машин. Синхронные машины вне зависимости от режима работы состоят из двух основных частей: неподвижного статора, выполняющего функции якоря и ротора, вращающегося внутри статора и служащего индуктором (рис. 4.1).

Статор трехфазной синхронной машины аналогичен статору трехфазного асинхронного двигателя. Он состоит из корпуса /, цилиндрического сердечника 2, набранного из отдельных пластин электротехнической стали, и трехфазной обмотки 3, уложенной в пазы сердечника.

Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит постоянного тока, который создает магнитное поле, вращающееся вместе с ротором. Ротор имеет обмотку возбуждения 4, которая через специальные контактные кольца 5 питается постоянным током от выпрямителя или от небольшого генератора постоянного тока, называемого возбудителем.

В отечественной энергетике также используются синхронные машины с «бесщеточным» возбуждением. Обмотка ротора таких машин питается от выпрямителя, вращающегося вместе с ротором. Выпрямитель в свою очередь получает питание от возбудителя, имеющего вращающуюся вместе с ротором трехфазную обмотку, возбуждаемую неподвижными постоянными магнитами.

Роторы синхронных машин бывают двух типов: с явно выраженными и неявно выраженными полюсами.

Роторы с явно выраженными полюсами (рис. 4.1) применяются в сравнительно тихоходных машинах (80 – 1000 об/мин), например гидрогенераторах; они имеют значительноечисло полюсов. Конструктивно роторы этого типа (рис. 4.2) состоят из вала 6, ступицы 7, полюсов 8, укрепляемых в шлицах ступицы, полюсных катушек 4 возбуждения, размещенных на полюсах. Поверхность полюсного наконечника полюсов имеет такой профиль, что магнитная индукция в воздушном зазоре машины распределяется примерно по синусоидальному закону. Для быстроходных машин (турбогенераторы, синхронные двигатели, турбокомпрессоры и т. п.) явнополюсная конструкция ротора неприменима из-за сравнительно большого диаметра ротора и возникающих в связи с этим недопустимо больших центробежных сил.

Большей механической прочностью обладает ротор с неявно выраженными полюсами. Он состоит (рис. 4.3) из сердечника 1 и обмотки возбуждения 2. Сердечник изготовляется из стальной поковки цилиндрической формы. На его внешней поверхности фрезеруются пазы, в которые закладывается обмотка возбуждения.

Обмотка возбуждения распределяется в пазах сердечника так, чтобы создаваемое ею магнитное поле было распределено в пространстве по закону, близкому к синусоидальному.

Принцип работы и ЭДС синхронного генератора.Работа синхронного генератора основана на явлении электромагнитной индукции. При холостом ходе обмотка якоря (статора) разомкнута, и магнитное поле машины образуется только обмоткой возбуждения ротора (рис. 4.4). При вращении ротора синхронного генератора от проводного двигателя ПД с постоянной частотой n_о магнитное поле ротора, пересекая проводники фазных обмоток статора AX, BY, CZ (рис.4.4,а) наводит в них ЭДС , где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между статором и ротором; l – активная длина проводника; – линейная скорость пересечения проводников магнитным полем.

Выше отмечалось, что индукция В в воздушном зазоре распределена по синусоидальному закону , где - угол, отсчитываемый от нейтральной линии, поэтому ЭДС в одном проводнике .

Обозначив , получим , т.е. ЭДС в проводниках обмоток статора изменяется по синусоидальному закону.

ЭДС отдельных проводников каждой обмотки статора сдвинуты по фазе относительно друг друга, поэтому они суммируются геометрически (аналогично ЭДС статора асинхронного двигателя – см. п. 3.8.1). Действующее значение ЭДС одной фазы определяется выражением:

где – обмоточный коэффициент; – частота синусоидальных ЭДС; - число витков одной фазы обмотки статора; - число пар полюсов; – максимальный магнитный поток полюса ротора; – синхронная частота вращения.

Катушки отдельных фаз статора сдвинуты в пространстве на электрический угол, равный 120⁰, и их ЭДС образуют симметричную трёхфазную систему.

Изменяя ток возбуждения , можно регулировать магнитный поток ротора и пропорциональную ему ЭДС генератора. На рис. 4.5 представлена зависимость , снятая при номинальной частоте вращения .

Эта зависимость называется характеристикой холостого хода. Форма характеристики напоминает форму кривой намагничивания ферромагнитного сердечника. Характерной особенностью её является отсутствие пропорциональности между магнитным потоком и током возбуждения , что обусловлено явлением насыщения магнитной системы машины.

Принцип действия и вращающий момент синхронного двигателя.Принцип действия синхронного двигателя основан на явлении притяжения разноименных полюсов двух магнитных полей – статора и ротора. Вращающееся поле статора с полюсами N и S создается при питании обмоток статора от трёхфазной сети аналогично вращающемуся полю асинхронного двигателя (на рис. 4.6 полюсы статора N и S показаны штриховкой, вращаются они против часовой стрелки с частотой ). Поле ротора создается постоянным током, протекающим по обмотке ротора.

Предположим, что ротор каким-либо способом разогнан до синхронной частоты вращения против часовой стрелки. Тогда полюсы ротора и будут вращаться с частотой ; произойдет «сцепление» этих полюсов с разноименными полюсами статора и (см. штрихованные линии на рис. 4.6).

В режиме идеального холостого хода (момент сопротивления ) оси магнитных полей статора и ротора совпадают (рис. 4.6.а). При этом на полюсы ротора действуют радиальные силы и , которые не создают ни вращающего момента, ни момента сопротивления.

Билет 31

Особенности работы генератора на сеть большой мощности. Обычно на электростанциях устанавливают несколько синхрон­ных генераторов для параллельной работы на общую электрическую сеть. Это обеспечивает увеличение общей мощности электростанции (при ограниченной мощности каждого из установленных на ней генераторов), повышает надежность энергоснабжения потребителей и позволяет лучше организовать обслуживание агрегатов. Электрические станции, в свою очередь, объединяют для параллельной работы в мощные энергосистемы, позволяющие наилучшим образом решать задачу производства и распределения электрической энергии. Таким образом, для синхронной машины, установленной на электрической станции или на каком-либо объекте, подключенном к энергосистеме, типичным является режим работы на сеть большой мощности, по сравнению с которой собственная мощность генератора является очень малой. В этом случае с большой степенью точности можно принять, что генератор работает параллельно с сетью бесконечно большой мощности т. е. что напряжение сети U_c и ее частота f_c являются постоянными, не зависящими от нагрузки данного генератора.

Включение генератора на параллельную работу с сетью.В рассматриваемом режиме необходимо обеспечить возможно меньший бросок тока в момент присоединения генератора к сети. В противном случае возможны срабатывание защиты поломка генератора или первичного двигателя.

Ток в момент подключения генератора к сети будет равен нулю, если удастся обеспечить равенство мгновенных значений напряжений сети u_с и генератора и_г :

(6.27)

U_cm sin (ω_ct - α_с ) = U_гm sin (ω_г - α_г ).

На практике выполнение условия (6.27) сводится к выполнению трех равенств: значений напряжений сети и генератора U_cm = U_гm или U_c = U_г ; частот ω_c = ω_г или f_с = f_г ; их начальных фаз α_с = α_г (совпадение по фазе векторов Ú_c и Ú_г). Кроме того, для трехфазных генераторов нужно согласовать порядок чередования фаз.

Совокупность операций, проводимых при подключении генератора к сети, называют синхронизацией. Практически при синхронизации генератора сначала устанавливают номинальную частоту вращения ротора, что обеспечивает приближенное равенство частот f_с ≈ f_г а затем, регулируя ток возбуждения, добиваются равенства напряжения U_c = U_г . Совпадение по фазе векторов напряжений сети и генератора (α_с = α_г) контролируется специальными приборами — ламповым и стрелочными синхроноскопами.

Билет 32

Для получения выражения электромагнитного момента синхронной машины рассмотрим ее векторную диаграмму в несколько упрощенном виде (рис 3.5):

Рис. 3.5. К определению электромагнитного момента синхронной машины

Построение упрощенной векторной диаграммы начнем с вектора напряжения сети , направив его вниз по оси ординат. Это напряжение уравновешивается частью ЭДС, индуктируемой потоком ротора в обмотке статора (якоря). Эту часть ЭДС обозначим , она равна по величине и противоположна по направлению вектору напряжения сети . В действительности на зажимах машины существует только одно напряжение , но построение условного вектора делает диаграмму машины более наглядной. Если пренебречь небольшим активным падением напряжения , то можно записать:

= + .

(3.1.5)

Положение вектора потока ротора определится опережением его на 90 градусов вектора . Напряжение , т.е. равно сумме ЭДС, индуктируемых потоками рассеяния и реакции якоря. Следовательно, можно записать:

,

(3.1.6)

т. е. напряжение равно сумме ЭДС, индуктируемых в обмотке якоря тремя потоками машины. Но физически эти потоки образуют один результирующий магнитный поток (собственно поток в воздушном зазоре между ротором и статором). Следовательно, можно рассматривать как ЭДС, индуктируемую результирующим магнитным потоком машины в ее обмотке якоря (статора). Это определяет положение вектора - он опережает вектор на 90 градусов.

Угол между векторами потока ротора и потока в воздушном зазоре равен углу сдвига фаз θ между и . Временному сдвигу фаз между векторами потоков соответствует пространственный сдвиг на θ/р между осями полюсов ротора и направлением результирующего поля машины.

Мощность синхронной трехфазной машины:

(3.1.7)

Из прямоугольного треугольника, гипотенузой которого является вектор , а частью катета - , можно записать:

.

(3.1.8)

На основании той же векторной диаграммы

.

(3.1.9)

Это дает возможность представить электрическую мощность синхронной машины в

виде:

.

(3.1.10)

Электромагнитный момент синхронной машины:

(3.1.11)

Эта зависимость носит название угловой характеристики синхронной машины (рис. 3.6).

Билет 33

Электрический двигатель – неоценимое изобретение человека. Благодаря этому устройству наша цивилизация за последние сотни лет ушла далеко вперёд. Это настолько важно, что принцип работы электродвигателя изучают ещё со школьной скамьи. Круговое вращение электроприводного вала легко трансформируется во все остальные виды движения. Поэтому любой станок, созданный для облегчения труда и сокращения времени на изготовление продукции, можно приспособить под выполнение множества задач. Каков же принцип действия электродвигателя, как он работает и каково его устройство – обо всём этом понятным языком рассказывается в представленной статье.