Электротехника и электроника (стр. 16 из 19)
На рисунке 8.7,а показана двухполюсная синхронная машина с неявно- выраженными полюсами ротора. Такие машины изготовляют на скорости 3000 об/мин.
Синхронные машины с меньшими скоростями (1500, 1000, 750 об/мин и т.д.) имеют явно выраженные полюса, число которых тем больше, чем меньше скорость.
Рисунок 8.7 - Устройство синхронной машины с неявновыраженными полюсами (а) и ротора машины с явно выраженными полюсами (б)
На рисунке 8.7,б показан ротор четырехполюсной машины с явно выраженными полюсами (1), которые изготовляют из отдельных стальных листов или реже цельными и закрепляют на ободе 2 ротора. Отдельные части обмотки возбуждения 3 соединены между собой так, что северные и южные полюсы чередуются.
8.4.2 Принципы действия синхронных машин. При подключении обмотки возбуждения синхронной машины к источнику постоянного тока эта обмотка порождает магнитное поле с амплитудным значением магнитного потока Фm (рис.8.7).
При вращении ротора с помощью первичного двигателя магнитное поле будет также вращаться.
В результате этого в трех фазах обмотки статора будут индуктироваться три ЭДС, одинаковые по амплитуде и частоте, сдвинутые по фазе относительно друг друга на угол 1200, т.е. в обмотках статора генерируется трехфазная симметричная система ЭДС.
Действующее значение Е и частота f синусоидальной ЭДС, индуктируемой в одной фазе обмотки статора вращающимся магнитным полем определяются по формулам:
Е 4,44 w f Фm,где w - число витков одной фазы обмотки статора.
p n f
60
где p - число пар полюсов магнитного поля ротора.
Для получения стандартной частоты 50 Гц синхронные генераторы изготавливаются с разными числами пар полюсов.
Турбогенераторы тепловых электростанций рассчитываются на скорость 3000 об/мин и имеют одну пару полюсов ( p1).Скорость вращения гидрогенераторов определяется высотой напора воды и для различных станций лежит в пределах от 50 до 750 об/мин, так что генераторы имеют от шестидесяти до четырех пар полюсов.
8.4.3 Основные характеристики синхронных генераторов.
Важнейшими характеристиками генераторов являются:
- характеристика холостого хода; - внешняя характеристика;
- регулировочная характеристика.
Рисунок 8.8 – Характеристики синхронного генератора: холостого хода (а), внешняя (б) и регулировочная (в)
Характеристика холостого хода показывает, как зависит ЭДС Е (напряжение холостого хода Uхх) от тока возбуждения Iв .
Внешняя характеристика – зависимость напряжения на выходе генератора от тока I через него (от тока нагрузки) при Iвconst .Внешняя характеристика показывает, как изменяется напряжение на зажимах статорной обмотки генератора при изменении тока нагрузки I .
Регулировочная характеристика показывает, как следует изменять ток возбуждения Iв при изменении тока нагрузки I , чтобы поддерживать выходное напряжение генератора постоянным.
8.5 Машины постоянного тока
8.5.1 Общие сведения. Машины постоянного тока (МПТ) широко применяются в различных областях техники. МПТ малой мощности применяются в системах автоматического регулирования для привода исполнительных механизмов и в качестве датчиков частоты вращения подвижных частей различных устройств. МПТ обратимы, т.е. могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.
Генераторы постоянного тока входят в состав систем электропитания специального оборудования, в радиотехнических установках, при зарядке аккумуляторов, для питания электролитических ванн и т.д.
Двигатели постоянного тока имеют важное достоинство: плавное регулирование частоты вращения и получение больших пусковых моментов и благодаря чему широко применяются на транспорте, а также для привода различного технологического оборудования.
Общим недостатком МПТ является сложность их конструкции, связанная со щеточно-коллекторным аппаратом, в котором возникает искрение. Это снижает надежность машин и ограничивает область их применения. Недостатком двигателей постоянного тока является также необходимость преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока, т.е. необходимость в источнике постоянного напряжения.
8.5.2 Устройство машины постоянного тока. МПТ состоит из неподвижной и вращающейся частей. Неподвижная часть состоит из станины 1 (рисунок 8.9), на которой укреплены главные полюсы 2 для возбуждения главного магнитного потока и дополнительные для улучшения коммутации в машине.
Главный полюс состоит из сердечника, набранного из листовой стали и укрепленного болтами на станине, и обмотки возбуждения. Сердечник на свободном конце снабжается полюсным наконечником для создания требуемого распределения магнитного потока.
Станина является ярмом машины, т.е. частью, замыкающей магнитную цепь главного потока Ф. Она изготавливается из литой стали, так как магнитный поток в ней относительно постоянен. Дополнительные полюсы устанавливаются на станине между основными. На сердечниках дополнительных полюсов располагаются обмотки, которые соединяются последовательно с якорем 3.
Якорем (ротором) называют часть машины, закрепленную на валу внутри статора, в обмотке которой при вращении ее относительно главного магнитного поля индуктируется ЭДС. В машине постоянного тока якорь состоит из зубчатого сердечника, обмотки, уложенной в его пазах и коллектора 4, насаженного на вал якоря. Сердечник якоря набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга лаком.
Рисунок 8.9 – Устройство машины постоянного тока
Для отвода тока от коллектора служат щетки, установленные в щеткодержателях. Щеткодержатели надеваются на щеточную траверсу, от которой они электрически изолируются. Траверса крепится соосно с якорем так, что ее можно поворачивать, изменяя положение щеток по отношению к полюсам машины.
У всех электрических машин постоянного тока есть коллектор. Это полый цилиндр, собранный из изолированных друг от друга клинообразных медных пластин. Пластины коллектора изолированы также от вала машины. Проводами они соединяются с витками обмотки, размещенной в пазах якоря. Вращающаяся обмотка соединяется с внешней цепью скользящим контактом между щетками и коллектором.
8.5.3 Режимы работы машины постоянного тока. Как и все электрические машины, машина постоянного тока обратима. Она работает в режиме генератора, если ее якорь вращается первичным двигателем, главное магнитное поле возбуждено, а цепь якоря соединена через щетки с приемником. При таких условиях под действием ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря, в замкнутой цепи якорь-приемник возникает ток (рисунок ), совпадающий с ЭДС по направлению.
Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает на валу генератора тормозной момент, который преодолевается первичным двигателем. Генератор преобразует механическую энергию в электрическую.
В двигательном режиме цепи якоря и возбуждения машины присоединены к источнику электроэнергии. Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает вращающий момент. Под действием последнего вращающийся якорь преодолевает момент нагрузки на валу. Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую. При этом ЭДС якоря противодействует току в цепи якоря и направлена ему навстречу (рисунок 8.10).
II
ЕяЕя
а) б)
Рисунок 8.10 – Условное графическое изображение двигателя (а) и генератора (б)
Возбуждение главного магнитного поля возможно с помощью либо электромагнитов, либо постоянных магнитов. Последнее менее распространено.
Все рабочие характеристики машин постоянного тока при работе, как в режиме генератора, так и в режиме двигателя зависят от способа включения цепи возбуждения по отношению к цепи якоря. Соединение этих цепей может быть параллельным, последовательным, смешанным, и, наконец, цепи эти могут быть независимы одна от другой.
В машинах с независимым возбуждением обмотка возбуждения, имеющая wв витков, подключается к независимому источнику электроэнергии (рисунок 8.11,а), благодаря чему ток в ней не зависит от напряжения на выводах якоря машины. Для этих машин характерна независимость главного потока от нагрузки машины.
У машин с параллельным возбуждением цепь обмотки возбуждения соединяется параллельно с цепью якоря (рисунок 8.11,б). В этом случае ток возбуждения Iв во много раз меньше тока якоря (0,05-0,01), а напряжение U между выводами цепей якоря и возбуждения одно и то же. Следовательно, сопротивление обмотки возбуждения (rв U Iв ) должно быть относительно велико. Обмотка возбуждения машины параллельного во0збуждения имеет большое число витков wпар из тонкого провода и, следовательно, значительное сопротивление. Для машин параллельного возбуждения, работающих в системе большой мощности, характерно постоянство главного магнитного потока и его небольшая зависимость от условий нагрузки машины.