Назначение и устройство синхронных машин

Cинхронные машины  и

Машины постоянного тока

Новополоцк

ПГУ

2017

УДК 621.313                       

ББК 31.26

А18

Рекомендовано к изданию методической комиссией

радиотехнического факультета

в качестве учебно-методического комплекса

(протокол № от 2017)

РЕЦЕНЗЕНТЫ:

Зам. начальника по эксплуатации цеха №9

ОАО «Нафтан» А.С.ТЫЧИНА

Доцент кафедры радиоэлектроники В.Ф.ЯНУШКЕВИЧ

Авдейко В.П., Вершинин А.С.

А18 Электрические машины: учеб.-метод. комплекс для студентов специальности 1-43 01 03 «Электроснабжение (по отраслям)» в 2-х частях, часть 2 / В.П.Авдейко, А.С.Вершинин. - Новополоцк: ПГУ, 2017. – 130 с.

ISBN 978-985-531- - .

УМК (часть 2) содержит описание основных видов применяемых в электроустановках синхронных электрических машин и машин постоянного тока, их устройства и принципов действия. Подробно рассмотрены основные физические процессы, протекающие в электрических машинах, основные расчетные соотношения, схемы замещения, параметры и характеристики.

Для закрепления изучаемого материала предлагается разбор и решение широкого круга практических задач, а также задач для самостоятельного решения. Кроме того, предлагается выполнение ряда лабораторных работ.

Предназначен для студентов специальности 1-43 01 03 «Электро-снабжение (по отраслям)».

УДК 621.313

ББК 31.26

ISBN 978-985-531- - .

© Авдейко В.П., Вершинин А.С. 2017

СОДЕРЖАНИЕ

    Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   

ЛЕКЦИОННЫЙ КУРС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3. Синхронные электрические машины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3.1. Назначение и устройство синхронных машин. . . . . . . . . . . . . . 6

3.2. Работа синхронной машины в режиме генератора. . . . . . . . . . . . 7

3.2.1. Принцип действия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7   

3.2.2. Реакция якоря . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8              

3.2.3. Уравнение напряжений и векторная диаграмма

         синхронного генератора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.2.4. Характеристики синхронного генератора

         при автономной работе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.2.5. Работа синхронного генератора параллельно с

         сетью большой мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.2.6. Энергетическая диаграмма синхронного генератора . . . . . 18

3.3. Работа синхронной машины в режиме двигателя . . . . . . . . . . . . 20

3.3.1. Принцип действия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20                  3.3.2. Векторная диаграмма токов и напряжений

          синхронного двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.3.3. Характеристики синхронного двигателя . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.4. Синхронный компенсатор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.5. Пуск в ход синхронной машины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.5.1. Пуск в ход синхронного генератора . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.5.2. Пуск в ход синхронного двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.6. Сравнение синхронного двигателя с асинхронным.

   Область применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.7. Синхронные машины малой мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.7.1. Синхронные двигатели с постоянными магнитами. . . . . . . 31

3.7.2. Синхронные реактивные двигатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.7.3. Синхронные гистерезисные двигатели. . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.7.4. Синхронные реактивно-гистерезисные двигатели . . . . . . . 32

3.7.5. Двигатели с электромагнитной редукцией скорости . . . . . 33

3.7.6. Двигатель с катящимся ротором . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.7.7. Волновые двигатели. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.7.8. Шаговые двигатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Методические указания к решению задач, решения и ответы . . . . . . 46

4. Электрические машины постоянного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

    4.1. Устройство машины постоянного тока МПТ. . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.2. Режим генератора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.3. Реакция якоря и коммутация в машинах постоянного тока. . . .  65

4.4. Способы возбуждения машин постоянного тока (МПТ) . . . . . . .67

4.5. Характеристики генераторов постоянного тока (ГПТ) . . . . . . . . 67

    4.6. Самовозбуждение генераторов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

    4.7. Параллельная работа генераторов постоянного тока . . . . . . . . . 71

4.8. Схема подключения генератора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

     4.9. Режим двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

     4.10. Механические характеристики электродвигателя. . . . . . . . . . 74

     4.11. Регулирование скорости вращения двигателя. . . . . . . . . . . . . . 78

    4.12. Анализ работы электродвигателя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.12.1. Установившийся режим . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82     

4.12.2. Переходный режим . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

     4.13. Пуск в ход двигателя постоянного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87     

     4.14. Схема подключения двигателей постоянного тока к сети . . . . 88     

4.15. Исполнительные двигатели постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . 89     

    4.16. Тахогенераторы постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.17. Бесконтактные двигатели постоянного тока. . . . . . . . . . . . . . . 90

     4.18. Высокомоментные двигатели постоянного тока. . . . . . . . . . . . 92

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

    Методические указания к решению задач, решения и ответы . . . . . 104

     ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

Приложение 1:

Вопросы, выносимые на экзамен по 2-й части курса: . . . . . . . . . . . . 117

    1. Вопросы теоретического плана. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117

    2. Вопросы практического плана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

    ЛИТЕРАТУРА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

Введение

Электрические машины и трансформаторы являются основными элементами электрических установок. Вращающиеся электрические машины используются в качестве генераторов (преобразователей механической энергии в электрическую) в генерирующих электроустановках, и в качестве двигателей (преобразователей электрической энергии в механическую), для приведения в движение самых разнообразных рабочих механизмов в электроустановках различного назначения потребителей. Поэтому изучение курса «Электрические машины» является важным аспектом при подготовке инженеров-энергетиков по специальности 1-43 01 03 «Электроснабжение (по отраслям)».

УМК (в 2-х частях) построен в соответствии с типовой учебной программой курса «Электрические машины» для указанной специальности.

Эта часть УМК является второй частью и включает следующие разделы: синхронные машины и  машины постоянного тока. В каждом разделе подробно рассматриваются устройство, принципы действия этих видов электрических машин в генераторном и двигательном режимах работы, их свойства и характеристики, основные вопросы теории с расчетными соотношениями так называемых нормальных типов электрических машин, применяемых повсеместно в народном хозяйстве. Кроме того, в конце каждого раздела излагаются также принципы действия и устройство наи­более распространенных специальных типов электрических машин.

Каждый раздел курса содержит контрольные вопросы и широкий спектр задач для самостоятельного решения. Кроме того в каждом разделе приведены методические указания с подробным разбором и решением типовых задач. Самостоятельное решение задач является эффективным средством более глубокого усвоения теоретического материала.

Кроме того, данный УМК содержит лабораторный практикум, с методическими указаниями к лабораторным работам и контрольными вопросами. Завершает данный УМК перечень вопросов, выносимых на экзамен по синхронным машинам и машинам постоянного тока, а также список рекомендуемой учебной литературы.

Синхронные электрические машины

Назначение и устройство синхронных машин

Синхронная машина СМ – машина переменного тока, у которой скорость вращения ротора постоянна и не зависит от нагрузки. СМ обратима, т.е. она может работать и в режиме генератора, и в режиме двигателя.

В режиме генератора постоянную скорость должен поддерживать первичный двигатель независимо от электрической нагрузки. В режиме двигателя постоянная скорость поддерживается автоматически независимо от механической нагрузки на его валу.

Между частотой тока f и скоростью вращения ротора синхронного генератора СГ n₀ существует жесткая связь,  f = n₀ p/60 , где p – число пар полюсов СГ, n₀ измеряется в оборотах в минуту. Для того, чтобы получить источник тока частотой f необходимо, чтобы первичный двигатель (ПД) вращал ротор СГ со скоростью n₀  = 60 f / p , т.е. с синхронной скоростью. Если f = 50 Гц , а p = 1 , n₀ = 3000 об/мин ; p = 2 , n₀ = 1500 об/мин; p = 3 , n₀ = 1000 об/мин и т.д. Эти же скорости при соответствующем числе пар полюсов развивает синхронный двигатель СД при включении его в сеть частотой 50 Гц.

Если асинхронная машина, как правило, используется в качестве двигателя, то синхронную машину применяют, главным образом, для преобразования механической энергии в электрическую, т.е. в качестве генератора. Однако при необходимости  СМ используют и в режиме двигателя, и в качестве компенсаторов реактивной мощности.

Трехфазная СМ состоит из неподвижного статора (якоря) и вращающегося внутри него ротора (индуктора). Статор СМ вместе с обмотками аналогичен статору асинхронной машины. Трехфазная обмотка статора служит для создания вращающегося магнитного поля, если она включена в сеть для работы в режиме двигателя или является источником трехфазной ЭДС, если машина работает в режиме генератора.

Многие СМ имеют на роторе кроме обмотки возбуждения ОВ короткозамкнутую успокоительную обмотку. Эта обмотка способствует затуханию колебаний ротора при неустановившихся режимах работы СМ, а также обеспечивает асинхронный пуск синхронных двигателей.

Ротор представляет собой электромагнит, обмотка возбуждения которого питается постоянным током от независимого источника. Он может иметь явно выраженные полюсы (см. рис. 3.1, а) или быть неявнополюсным (см. рис. 3.1, б).

Рис. 3.1 Синхронная машина: а – основные конструктивные элементы и обмотки; б – неявнополюсный ротор; в – схема подключения обмотки возбуждения; г – условные графические обозначения.

Явнополюсные роторы имеют, например, синхронные генераторы, первичными двигателями для которых служат тихоходные гидротурбины со скоростями не более 1000 об/мин, а более прочный неявнополюсный ротор используется в быстроходных турбогенераторах со скоростями 1500 или 3000 оборотов в минуту.

Ротор и статор могут иметь несколько пар полюсов, но число пар полюсов должно быть одинаковым.

Ток в обмотку возбуждения синхронной машины поступает от сети постоянного тока через неподвижные щетки и контактные кольца, закрепленные на втулке изолятора и вращающиеся вместе с ротором (см. рис. 3.1, в).

Условное графическое обозначение СМ показано на рис. 3.1, г.