otvetiki — kopia


Общие сведения об ЭМ. Классификация. ЭМ по принципу действия подразделяются на генераторы и двигатели. Первые преобразуют эл. эн., подведенную из вне к валу эл. машины в эл. эн., передаваемую по линии электропередач к потребителю. Вторые преобразуют эл. эн., подведенную из электросети в механическую энергию для привода разл. мех-мов. ЭМ нормального исполнения имеют неподв. часть статор и подв. часть ротор. Несмотря на разнообразие типов ЭМ, конструкция статора и ротора имеют одинаковые эл-ты. ЭМ подразделяются на МПоТ и МПеТ. МПоТ исп. как генераторы и как двигатели. Область их применения: установки, где требуется плавное регулирование скорости вращения в широком диапазоне (прокатные станы, электрофицированный транспорт. МПеТ: АМ и СМ. АМ исп-ся как двигатели и различаются по конструкции ротора (с КЗ и фазным ротором). СМ исп-ся как генераторы на электростанции и вырабатывают > 90% потребляемой энергии. СМ испол. в кач-ве эл.-дв., где требуется поддерживать частоту вращ. постоянной в допустимом диап. нагрузки (прокатные станы, вентиляторные и компрессорные установки, бытовая техника). Кроме того, СМ исп-ся в кач-ве компенсаторов при активной мощ-ти в системах электроснабжения. Это позволяет уменьшить потери ЛЭП, стабилизировать напряжение в сети, повысить cosφ в эл.-тех. установке. СМ различ. по конструкции ротора: с явнополюсным ротором (тихоход. машины), с неявнополюсным (быстроходные). Трансформаторы представляют собой статические электро-магн. устройства для преобразования и распред. эл. эн. и работающего на перем. токе. Они бывают: 1-фазные, 3-фазные и многофазные. Напряжение ЭМ и трансформаторов нах-ся в строгой зависимости от напряжения ЛЭП. Первичные обмотки трансформаторов и обмотки двигателей имеют напряжение, равное напряжению питающей сети. Вторичные обмотки трансформатора и обмотки генератора имеют напряжение, превышающее напряжение сетей на 5-10% для компенсации падения напряжения в них. На практике и в быту используются также различные ЭМ и трансформаторы спец. назначения и применения. По принципу действия они не отличаются от ЭМ трансформаторного действия, но различаются конструктивно и имеют различные характеристики.
Основы теории электрических машин и трансформаторов. Принцип действия трансформаторов и ЭМ основан на законах эл.-магн. явлений. Их знание необх. не только для изучения данного курса, но и для освоения методики проведения измерений и испытаний ЭО, ЭП и его систем управления, а также служит базой других электротехн. дисциплин. Явление возникновения эл. тока в замкнутом проводящем контуре с изменением магн. поля, пронизывающего этот контур, наз. индукцией. Появление в замкнутом контуре тока говорит о возникновении эдс индукции. Эдс, индуцируемая в контуре из кол-ва витков w, численно равна изменению магн. потока Ф, пронизывающего этот контур: e=-w·(dФ/dt) (1.1). Выраж. (1.1) характеризует закон электромагн. индукции, вытекающий из правила Ленца - направление индуктируемой эдс всегда таково, что в замкнутом контуре она стремиться создать ток, магн. поле кот. препятствует изменению вызвавшего его потока. Протекающий по замкнутому контуру ток индуктирует свое магн. поле, направление кот. определяется по правилу правого винта. Если предположить, что магн. поле однородное, то есть Ф=BS, где S - площадь, ограниченная некоторым контуром на плоскости, кот. перпендикулярен силовым линиям магн. поля с индукцией В, то (1.1) примет вид: e=-w·(dФ/dt)= -wS·(dB/dt)= -wB·(dS/dt)=eтр+eвр (1.2), где eтр – трансформаторная эдс; eвр – эдс вращения. Выраж. (1.2) показывает, что эдс в контуре наводится двумя способами: магн. полем, меняющемся во времени, кот. пронизывает неподвижную рамку, или при неизменном магнитном поле, кот. пронизывает вращающуюся рамку. Для любых ЭМ и трансформаторов характерен тот факт, что направление преобразования энергии в них может быть изменено на обратное. В этом состоит принцип обратимости. Для пояснения этого важного принципа рассм. элементарную электрическую машину (рис. 1.1.), состоящую из проводника длиной l, помещенного в магнитное поле. Приложим к проводнику извне силу F и начнем передвигать его в магн. поле в направлении перпендикулярном вектору магн. индукции В с постоянной скоростью v. В проводнике наводится эдс е. При замыкании проводника накоротко или на какое-либо внешнее сопротивление по нему под действием возникшей эдс потечет ток I в направлении, указанном на рис. 1.1. В однородном магн. поле этот ток будет постоянным. Направление эдс e в проводнике длиной l устанавливается по правилу правой руки, а выражение по определению е имеет вид: e=Blv (1.3) где B – ср. знач. индукции вдоль длины проводника l. Правило правой руки: силовые линии магн. поля входят в ладонь правой руки, большой палец отогнут на 90° по направлению движения проводника отн. силовых линий магн. поля, 4 вытянутых пальца показывают направление эдс в проводнике. При протекании в образовавшейся цепи тока i на проводник будет действовать эл.-магн. сила, называемая силой Ампера FA, кот. противодействует внеш. силе F. Направление силы FA, определяется по правилу левой руки, ее рассчитывают по выраж.: FA=Bil (1.4). Правило левой руки: силовые линии магн. поля входят в ладонь левой руки, 4 вытянутых пальца показывают направл. тока в проводнике, а большой палец отогнут на 90º по направлению действия эл.-магн. силы, действующей на проводник с током. В случае равномерного движения со скоростью v внешняя сила F, приложенная к проводнику, должна быть численно равна силе Ампера FA. Для упрощения анализа, что практически не сказывается на основных рассматриваемых зависимостях, сопротивление элементов цепи приравняем к нулю. При этом мощности, развиваемые элементарной ЭМ, будут соответствовать равенству: Fv=FAv (1.5). С учетом зависимостей (1.3) и (1.4) выраж. (1.5) будет: Fv=Bilv=ei (1.6). Из (1.6) следует, что затрачиваемая извне мех. мощность Fv преобр. в мощность эл. тока ei без учета потерь в цепи. При этом ЭМ представляет собой элементарный генератор. Если внешней силы F к проводнику не прикладывать, а пропустить через него ток i от постороннего источника, то на проводник будет действовать только сила Ампера FA. Под ее действием проводник станет передвигаться в магн. поле и, тем самым, совершит нек-рую мех. работу. В таком случае ЭМ представляет элементарный двигатель. В реальных машинах и трансформаторах проводники составляют обмотки, имеющие эл. сопротивление r. Машина в генераторном режиме вырабатывает эдс е, кот. при подключении внеш. цепи идет на создание напряжения и и падение напряжения ir на сопротивлении обмотки: e=u+ir (1.7). В режиме двигателя одна часть напряжения u, приложенного от источника питания к проводникам обмотки, уравновешивается эдс e, наведенной в обмотке, а другая часть составляет падение напряжения ir на сопротивлении обмотки: Умножив обе части выражений (1.7) и (1.8) на ток i, получим с учетом (1.6) выр-ния для генератора и двигателя: ei=ui+i2r=Fv (1.9); ui=ei+i2r=Fv+i2r (1.10). Т. о., подводимая к генератору извне мех. мощность Fv расходуется на эл. мощность ui, отдаваемую в сеть, и на эл. потери в обмотках i2r. В режиме двигателя эл. мощность ui, поступающая из сети, преобраз. в мех. мощность Fv. Она расходуется на электрические потери в обмотках i2r. Выр-ния (1.9) и (1.10) справедливы для всех ЭМ. В трансформаторах происходит подобное преобразование энергии соответственно в обмотках, подключенных к нагрузке (вторичных), и обмотках, подключенных к питающей сети (первичных). В процессе эксплуатации машины могут переходить из двигательного режима в генераторный реж. и обратно; каждая обмотка трансформатора может быть подключена к сети или питать нагрузку при соблюдении ряда требований. Однако все выпускаемые машины или трансформаторы рассчитаны па определенный режим для наилучшего приспособления к заданным условиям работы, а так же в целях наилучшего использования электротехн. материалов.
Материалы, применяемые в электромашиностроении и трансформаторостроении. Материалы, применяемые в ЭМ и трансформаторах, подразделяются на конструкционные, активные, электроизоляционные. Конструкционные материалы применяются для изготовления деталей и частей машин или трансформаторов, главным назначением которых явл. восприятие и передача мех. нагрузок, обеспечение требуемой степени зашиты, охлаждения, смазки (валы, станины, подшипниковые щиты, крепежные детали, вентиляторы и др.). В качестве конструкционных материалов применяют сталь, чугун, цв. металлы и их сплавы, пластмассу. Активные материалы предназначены для изготовления токопроводящих частей, магн. систем, активной части машин и трансформаторов, подразделяются на проводниковые и магнитные. Проводниковые материалы (медь, алюминий) служат для изготовления обмоток машин и трансформаторов. Коллекторные пластины и контактные кольца, подвергающиеся истиранию, изготавливаются из холоднокатаной меди, а также из меди с разными присадками (кадмий и др.). Соблюдение определенной технологии обеспечивает необходимую проводимость и износостойкость проводниковых материалов. Магн. материалы предназначены для изготовления магнитопроводов. Магн. системы должны обладать высокой магн. проницаемостью (требуемый магн. поток в машине или в трансформаторе задается как можно меньшим значением магнитодвижущей силы), повышенным эл. сопротивлением (для снижения потерь на вихревые токи), минимальными потерями на перемагничивание (гистерезис). Для обеспечения вышеназванных свойств в машинах и трансформаторах используют тонколистовую эл.-техн. холоднокатаную сталь, легированную кремнием, и нек-рыми цв. металлами (никель и др.). При из-нии эл-тов магн. систем машин и трансформаторов с целью недопущения их повреждения учитывается уровень легирования стали, а также направление проката для улучшения энергетических показателей, эксплуатационных свойств, уменьшения массы машин и трансформаторов. Отдельную группу представляют мат-лы, из кот. изг. эл. щетки (графитные, угольнографитные, металлографитные), применяемые для обеспечения скользящего контакта с коллектором и контактными кольцами ЭМ. Электроизоляционные, материалы (диэлектрики) применяются для электрической изоляции токоведущих частей от магн. систем и корпусов, а также стальных листов магн. сердечников друг от друга. Их св-ва во многом определяют эксплуатационную надежность, габаритные размеры, массу и стоимость машины (трансформатора). Наиболее широкую номенклатуру имеют твердые электроизоляционные материалы. К ним относятся хлопчатая бумага, шелк, слюда, смолы, лаки, миканит, текстолит, эл.-техн. картон и др. Одним из важнейших свойств эл.-изоляционных материалов явл. нагревостойкость - способность материала сохранять свои изоляционные и механич. св-ва при воздействии рабочих температур в теч. времени, определяемого сроком службы машины (трансформатора). Различают несколько классов нагревосгойкости в зависимости от состава изоляции, относящиеся к справочным данным. Согласно действующему стандарту предельные температуры нагревания токоведущих частей принимают несколько ниже предельно допустимых температур для изоляции соответствующего класса нагревостойкости. При нормальных условиях эксплуатации в течении длительного срока службы (20-25 лет) изоляционные мат-лы не теряют своих свойств. В то же время экспериментально установлено, что превышение температуры на 10°С сверх установленной для данного класса изоляции ведет к ее старению и сокращает срок службы примерно вдвое. Этот факт необходимо учитывать при выборе машины или трансформатора для конкретных условий эксплуатации. В современных ЭМ получили широкое применение композиционные электроизоляционные материалы, представляющие сочетание полимерных пленок (принимают на себя эл. и мех. нагрузки) с гибкими различными изоляционными материалами на основе синтетических волокон (придают изоляции эластичность, упругость, хорошее прилегание к поверхностям). Все компоненты изоляции должны быть полностью совместимы друг с другом. Жидкие электроизоляционные материалы находят применение, как правило, в трансформаторостроении. К ним относятся специальные сорта минерального (трансформаторного) масла. Выпускаются различные марки трансформаторных масел, отличающихся по своим диэлектрическим свойствам. Они предназначены для заливки в оборудование определенных классов напряжения. Перед заливкой и в процессе эксплуатации оборудования проверяются св-ва масла и, при необходимости, проводится его очистка и сушка. Масло служит охлаждающим агентом активных частей трансформаторов, более эффективным, чем воздух. К недостаткам масла следует отнести его горючесть, а также угрозу окр. среде. Кроме масел в трансформаторах применяются жидкие негорючие диэлектрики (совтол, совол и т.п.). Они обладают хорошими диэл. св-ми в течение всего срока эксплуатации оборудования, однако представляют опасность для человека и окр. среды из-за своей токсичности. В настоящее время оборудование с совтолом и другими жидкими негорючими диэл. снято с производства, но еще используются в эксплуатируемых системах электроснабжения. Утилизация таких диэл. проводится по специальным технологиям. В то же время в России и за рубежом применяются трансформаторы, заполненные негорючими экологически нейтральными синтетическими и кремнийорганическими жидкостями. Такие жидкости характеризуются в частности биологической расщепляемостью, низкой токсичностью, небольшой зависимостью диэлектрических свойств от влажности, высокой температурой воспламенения, отсутствием токсичных газов при горении. Трансформаторы с негорючими экологически нейтральными жидкостями используются для замены совтоловых и им подобных трансформаторов. Они применяются там, где требуются повышенные меры пожаробезопасности (жилые, служебные, некоторые производственные помещения). Мероприятия по контролю состояния изоляции машин и трансформаторов являются необходимыми перед их монтажом, при эксплуатации, после приемки из ремонта.
Потери и кпд электрических машин и трансформаторов. Величины потерь мощности и кпд ЭМ и трансформаторов относятся к их важнейшим энергетическим показателям, определяемым в результате испытаний. Для заключения о пригодности оборудования к дальнейшей эксплуатации результаты, полученные опытным путем, сравниваются с данными предприятий изготовителей, результатами предыдущих испытаний машины (трансформатора), а также по результатам серийных испытаний. При этом допускаются отклонения в соответствии со стандартами. ЭМ, работающие под нагрузкой, в общем случае имеют следующие виды потерь: потери в магнитопроводе (из них примерно 70% приходится на гистерезис и 30% - на вихревые токи); мех. потери, обусловленные всеми видами трения (в подшипниках, крыльчатки вентилятора о воздух и др.); потери в обмотках и скользящих контактах, обусловленные током нагрузки; добавочные потери, составляющие 0,5%-1% от потребляемой машиной мощности в номин. режиме (неравномерность распределения плотности тока по сечению проводников, искажение картины магн. поля в воздушном зазоре и др.). Потери в магнитопроводе Δрc и мех. потери Δрмех в сумме остаются неизменными во всем диапазоне нагрузок. Сумма этих потерь называется потерями холостого хода Р0 или постоянными потерями. Потери в обмотках Δроб, скользящих контактах, а также добавочные потери Δрдоб зависят от тока нагрузки. Их называют электрическими (нагрузочными) или переменными. Суммарные потери в ЭМ определяются по формуле: ΔpΣ=Δpмех+Δpс+Δpоб+Δpдоб (1.11). Кпд ЭМ в общ. случае определяется выр-нием: η%=P2/P1·100% (1.12), где Р1 - мощность, подведенная к машине (полная мощность); Р2 - мощность, отдаваемая машиной (полезная мощность). Определение величин Р1 и Р2 для одной и той же ЭМ может быть сопряжено с техническими трудностями и относительно > погрешностями. Поэтому чаще всего используют при определении кпд суммарные потери Δpz, а также либо мощность Р1, либо мощность Р2. Эти параметры связаны зависимостью: Р1=Р2+ΔрΣ (1.13). Выр-ние (1.12) с учетом (1.13) можно представить: η=1-(ΔрΣ/P1) (1.14); η=1-(ΔрΣ/P2+pΣ) (1.15). Зависимость (1.14) наиболее подходит для двигателей, уравнение (1.15) - для генераторов и трансформаторов. Величины Р1 и Р2 можно определить экспериментально. Методика экспериментального определения потерь описана в руководствах по испытаниям ЭМ. Представляет интерес определение условий, при кот. кпд машины наибольший. Для машин переем. тока полная мощность отображается выр-нием: P1=mUIcosφ (1.16), где m - число фаз; параметр mUcosφ можно считать постоянным. Полная мощность для машин пост. тока P1=UI (1-17) Обычно напряжение U явл. величиной постоянной => потребляемая мощность зависит от тока нагрузки. Поэтому зависимость (1.17) можно представить в виде: P1=AI; А=const (1.18). Суммарные потери тогда представим как: ΔрΣ=В+CI+DI2, В=const, С=const, D=const (1-19), где В - потери холостого хода; СI - потери в скользящих контактах; DI2 - потери в обмотках машин. Кпд машины будет максимальным, если дробь ΔpΣ/P1 в выр-ниях (1.14) и (1.15) имеет мин. знач.. Определим, при каком токе нагрузки I это произойдет. Исследуем на экстремум ф-цию, предварительно взяв производную по току I и приравняв результат к нулю: d·(ΔpΣ/P1)/dI=d/dI·(B+CI+DI2)/AI=d/dI·(B/I+C+DI)=0 (1.20). Из выр-ния (1.20) получаем: -B/I2+D=0; B=DI2 (1.21). Т. о., кпд будет макс. при таком токе нагрузки, когда потери холостого хода Р0 (постоянные потери) равны потерям в обмотках Δро6 (переменным потерям). Этот вывод справедлив для всех ЭМ и трансформаторов. Большинство ЭМ работает с нагрузкой примерно 75% от вырабатываемой номин. мощности. Поэтому для общепромышленных целей машины проектируют так, чтобы их кпд достигал максимума данной нагрузке. У трансформаторов максимум кпд наступает при нагрузках 50-70% от номин. мощности. Такие показатели определяются статистическими исследованиями и опытом эксплуатации машин и трансформаторов разных серий. На рис. 1.2 представлена зависимость кпд от полезной мощности Р2*. Она рассчитана в относит. единицах путем деления текущего значения полезной мощности на ее номин. знач. Р2H, называемое также базовым. Относительные единицы измерения весьма удобны для определения параметров машин, необходимых для их эксплуатации. Мощность ЭМ и трансформаторов ограничена главным образом их нагревом. Номин. мощностью наз-ся мощность допустимая по условиям нагрева. Все остальные параметры, характеризующие условия работы, на кот. рассчитана машина или трансформатор, так же наз-ся номинальными. Номинальные параметры указываются в паспортных данных. Это мощность на выходе Р2Н (Рн), напряжение UH, ток IН, частота вращ. вала nН, кпд ηH, коэф. мощности cosφH , частота сети fH. К номин. параметрам следует также отнести параметры систем охлаждения, подачи масла, характерные для крупных машин и трансформаторов. Принято считать, что для двигателя номинальной мощностью явл. полезная мощность на его валу, а для генератора – эл. мощность, отдаваемая с его выходных зажимов в сеть. Номин. напряжения ЭМ и трансформаторов согласованы со стандартными номинальными напряжениями электрических сетей. Номинальные напряжения для электродвигателей и первичных обмоток трансформаторов берутся равными стандартным напряжениям электрических сетей, а для генераторов и вторичных обмоток трансформаторов на 5-10% большими с целью компенсации падения напряжения в сетях. В настоящее время актуальной является задача экономии энергоресурсов, решение которой во многом зависит от внедрения различных энергосберегающих технологий. Совершенствуется конструкция ЭМ и трансформаторов, направленная на снижение потерь энергии, расширение диапазона регулирования двигателей и т.д. Проектируются и производятся электроэнергетические установки, работающие за счет возобновляемых источников энергии (Солнца, ветра, воды и т.д.). Внедрение управляемых ЭП на технологических установках, в основном на базе двигателей переменного тока с вентильными преобразователями частоты питающего напряжения, а также использование автоматич. систем учета энергии и программного обеспечения к ним позволяет обеспечить рациональное регулирование параметров установок, оптимизировать энергопотребление, сократить потери энергии, повысить качество выпускаемой продукции, более точно прогнозировать развитие систем электроснабжения предприятий.
Влияние геометрических размеров электрических машин и трансформаторов на их технико-экономические показатели. Конструкция ЭМ и трансформаторов, их размеры, масса, стоимость находятся в зависимости от мощности и скорости вращения. Для ряда подобных в геометрическом отношении машин или трансформаторов геометрические размеры любой машины или трансформатора отличаются от размеров другой машины в одинаковое число раз. Для удобства анализа следует предположить, что плотности тока, магн. индукции в соответствующих частях, скорости вращения одинаковы. В этом случае можно рассматривать зависимость мощности, потерь и других величин от какого-либо характерного для машины или трансформатора геометрического размера С. Внутренняя электромагн. мощность машины или трансформатора Р пропорциональна произведению тока I на эдс обмотки Е. В свою очередь величина тока I пропорциональна сечению провода витка, а величина эдс Е - площади контура, охватываемой витками. Т. о., получается зависимость электромагн. мощности Р от геом. размера l определяемая выр-нием: P≡EI≡l4. (1.22) Для машин с номин. частотой вращения n можно полагать: l≡4√(P/n)≡4√(M) (1.23), где М - момент, развиваемый ЭМ и образованный в результате действия на проводники обмотки эл.-магн. сил. Если рассматривать ЭМ с одинаковой частотой вращения или трансформаторы, то их геом. размеры будут изменяться пропорционально корню четвертой степени из их мощности: l≡4√(P) (1.24). Объем машин или трансформаторов V, их масса G, стоимость С прямо пропорциональны l3; те же величины на единицу мощности обратно пропорциональны l, а, следовательно, корню четвертой степени из мощности 4√(P): V≡G≡C≡l3 (1.25); V/P≡G/P≡C/P≡1/l≡1/4√(P) (1.26). При соблюдении начальных условий эл. и магн. потери, а, следовательно, суммарные потери мощности ΔpΣ в отдельных частях машины на единицу объема постоянны они растут прямо пропорционально l3: ΔpΣ≡l3 (1.27); ΔpΣ/P≡1/l (1.28). Отсюда следует, что масса машины или трансформатора, их стоимость на единицу мощности уменьшаются с увеличением геометрических размеров. Потери на единицу мощности при увеличении l и Р уменьшаются, а кпд машин и трансформаторов увеличивается. В то же время площадь поверхностей охлаждения Sохл, с которых отводятся выделяющиеся в виде тепла потери ΔpΣ, растет прямо пропорционально l2, поэтому: ΔpΣ/Sохл≡l (1.29). Значение потерь на единицу поверхностей охлаждения растет прямо пропорционально l. В результате условия охлаждения в крупных машинах и трансформаторах ухудшаются. Это предъявляет высокие требования к системам их охлаждения и контролю над их работой. Приведенные зависимости показывают, что с ростом мощности ЭМ и трансформаторов относительный расход материалов и относительная стоимость у крупных машин снижаются, а кпд возрастает. Аналогичным образом нетрудно установить, что при сохранении неизменными геом. размеров и эл.-магн. нагрузок масса, стоимость и потери на единицу мощности с увеличением скорости вращения уменьшаются. Экономически целесообразно строить и применять, где это возможно, быстроходные и крупные ЭМ, а также трансформаторы большой мощности. Зависимости (1.22) - (1.29) для машин и трансформаторов возрастающей мощности на практике не соблюдаются точно, так как при увеличении мощности и скорости вращения всегда приходится но конструктивным и другим причинам отступать от геометрического подобия машин. Общие тенденции в изменении показателей масс, потерь и стоимости указанные зависимости отображают достаточно хорошо. Именно поэтому они могут использоваться для практических целей.
Нагревание и способы охлаждения электрических машин и трансформаторов. Процессы преобразования энергии в электрических машинах и трансформаторах сопровождаются потерями, которые в свою очередь выделяются в виде тепла, частично нагревая машину или трансформатор, а частично рассеиваются в окружающую среду. Для удобства проведения тепловых расчетов принято считать, что нагрев происходит равномерно по всему объему машины, а рассеивание теплоты осуществляется равномерно со всей ее поверхности. В этих условиях уравнение теплового баланса имеет вид: qdt=mcdτ (1.30), где q – кол-во теплоты, выделяемое в машине (трансформаторе) в единицу времени. Оно равно q=Q/dt=ΔpΣ (1.31), где ΔpΣ - суммарные потери мощности в объекте, Вт; mcdτ – кол-во теплоты, расходуемой на нагревание объекта; m - масса нагреваемого объекта; с - удельная теплоемкость материала объекта, т.е. кол-во теплоты, необходимое для нагревания 1 кг этого материала на 1 °С; τ - превышение температуры нагрева объекта над температурой окр. среды; Sλτ – кол-во теплоты, рассеиваемое с поверхности объекта в окружающее пространство в единицу времени; λ – коэф. теплового рассеяния, т.е. кол-во теплоты, рассеиваемой с единицы поверхности двигателя в 1с при превышении температуры на 1°С. В нач. период работы машина (трансформатор) имеет температуру нагрева, не отличающуюся от температуры окр. среды Ɵ1, т.е. τ=0. При этом вся выделяемая в машине (трансформаторе) теплота идет на его нагревание. Затем температура нагрева начинает превышать температуру окружающей среды, т.е. τ>0, часть теплоты, выделяемого в машине (трансформаторе), начинает рассеиваться в окр. среду. Когда температура нагрева объекта достигает установившегося значения Ɵуст=const, вся выделяемая в машине теплота рассеивается в окр. среду, т.е. наступает режим теплового равновесия: qdt=Sλτустdt (1.32), где τуст – установившаяся температура перегрева, °С. τуст=Ɵуст-Ɵ1=q/Sλ (1.33). Из выр-ния (1.33) следует, что установившаяся температура перегрева определяется кол-вом теплоты q, выделяемым в машине (трансформаторе) в единицу времени, а также от интенсивности ее охлаждения. Когда машина или трансформатор включаются в сеть, а их температура равна температуре окр. среды Ɵ1, то зависимость температуры перегрева τ от времени t выражается равенством: τ=τуст(1-et/TH) (1.34), где Тн - постоянная времени нагревания, показывающая время, необходимое для нагревания машины (трансформатора) до установившейся температуры, если бы не было теплового рассеяния с ее поверхности, с. Принято считать, что в реальных условиях температура перегрева машины (трансформатора) достигает установившегося значения за время нагревания t=(4-5)TH. Если машину (трансформатор) отключить от сети, прекратив этим дальнейшее нагревание, то тепловое рассеяние будет происходить за счет накопленной в ней теплоты. В процессе остывания температура перегрева понижается до τ=0, т.е. пока она не станет равной температуре окружающей среды. Процесс охлаждения машины (трансформатора) отображается выр-нием: τ=τуст·et/TO, где ТО - постоянная времени охлаждения, с. Принято считать, что в реальных условиях температура перегрева машины (трансформатора) достигает установившегося значения за время нагревания t=(4-5)TO. Графики нагревания и охлаждения ЭМ и трансформаторов представлены рис. 1.3. В процессе работы ЭМ (трансформатора) нагреваются все детали и узлы. Наиболее чувствительна к перегреву эл. изоляция обмоток, теряющая свои изоляционные и мех. св-ва под действием температур, превышающих допустимые значения. Температура нагрева какой-либо части машины (трансформатора) Ɵ2 при известной температуре ее перегрева τуст и температуре окр. среды Ɵ1=40°С определяется по формуле: Ɵ2=τуст+Ɵ1=τуст+40 (1.36). Для ЭМ (трансформаторов) специального назначения, работающих в условиях повышенной температуры окр. среды, напр., в условиях металлургического производства, температуру Ɵ1 принимают равной более 40°С. Действующие стандарты устанавливают предельно допустимые температуры перегрева для частей машины (трансформатора) при разных способах измерения. Увеличение мощности ЭМ (трансформаторов), а также изменение параметров эксплуатации требует улучшения условий их охлаждения. Это достигается путем конструктивных решений, применения сложных систем с автоматическим управлением и контролем параметров охлаждающей среды, охлаждаемых частей и т.д. На рис. 1.4 представлена классификация систем охлаждения (блоки, обведенные пунктиром, относятся только к вращающимся ЭМ). ЭМ (трансформаторы) по способам охлаждения разделяют на два вида: с естественным охлаждением и с искусственным охл-нием. Естественное охл-ние происх. без применения спец. мер путем теплопроводности и конвекции. Теплопроводность - передача теплоты внутри твердого тела от более нагретых слоев к менее нагретым слоям. Конвекция состоит в том, что частицы газа, воздуха или трансформаторного масла, соприкасающиеся с поверхностью нагретого тела, нагреваются, становятся легче и поднимаются вверх, уступая место менее нагретым частицам, и т.д. Такая конвекция называется естественной. Искусственная конвекция происходит во вращающихся машинах, которых создается принудительная циркуляция воздуха или газа. Для искусственного охлаждения применяют спец. устройства, кот. создают направленное движение газа или воздуха для охлаждения нагретых частей машин (трансформаторов). Искусственное охлаждение может проводиться как принудительно (по разомкнутой или замкнутой системе), так и посредством самовентиляции с учетом конструктивного исполнения машины и ее отдельных частей. На технологич. установках предприятий металлургической и горной промышленности работает множество машин и трансформаторов разной мощности и исполнения. В условиях современного производства от специалистов, занимающихся вопросами эксплуатации, ремонта, испытаний данного типа ЭО, требуются знания по теории, принципу действия, конструктивному исполнению, протеканию различных процессов в машинах и трансформаторах. Представляется не менее важным уметь рассчитывать требуемую мощность и выбирать ЭМ и трансформаторы с учетом степени защиты, способа вентиляции, климатич. исполнения, мест эксплуатации; ориентироваться в возможных неисправностях, причинах их появлений и способах устранения.
Электромеханические преобразователи энергии. Основные характеристики электрических машин. Осн. использование ЭМ состоит в их применении в качестве генераторов или двигателей. В качестве генераторов используются преимущественно синхр. машины > мощности, составляющие основу эл. станций, а также асинхр. машины и машины пост. тока, применяемые в энергетич. установках малой мощности. Наиб. кол-во ЭМ используется как двигатели. Они составляют основу ЭП разл. промышленных мех-мов. Св-ва ЭМ описываются математическими формулами и уравнениями, многие из которых можно представить в виде графически выраженных функциональных зависимостей в заданной системе координат. Их исп. для анализа работы ЭМ в разл. режимах, обеспечения оптимальных условий эксплуатации, поиска неисправностей и т.д. Основные характеристики электрогенераторов: 1) внеш. характеристика - это зависимость напряжения на выходе генератора от тока нагрузки U=f(I) при неизменных токе возбуждения (Iв=const) и частоте вращения n=const; 2) характеристика холостого хода, выражающая зависимость напряжения (эдс) на выходе генератора от тока возбуждения U=f(Iв) в режиме холостого хода (I=0) и неизменной частоте вращения (n=const); 3) регулировочная характеристика, отображающая зависимость тока возбуждения от тока нагрузки Iв=f(I) при неизменных частоте вращения (n=const) и напряжении на выходе генератора (U=const). Осн. характеристиками эл.-двигателей являются: 1)мех. характеристика, показывающая взаимосвязь частоты вращения от момента нагрузки на валу двигателя (статического момента сопротивления рабочего мех-ма) n=f(M) при неизменных значениях напряжения питания двигателя, тока возбуждения, сопротивления в цепи рабочей обмотки (обмотки статора и ротора или обмотки якоря); 2) эл.-мех. характеристика, устанавливающая зависимость частоты вращения от тока нагрузки n=f(I) при неизменных значениях напряжения и сопротивления в цепи рабочей обмотки двигателя; 3) регулировочная характеристика, выражающая зависимость частоты вращения от регулирующего параметра (ток возбуждения или напряжение питания); 4) рабочие характеристики, отображающие зависимости кпд η, коэффициента мощности cosφ, рабочего тока I, частоты вращения n от нагрузки двигателя (полезной мощности) Р2. Кроме вышеупомянутых зависимостей существуют и ряд других характеристик, используемых для определения недостающих параметров при промышленных испытаниях ЭМ, для оценки регулировочных возможностей ЭП в целом и т.д.
Основы механики электропривода. В наст. время более 60% вырабатываемой эл.-эн. потребляется различными ЭП. ЭП - это управляемая эл.-мех. система, кот. преобраз. эл. эн. в мех. и обратно, а также управляет этом процессом. Основой ЭП явл. эл.-мех. преобразователь энергии (ЭМ), связанный с системой электроснабжения, мех. частью и системой управления. Изменения в сопряженных системах непосредственно сказываются на работе ЭМ и на ее характеристиках. Влияние системы электроснабжения связано с режимами ее работы. Действие системы управления зависит от настроек ее параметров или заданной программы. Изменения в эл. части привода (регулирование величин напряжения питания, его частоты, тока возбуждения и т.д.) позволяют сформировать семейства характеристик ЭМ, кот. в силу конструктивных особенностей и принципа действия имеют различные количественные и качественные показатели. Воздействия на ЭМ возмущающих факторов со стороны мех. агрегата в целом проявляется одинаково и зависит от назначения мех-ма. ЭМ с вращ. частями, на базе которых строится большинство ЭП обладают целям рядом преимуществ по отнош. к машинам с др. видами дв-ния рабочих органов. Чтобы оценить св-ва конкретного ЭП требуется описать его ур-ние дв-ния. Для этой цели рассм. самую простую мех. систему, представленную на рис. 3.1. Она сост. из ротора двигателя и непосредственно связанной с ним нагрузки - рабочего органа машины. Такая система отражает реальную мех. часть многих промышленных мех-мов. При рассмотрении режимов работы привода удобно относить все моменты к валу ЭМ. Состояние приводного агрегата зависит от действия вращ. момента машины М, возникающего в результате действия эл.-магн. сил, и статич. момента МС, кот. характеризует противодействие мех-ма (нагрузки), а также потери в мех. части на трение. Обычно между ЭМ и нагрузкой нах-ся какая-либо мех. передача, т.е. имеется несколько различных валов со своими моментами и скоростями. Для сведения любой реальной системы к модели рис. 3.1 следует выполнить приведение моментов мех-ма МС к валу ЭМ, заменить реальную мех. систему на эквивалентную ей. Каждый из моментов М и МС может быть как движущим, так и тормозящим. Напр., при вращении вентилятора или движении конвейера М - движущий, МС - тормозящий; при опускании краном груза при генераторном режиме М - тормозящий, МС — движущий; при силовом спуске груза оба момента являются движущими; при эл. торможение прокатного стана оба момента - тормозящие. Двигательный режим ЭМ характеризуется тем, что вращ. привода происх. в направлении действия ее момента М. В генераторном режиме ЭМ ее момент М направлен против вращения. В результате изложенного можно прийти к выводу, что ур-ние движения системы рис. 3.1 имеет вид: ±M±MC=J·dω/dt (3.1) где ω - угловая скорость вращения, с-1; J - суммарный момент инерции привода, приведенный к валу ЭМ, кг-м2. Правая часть ур-ния (3.1) представляет собой динамический момент J·dω/dt=Mдин. Он возникает, когда алгебраическая сумма моментов М и МС отлична от нуля. Знак и значение динамического момента определяют ускорение (замедление) ЭП. Реж. работы с неизменной скоростью вращения, при кот. моменты машины и нагрузки равны и противоположно направлены (Мдин=0), называют установившимся или статическим. Реж., при кот. Мдин≠0, наз-ся переходным или динамическим (разгон, торможение, смена нагрузки и т.д.). Моменты М и МС могут зависеть от времени, от параметров ЭМ или механизма, от скорости. Зависимости моментов от скорости представл. собой мех. характеристики, кот. достаточно удобны при анализе статич. и динамич. режимов ЭП. Моменты и скорости могут иметь разл. знаки, мех. характеристики располаг. в 4 квадрантах системы координат ω-М. Квадранты номеруют римскими цифрами I-IV. Знаки величин определяют, принимая одно из направлений за положительное, например, по часовой стрелке или вверх, или вправо и т.п. Моменты, направленные по движению (движущие), имеют знак, совпадающий со знаком скорости. Моменты, направленные против движения (тормозящие) имеют знак, противоположный знаку скорости. Знаки в уравнении движения (3.1) с учетом этих правил можно записывать следующим образом: 1) при совпадении направления М и ω ставится знак «+»; 2) при встречном направлении М и ω ставится знак «-». Моменты рабочих мех-мов, представленные на рис. 3.2, принято делить на активные и реактивные. Активные (потенциальные) статические моменты действуют неизменно в одном направлении, независимо от направления движения механизма (рис. 3.2, а). Такой момент остается неизменным даже при неподв. мех-ме, так как он вызывается постоянно действующими внешними силами (момент сопротивления подъемного механизма типа «лебедка», создаваемый грузом, подвешенным на тросе). Реактивные статические моменты действуют только в движущихся мех-мах. Они направлены всегда противоположно этому движению, т.е. противоположно вращ. моменту двигателя. При изменении направления дв-ния также изменится направление реакт. статич. момента. На рис. 3.2,б представлена мех. характеристика реакт. статич. момента сопротивления, вызванного силами трения, резания, пластической деформации в движущихся частях любого мех-ма. Реакт. статич. моменты большинства производственных мех-мов зависят не только от направления, но и от скорости движения. Мех. характеристики реактивных статич. моментов могут иметь разную форму. Напр., у центробежных вентиляторов, насосов и др. аналогичных мех-мов статич. момент сопротивления пропорционален квадрату частоты вращения (М~ω2). Мех. характеристика таких мех-мов показана на рис. 3.2,в. Рассмотренные мех. характеристики мех-мов имеют приближенный вид. Характеристики реальных мех-мов с учетом особенностей их конструкции и условий эксплуатации имеют более разнообразную форму. Установившийся режим ЭМ и рабочего мех-ма характеризуется их совместной работой при неизменных значениях частоты вращения и эл.-магн. момента. Этому режиму соответствует точка на мех. характеристики, для определения координат которой следует воспользоваться мех. характеристиками ЭМ и рабочего мех-ма, построив их в одних осях координат, но в разных квадрантах, как показано на рис. 3.3,а. Для упрощения построений обе характеристики изображают в первом квадранте, т.е. вместо характеристики ω=f(MC) в первом квадранте строят ее зеркальное изображение ω=f(-МC). Точка пересечения этой характеристики с мех. характеристикой машины (точка А) с координатами ωуст и Mvcm будет точкой установившегося режима. Характеристику оценивают по ее жесткости β (рис. 3.3,б): β=ΔM/Δω=(M2-M1)/ω1-ω2 (3.2). Для прямолинейной мех. характеристики жесткость определяется тангенсом угла α наклона характеристики к оси ординат. При криволинейной мех. характеристике ее жесткость β определяется в рабочей точке, как тангенс угла α наклона касательной, проведенной в этой точке, к оси ординат. Чем больше угол α, тем жестче характеристика. При α=90° мех. характеристика расположена параллельно оси абсцисс и наз-ся абсолютно жесткой. В случае α=0 мех. характеристика расположена параллельно оси ординат. Она наз-ся абсолютно мягкой характеристикой. ЭМ в режимах двигателя и генератора должна обладать устойчивостью, т.е. автоматически поддерживать заданную частоту вращения при воздействии каких-либо возмущающих факторов со стороны сети или приводных мех-мов.
Режимы работы и охлаждение электрических машин. Режим работы ЭМ - это установленный порядок чередования периодов, характеризуемых величиной и продолжительностью нагрузки, отключений, торможения, пуска и реверса во время ее работы. Режимы работы эл.-двигателей в ЭП разл. рабочих мех-мов разнообразны. Они определяются технологическими процессами, реализуемыми рабочими мех-мами. Для иллюстрации этих режимов используют нагрузочные диаграммы. Такая диаграмма представляет графически выраженную зависимость параметра, характеризующего нагрузку приводного двигателя (мощности Р, момента М, силы потребляемого тока I) от продолжительности t отдельных этапов, составляющих время работы ЭП. Согласно действующему стандарту сущ-ет 3 осн. режима работы двигателей, различающиеся характером изменения нагрузки: продолжительным, кратковременный и повторно- кратковременный. Продолжительный режим работы S1 характеризуется такой длительностью работы двигателя, при которой температура перегрева всех его частей достигает установившихся значений τуст. Различают продолжительный режим с неизменной нагрузкой, показанный на рис. 3.4,а (ЭП насосов, вентиляторов, транспортеров), и продолжительный режим с изменяющейся нагрузкой, представленный на рис. 3.4,б (ЭП прокатных станов, металлорежущих станков и т.п.). Кратковременный режим работы S2 характеризуется тем, что периоды неизменной номин. нагрузки чередуются с периодами отключения двигателя. При этом периоды работы (нагрузки) двигателя tp настолько кратковременны, что температуры нагрева всех частей двигателя не достигают установившихся значений, а периоды отключения двигателя настолько продолжительны, что все части двигателя успевают охладиться до температуры окр. среды. По стандарту tp=10; 30; 60; 90 мин. В условном обозначении кратковременного режима указывается продолжительность периода нагрузки, например S2-30 мин. В кратковременном режиме работают ЭП разного рода заслонок, вентилей и других запорных устройств, регулирующих подачу рабочего в-ва (газ, вода и др.) посредством трубопровода к объекту потребления. Нагрузочная диагр. режима S2 отображена на рис. 3.5. Повторно-кратковременный режим S3 характеризуется тем, что кратковременные периоды работы двигателя tp чередуются с периодами его отключения (паузами) tn. Причем за период работы tp превышение температуры не успевает достигнуть установившихся значений, а за время паузы части двигателя не успевают охладиться до температуры окр. среды. Общее время работы двигателя в режиме S3 делится на периодически повторяющиеся циклы продолжительностью tц=tp+tn. Нагрузочная диаграмма повторно-кратковременного режима представлена на рис. 3.6. На диагр. τуст - установившееся значение температуры перегрева при повторно-кратковременном режиме. В режиме S3 работают ЭП лифтов, подъемных кранов, экскаваторов, для кот. характерна цикличность. Этот реж. характеризуется относительной продолжительностью включения ПВ, %: ПВ=tp/tц·100% (3.3). Действующим стандартом предусмотрены номинальные повторно-кратковременные режимы с ПВ 15, 25, 40 и 60% (для продолжительного режима ПВ=100%). В усл. обозначении повторно-кратковременного режима указывают величину ПВ, например, S3-40%. Двигатель с номин. мощностью Рн с ПВ1 может быть использован при другой ПВ2. Мощность Р, на которую допускается при этом нагружать двигатель, определяется приближенным соотношением: P=PH·√(ПВ1/ПВ2) (3.4). Напр., при переводе двигателя из продолжительного режима (ПВ=100%) в повторно-кратковременный режим, мощность двигателя, по сравнению с его мощностью в продолжительном режиме, может быть увеличена на 30% для ПВ-60%, на 60% для ПВ=40%, в 2 раза в случае ПВ=25%, а в 2,6 раза для ПВ=15%. Режимы SI, S2, S3 считаются основными. В каталогах на двигатели, предназначенные для работы в каком-либо из этих режимов, указаны номинальные данные, соответствующие режиму. Стандартом предусмотрены еще и дополнительные режимы: 1) повторно-кратковременный режим S4 с частыми пусками, с числом включений в час 30, 60, 120 или 240; 2) повторно-кратковременный режим S5 с частыми пусками и эл. торможением в конце каждого цикла; 3) перемежающийся реж. S6 с частыми реверсами и эл. торможением; 4) перемежающийся режим S7 с частыми пусками, реверсами и эл. торможением; 5) перемежающийся режим S8 с двумя и более разными частотами вращения. Работа ЭМ в любом из упомянутых режимах, особенно при пусках и торможениях, сопровождается потерями энергии с выделением теплоты в их частях. Охлаждение, особенно машин большой мощности, явл. сложной и ответственной задачей. При этом исп-ся не только конструктивные, но и спец. меры, заключающиеся в применении систем охлаждения. Как правило, в ЭМ применимо искусственное охлаждение (рис. 1.4), включающее в себя самовентиляцию и принудительную вентиляцию. Самовентиляция состоит в создании направленного движения воздуха от вентилятора на валу машины, которые охлаждают ее нагретые части. При наружной самовентиляции воздухом обдувается внеш. пов-ть корпуса статора. Машина, как правило, имеет закрытое исполнение с ребристой поверхностью, кот. обеспечивает увеличение пов-ти охлаждения. Для внутр. самовентиляции в корпусе и подшипниковых щитах машины выполняют специальные отверстия, через которые воздух из среды, окружающей машину, проникает внутрь благодаря центробежному вентилятору на валу, охлаждает машину, «омывая» ее нагретые части, а затем нагретым выбрасывается наружу через специальные отверстия (жалюзи) в левом подшипниковом щите со стороны, противоположной вентилятору. Принцип внутренней самовентиляции ЭМ отображен на рис. 3.7. Тепловые потоки от эл. и магн. потерь соответственно показаны светлыми и темными стрелками. Тонкие линии показывают направления воздуха с температурой окр. среды θ1, проникающего внутрь машины, и выбрасывающегося наружу с температурой θ2. Для более эффективного охлаждения в магнитопроводе нек-рых ЭМ делают вентиляционные каналы, через кот. проходит охлаждающий воздух. Вентиляционные каналы называется соответственно аксиальными и радиальными. Аксиальные каналы расположены параллельно оси машины, радиальные каналы расположены перпендикулярно этой оси. Примеры аксиальной и радиальной систем вентиляции изображены на рис. 3.8. Радиальные вентиляционные каналы получаются делением общей длины сердечника на пакеты по 40 - 60 мм. Между пакетами оставляют промежутки по 10 мм, которые явл. радиальными каналами. Иногда в машинах применяют радиально-аксиальную вентиляцию. Независимая вентиляция необх. при работе ЭМ на низких частотах вращения, а также во взрывоопасной или химически активной среде. Для обеспечения этого вентилятору машины требуется собственный привод, частота вращения которого не зависит от режима работы машины, или применяются разомкнутые и замкнутые независимые системы вентиляции, схемы кот. показаны на рис. 3.9. Воздух в машину 1 нагнетается с помощью вентилятора 2 через трубопровод 3. При разомкнутой системе независимой вентиляции (рис. 3.9,а) воздух выбрасывается наружу по трубе 4. В системе независимой вентиляции, работающей по замкнутому циклу (рис. 3.9, б), нагретый воздух проходит через радиатор охладителя 5, охлаждаясь посредством протекающей в радиаторе холодной воды. Применяемые в ЭМ способы охлаждения нах-ся во взаимосвязи с конструктивными формами исполнения машин.
Стандартизация основных параметров электрических машин. Стандартизация осн. параметров ЭМ относится, прежде всего, к номин. мощности, номин. напряжению и номин. частоте вращения. Стандартизация ЭМ по высоте оси вращения, установочным и присоединительным р-рам позволяет избежать неоправданного увеличения типоразмеров машин. Она удобна при комплектовании ими энергетич. установок и комплектных ЭП, необходима для международной торговли ЭМ и различным оборудованием, совместно с кот. ЭМ эксплуатируются. Государственными стандартами определены ряды номин. мощностей (кВт), напряжений (В), частот вращения (об/мин), высот оси вращения (мм), а также мероприятия, кот. проводятся при проектировании, испытаниях, эксплуатации ЭМ. Конструктивные формы исполнения ЭМ определяются степенью защиты, способами охлаждения и монтажа, воздействием климатических факторов окр. среды и категорий мест размещения ЭМ при эксплуатации, и оговорены стандартами. Степень защиты ЭМ для обслуживающего персонала и от попадания внутрь тв. предметов и воды обозначается буквами IP (International Protection) и двумя цифрами: IPXX. Первая цифра обозначает степень защиты персонала от защиты персонала от соприкосновения с токоведущими и вращающимися частями и от попадания внутрь машины твердых тел (0-5); вторая цифра обозначает степень защиты от проникновения воды внутрь машины (0-8). Стандартом оговорены термины и определения применительно к видам защиты ЭМ. Опытом эксплуатации определена увязка способов защиты со способами охлаждения машин. Способы охлаждения ЭМ обозначают буквами IС (International Cooling). Следующие за ними буквы и цифры характеризуют способ охлаждения машины, а также наличие разомкнутой или замкнутой системы охлаждения. Сначала указывается буква, обозначающая вид хладагента: А - воздух, Н - водород, W - вода. Если хладагентом явл. только воздух, то буква опускается. Первая цифра условно обозначает устройство цепи охлаждения для циркуляции хладагента (0-8); вторая цифра обозначает способ перемещения хладагента (0-8). Если машина имеет несколько цепей охлаждения (внутренняя вентиляция и наружный обдув и др.), то в обозначении может быть 4 цифры: две - для обозначения наружной цепи охлаждения и две - для внутренней. Монтаж ЭМ определяет способ крепления ЭМ в месте ее установки и способ ее сочленения с рабочим мех-мом. Монтаж машин в большинстве случаев осуществляется на лапах или посредством фланцев с возможностью горизонтального или вертикального расположения вала машины. Разновидности конструктивного исполнения ЭМ по способу монтажа определяются стандартом. Условное обозначение машины по способу монтажа отображается буквами IM (International Mounting) и четырьмя цифрами: IMXXXX. 1 цифра - это группа конструктивного исполнения (1-9); 2 и 3 цифры обознач. способ монтажа; 4 цифра показывает кол-во и форму исполнения выступающих концов вала (0-8). На надежность ЭМ при их эксплуат. значит. влияние оказывают различные климатические условия внеш. среды. Установлены категории мест размещения ЭО при эксплуатации. Оговорены стандартами допустимые отклонения в связи с реальными условиями эксплуатации, в кот. может оказаться машина. Напр., если машины общего назначения предназначены для работы на высоте над уровнем моря до 1000 м, то в случае работы на высоте более 1000 м их номинальная мощность должна быть снижена. ЭМ изготавливают сериями. Серия представляет ряд подобных машин с возрастающей по заданной шкале мощностью, имеющих однотипную конструкцию и удовлетворяющих единому комплексу требований. Каждая ЭМ, входящая в серию, представляет типоразмер с определенными параметрами (мощность, частота вращения, масса и т.п.) и установочно-присоединительными размерами. Периодически некоторые серии подвергаются модернизации; часть серий снимаются с производства, взамен создаются новые, более совершенные. Накопление опыта по проектированию и эксплуатации машин, развитие науки и технологии, унификация типоразмеров составных частей приводят к созданию экономически более выгодных серий ЭМ.
Машины постоянного тока. Общие сведения. Принцип действия. Машины пост. тока первыми из ЭМ получили практическое применение. В настоящее время электропромышленность выпускает машины мощностью от долей ватт до нескольких сотен и тысяч киловатт. Машины пост. тока применяют в качестве эл.-двигателей и генераторов. Эл.-двигатели пост. тока имеют хорошие регулировочные св-ва, значительную перегрузочную способность и могут быть спроектированы с любыми рабочими характеристиками. Они широко используются для приводов мех-мов, требующих плавного и глубокого регулирования скорости. На металлургических и горных предприятиях такими приводами являются прокатные станы, кантователи, шахтные подъемники, экскаваторы; на транспорте - железнодорожные локомотивы, электромобили, морские и речные суда и т.д. Генераторы пост. тока используются как источники эл. эн. для заряда аккумуляторных батарей, питания электролизных и гальванических ванн, обмоток возбуждения синхронных генераторов и т.д. В системах автоматики применяются выполненные на разные мощности машины специальной конструкции (исполнительные двигатели, тахогенераторы, электромашинные усилители). Разработаны машины пост. тока с полупроводниковыми коммутаторами, МГД-машины и т.д. Машины пост. тока дороже машин переменного тока, имеют по сравнению с ними завышенные габариты и массу, относительно сложны в изготовлении. В крупных машинах серьезные эксплуатационные трудности создает наличие щеточного-коллекторного узла. Это ведет к образованию радиопомех и явл. источником пожароопасности. В различных отраслях промышленности ЭП пост. тока постепенно заменяются ЭП переем. тока. Несмотря на это в некоторых установках машины пост. тока незаменимы. Изучение разл. процессов эл.-мех. преобразования эн., построение систем управления ЭП, оценку качества регулирования их параметров часто целесообразно начинать применительно к машинам пост. тока. Простейшая машина пост. тока (рис. 6.1) состоит из индуктора 1, кот. представлен в виде пост. магнита, и якоря 2. Индуктор предназначен для создания основного магн. поля машины. На якоре закреплена обмотка, состоящая из одного витка. Ее выводы прикреплены к пластинам 3, кот. образуют элементарный коллектор. С коллекторными пластинами соединены щётки 4, предназначенные для замыкания обмотки якоря на внеш. цепь или для присоединения ее к источнику питания. В режиме генератора (рис. 6.2,а) якорь вращается по часовой стрелке в постоянном магн. поле индуктора. В обоих проводниках якорной обмотки индуктируется одинаковые эдс. Они складываются по контуру обмотки, образуя эдс якоря Еа. Направление Еа в проводниках определяется по правилу правой руки. После замыкания обмотки якоря на внешнюю цепь в ней течёт ток Iа, совпадающий по направлению со своей эдс. Ток якоря взаимодействует с магн. полем индуктора. Возникает эл.-магн. сила FA. Направление силы FA, действующей на проводник, определяется по правилу левой руки. Она образует эл.-магн. момент М генератора, направленный против направления вращ. якоря. Машина в генераторном режиме развивает тормозной момент, на преодоление кот. расходуется эн. приводного агрегата. Напряжение пост. тока Uа на зажимах якоря будет < эдс Еа на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря rа: Ua=Ea-Iara (6.1). В режиме двигателя (рис. 6.2,б) к обмоткам подводят напряжение, полярность кот. обеспечит то же направление тока. Возникающие эл.-магн. силы приведут ротор во вращение и совершат некоторую мех. работу. В якорной обмотке двигателя также индуктируется эдс. Однако, в отличие от режима генератора, она направлена встречно относ. тока Iа и ограничивает его величину. Приложенное к якорю двигателя напряжение Ua уравновешивается эдс Еа и падением напряжения в обмотке якоря: Ua=Ea+Iara (6.2). При вращении якоря в его обмотке индуцируется эдс. Она явл. переменной, поскольку проводники обмотки якоря поочередно проходят под северными и южными полюсами. Если на концах проводников (рис. 6.1) установить контактные кольца, то форма кривых эдс Еа и тока Iа обмотки якоря будет иметь вид на рис. 6.3,а Положение щеток не имеет значения. В случае применения коллектора если обмотка якоря с помощью щёток замкнута на внеш. цепь, то при работе машины в генераторном режиме форма кривых Еа и Iа в проводниках такие же, как и на рис. 6.3,а. Для внеш. цепи формы кривых эдс и тока якоря представлена на рис. 6.3,б. Это объясняется тем, что при повороте якоря и коллектора изменяются направления эдс в проводниках. Также происходит смена коллекторных пластин под щетками. Из-за этого под верхней щёткой всегда будет находиться пластина, соединенная с расположенным под северным полюсом проводником, а под нижней щеткой - пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щёток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными. =>, в режиме генератора коллектор явл. мех. выпрямителем, преобразующим переем. ток обмотки якоря в пост. ток внеш. цепи. В режиме двигателя машина потребляет от источника пост. ток. Коллектор превращает пост. ток в перем. ток обмоток якоря, и работает мех. инвертором.
Устройство машин постоянного тока. Назначение элементов конструкции. Способы возбуждения. Машины пост. тока (рис.6.4) по конструктивному исполнению подобна обращенной синхр. машине, у кот. обмотка якоря расположена на роторе, а обмотка возбуждения - на статоре. Машины пост. тока имеет на якоре коллектор. Ее статор кроме гл. полюсов с обмоткой возбуждения содержит добавоч. полюсы для уменьшения искрения под щетками. Станина машины выполняется, как правило, литой и явл. основным несущим эл-том конструкции. На ее торцах устанавливаются подшипниковые щиты. Станина одновременно явл. магнитопроводом для создания магн. полей гл. и добавочных полюсов. Сердечники полюсов с обмотками крепятся к станине болтами. Число гл. полюсов всегда является четным. Северные и южные полюсы чередуются. Сердечники гл. полюсов (рис. 6.5) набираются из изолированных штампованных пластин холоднокатаной эл.-техн. стали. При этом снижаются потери на вихревые токи и упрощается технология их изготовления. Обмотки гл. полюсов (рис. 6.6,а) обычно разделяют на несколько катушек (секций) для улучшения их охлаждения. Катушки изготавливаются из изолированного медного провода круглого сечения. Между секциями обмотки устанавливаются дистанционные шайбы, посредством кот. образуются вентиляционные каналы. Сердечники добавочных полюсов (рис. 6.6,б) набирают из пластин холоднокатаной стали толщиной 1 мм или монолитными из полосовой стали. Катушки этих полюсов выполняются проводом прямоугольного сечения (полосовая медь). Аналогичное исполнение имеют последовательные катушки обмоток возбуждения. Сердечник якоря набирают из пластин холоднокатаной эл.-техн. стали толщиной 0,5 мм, кот. предварительно изолируются друг от друга (рис. 6.7). Затем пластины спрессовывают и сжимают нажимными шайбами в пакет, в кот. выполнены каналы для аксиальной вентиляции. При диаметре якоря до 1 м пластины выполнены как на рис. 6.8,а. При > диаметрах сердечник набирают из сегментов (рис.6.8,б). Для крепления к корпусу якоря в сегментах штампуются гнезда для соединения типа «ласточкин хвост». На наружной пов-ти сердечника якоря в пазах располагается обмотка. Она изготавливается из провода круглого или прямоугольного сечения. Обмотка сост. из отдельных якорных катушек, кот. выполняются по шаблонам. Катушки обматывают изоляционными лентами и укладывают в пазы сердечника якоря. Обмотку выполняют двухслойной. В каждом пазу укладывают одну поверх другой две стороны различных якорных катушек (рис. 6.9). Это активные части обмотки, кот. нах-ся в области действия осн. магн. поля машины. Части обмотки, выступающие за пределы сердечника, наз-ся лобовыми. Каждая якорная катушка включает в себя несколько секций, концы кот. припаивают к соответствующим коллекторным пластинам. Секции могут быть одно- или многовитковыми. Нажимные шайбы (рис. 6.1,а) выполняют роль обмоткодержателей лобовых частей обмотки якоря. Наиболее сложным и ответственным узлом машины пост. тока явл. коллектор (рис. 6.10). Он расположен на одном валу с сердечником якоря и вентилятором. Коллектор состоит из набора медных пластин трапецеидального сечения, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками. Выступающая вверх часть коллекторных пластин наз-ся «петушок». Она служит для присоединения секций обмотки якоря к пластинам коллектора. На пластинах делают фаски, чтобы уменьшить износ щеток при работе машины. Периодически выполняется «продораживание» коллектора, т.е. между рабочими пов-ми коллекторных пластин фрезеруют пазы (дорожки) на глубину до 1,5 мм. По цилиндрической части коллектора скользят щетки, кот. установлены в щеткодержателях (рис.6.11,а). Щеткодержатели укреплены на изолированных от них щёточных пальцах (рис.6.11,б). Число щёточных пальцев равно числу гл. полюсов машины. Они крепятся к траверсе. Траверса обычно крепится к подшипниковому щиту, а в мощных машинах - к станине. Предусматривается возможность поворота траверсы для установки щёток в правильное положение. Щетки (рис.6.11,в) соединяют коллектор с вн. цепью. Они изготавливаются прессовкой и термич. обработкой из порошков графита, кокса и других компонентов. При вращении якоря щетки сохраняют неизменное положение отн. полюсов машины. Давление на щетку должно быть отрегулировано. Чрезмерный нажим щетки на коллектор вызывает преждевременный ее износ, а недостаточный нажим - искрение на коллекторе. Щетки делятся на группы в зависимости от состава, способа изготовления и физических св-в. Для каждой машины следует применять щетки только установленной марки, кот. выбирается заводом-изготовителем, исходя из условий работы машины. Способы возбуждения. Катушки обмотки возбуждения всех полюсов соединяются последовательно по магн. потоку. В зависимости от их включения по отнош. к обмотке якоря машины пост. тока имеют следующую классификацию (рис.6.28): 1) машины незав. возбуждения, когда обмотка возбуждения запитана от независ. (автономного) источника или поле машины образуется пост. магнитом; 2) машины паралл. возбуждения (шунтовые), когда обмотка возбуждения включена паралл. обмотке якоря; 3) машины последов. возбуждения (сериесные), когда ток якоря явл. током возбуждения; 4) машины смеш. возбуждения (компаудные), имеющие паралл. и последов. обмотки. Такие машины имеют характеристики промежуточные между характеристиками машин паралл. и последов. возбуждения и приближаются к тем или другим в зависимости от соотношения по магнитодвижущим силам обмоток. На рис.6.28 сплошные стрелки показывают направления токов в режиме генератора, а штриховые - в режиме двигателя. Мощность, затрачиваемая на возбуждение машины, составляет 0,5-3% ее номин. мощности. Чем мощнее машина, тем эта доля меньше. Способ возбуждения влияет на св-ва машины пост. тока.
Волновые и петлевые обмотки якорей машин постоянного тока. Обмотка якоря должна удовлетворять следующим требованиям: 1) быть рассчитана на напряжение и токи нагрузки, соответствующие номин. мощности машины; 2) иметь необх. электрич., мех. и термич. стойкость; 3) иметь конструкцию, обеспечивающую удовлетворительные условия токосъема с коллектора; 4) соответствовать миним. расходу материала при заданных показателях работы машины; 5) технология изготовления обмотки должна быть по возможности простой. Обычно обмотки якоря выполняют двухслойными. При этом одна активная сторона нах-ся в нижнем слое одного паза, а другая - в верхнем слое другого паза. Различают петлевые и волновые обмотки якоря (рис. 6.12). В машинах большой мощности применяют обмотки, представляющие сочетание петлевой и волновой обмоток. Основной частью каждой обмотки является секция, состоящая из одного или нескольких последовательно соединенных витков. Концы секции присоединены к «петушкам» коллекторных пластин. Две стороны разных секций, располагаются одна над другой и образуют элементарный паз. Число пластин коллектора К равно числу секций обмотки S и числу пазов Z. Число коллекторных пластин по возможности должно быть > для уменьшения пульсаций тока и эдс. При этом уменьшается разность потенциалов между ними. Практически в низковольтных машинах пост. тока имеет место отнош. K/2p=12=35. Однако, при изготовлении якорей с > числом Z пазы получаются узкими, снижается их прочность. Изоляция обмоток занимает значительную часть сечения паза, уменьшается сечение проводников. Это ведёт к снижению мощности машины и ее удорожанию. Во избежание этого в каждом слое паза размещают рядом несколько элементарных пазов uП. В каждом слое элементарного паза располагается одна секционная сторона (рис. 6.13). Общее число элементарных пазов якоря определяется выр-нием ZЭ=uпZ=S=K (6.3). Пазовые стороны секций расположены в пазах сердечника якоря. Расст. между пазовыми сторонами секции примерно = полюсному делению τ=πDa (6.4), где Da - диаметр сердечника якоря. Секции обмоток якоря соединены последов. друг с другом и образуют замкнутую на себя цепь (рис. 6.14). В этом случае обмотка имеет одну пару (а=1) паралл. ветвей. Машина может иметь а=1,2,3,... Для обеспечения наилучших условий работы требуется, чтобы эдс всех ветвей обмотки и их сопротивления были =. В этом случае токи всех паралл. ветвей также будут равны ia=Ia/2a (6.5). Обмотка якоря считаются симметричной, если симметрична магн. цепь и все пары паралл. ветвей располагаются в магн. поле идентичным образом. При нарушении указанных требований разные ветви обмотки нагружаются различными по значению токами. Это вызывает нарушение работы щеточных контактов и рост потерь в обмотке. На схемах обмоток стороны секций, находящиеся в верхнем слое, изображаются сплошными линиями, а стороны, расположенные в нижнем слое, - штриховыми линиями. В простой волн. обмотке (рис. 6.15) концы каждой секции присоединены к пластинам коллектора. Пластины нах-ся на расстоянии, кот. наз-ся шагом обмотки по коллектору yК=(К±1)/p≈τ (6.6). В схеме рис. 6.15 у1 - первый частичный шаг, кот. определяет расст. по пов-ти якоря между нач. и конечной сторонами секции. Второй частичный шаг у2 определяет расст. между конечной стороной данной секции и нач. стороной следующей за ней секции. Результирующий шаг обмотки y=y1+y2. Число паралл. ветвей 2а=2. В простой петл. обмотке (рис. 6.16) каждая секция присоединена к двум рядом лежащим коллекторным пластинам. Результирующий шаг обмотки у=у1+у2. Шаг обмотки по коллектору ук=у=±1. Число паралл. ветвей = числу полюсов 2а=2р. Эдс, наводимые во всех паралл. ветвях петлевой обмотки, должны быть =. Однако, из-за технологических допусков в величинах возд. зазора под разными полюсами, дефектов литья в корпусе и других причин магн. потоки отдельных полюсов различаются между собой. При этом в паралл. ветвях индуцируются неодинаковые эдс. Эти эдс могут оказаться достаточными для того, чтобы по паралл. ветвям протекали уравнительные токи. Из-за малого сопротивления обмотки якоря они оказываются значительными, даже на хол. ходу машины. Уравнит. токи нагружают щетки и вызывают искрение на коллекторе. Поэтому в петлевых обмотках выполняются уравнительные соединения точек обмотки, кот. имеют теоретически равные потенциалы. Уравнительные соединения располагают обычно под лобовыми частями обмотки рядом с коллектором. При этом они нах-ся вне магн. поля гл. полюсов и эдс в них не наводятся. Токи, проходящие по уравнит. соединениям, создают магнитодвижущие силы, кот. уменьшают неравенство магн. потоков отдельных полюсов. Схема простой петлевой обмотки показана на рис. 6.17. Уравнит. соединения для простой волн. обмотки не требуется. У таких обмоток в каждую паралл. ветвь входят секции, стороны кот. расположены под всеми полюсами. При этом неравенство потоков отдельных полюсов не вызывает неравенства эдс в паралл. ветвях. Схема простой волн. обмотки показана на рис. 6.18. Простые петл. обмотки применяются в машинах с мощностями 50 - 500 кВт при напряжении до 440 В и большой мощности при напряжении до 600 В. При этом уменьшается величина тока в паралл. ветви. В мощных машинах этот ток не должен превышать опред. значений. При этом по (6.5) с увеличением мощности и тока машины увеличивают число полюсов. Простые волновые обмотки используются в машинах малой и ср. мощности (до 200 - 300 кВт) при напряжениях 750 В и выше. В машинах мощностью более 1000 кВт применяют сложные петлевые и волн. обмотки, а также обмотки комбинированного типа.
Эдс якоря и электромагнитный момент машин постоянного тока. При вращении якоря в магн. поле в его обмотке наводится эдс. Она осуществляет связь между эл. и мех. системами, т.е. между отдачей энергии машиной и ее потреблением. В генераторном режиме под действием эдс во внешней цепи протекает ток. В двигательном режиме противоэдс уравновешивает > часть приложенного напряжения сети. Эдс обмотки якоря рассчитывают по закону эл.-магн. индукции. При этом для одного проводника ср. знач. эдс определяется выр-нием eср=Bδсрlv (6.7), где v – окр. скорость якоря: v=πDan/60=2pτn/60 (6.8). Выр-ние (6.7) с учетом (6.8) примет вид eср=Bδсрlτ2pn/60=2pnФ/60, где Ф - поток на полюс (полезный поток). Обмотка в общем случае состоит из N активных проводников и содержит 2а паралл. ветвей, т.е. в каждой паралл. ветви последовательно соединено N/2a проводников (рис. 6.19). Эдс обмотки якоря при этом равна Eа=eсрN/2a=2pnФ/60·N/2a=pNnФ/60a=CenФ (6.10), где Сe=pN/60a - конструктивная постоянная для машины данного исполнения. Если считать, что частота вращения n=30ω/π, то (6.10) будет Ea=30ωpNФ/60aπ=pNωФ/2aπ=CмωФ (6.11), где См=pN/2aπ. Эл.-магн. момент определяют на основе закона эл.-магн. взаимодействия магн. поля и проводника с током. Для одного проводника на пов-ти якоря эл.-магн. сила равна Fср=Bδсрlia=BδсрlIa/2a (6.12), где Ia - ток во внеш. цепи по отнош. к якорю. Mср=FсрDa/2 (6.13). Если на полюсном делении — проводников (рис. 6.19), то суммарный эл.-магн. момент с учетом (6.8), (6.9) и (6.12) определяется выр-нием M=NFср/2p·Da/2=pNФIa/2aπ=СмФIa (6.14). Выр-ния (6.11) и (6.14) исп. в теории ЭП. Они справедливы как для генератора, так и для двигателя. В генераторном режиме ток в обмотке якоря совпадает по направлению с эдс, а момент является тормозным. В двигат. режиме эдс направлена встречно относ. тока в обмотке якоря, а момент явл. вращающим. Эл.-магн. мощность можно представить как РЭМ=ЕаIа=Мω0 (6.15), где ω0 — угловая скорость идеального хол. хода. Зубцы пазов, в кот. уложена обмотка якоря, снижают магн. поле в них. При этом уменьшаются эл.-магн. силы, кот. действуют непосредственно на проводники с током, а силы, приложенные к зубцам, возрастают.
Реакция якоря машины постоянного тока. В машине пост. тока при работе в нагрузочном режиме сущ-вуют поля обмотки возбуждения и обмотки якоря. Эти поля взаимодействуют между собой и оказывают наиб. влияние на эксплуатационные св-ва машины. Линия, кот. условно проходит между гл. полюсами, назыв. геом. нейтралью. Вдоль этой линии индукция магн. поля машины В=0. При вращении якоря часть секций его обмотки оказывается замкнутой накоротко через щётки. В этих секциях эдс должны быть минимальными и не вызывать большие токи. Они должны находиться на геом. нейтрали или как можно ближе к ней. Установка щеток на геом. нейтраль осуществляется по схеме рис.6.20. В цепь возбуждения машины ОВ подаются импульсы напряжения от ист. пост. тока GB. Ток возбуждения IВ=(0,05-1)IВН ограничивается реостатом R и контролируется амперметром А. При замыкании и размыкании ключа К наблюдают за показаниями стрелки милливольтметра mV. При нейтральном положении щёток стрелка милливольтметра будет неподвижна или отклоняться незначительно. На рис.21,а поле обмотки возбуждения симметрично относительно оси полюсов. В невозбужденной машине (рис.21,6) по обмотке якоря протекает ток, создающий собственное магн. поле. Оно симметрично отн. геом. нейтрали (линия 1-1). На рис.22 представлен режим работы под нагрузкой. Магн. поле явл. результатом взаимодействия пост. тока при положении магнитодвижущих сил обмоток возбуждения FB и якоря Fa. Воздействие магнитодвижущей силы якоря Fa на магн. поле машины наз-ся реакцией якоря. В результате взаимодействия этих полей обоих обмоток возникает эл.-магн. момент. На рис.21,6 ток в обмотке якоря создаёт магн. поле поперечной реакции якоря. При работе машины в нагруз. режиме она вызывает ослабление поля под одним краем полюса и усиление под другим (рис.22). Вследствие этого ось результирующего поля поворачивается в генераторе по направлению вращ. якоря, а в двигателе - в противоположную сторону. Линия, где индукция магн. поля машины B=0, наз-ся физич. нейтралью (2-2). Увеличение нагрузки приводит еще большему ее смещению. Поперечная реакция якоря всегда искажает распределение поля в зазоре. Она вызывает уменьшение потока гл. полюсов, т.е. имеет размагничивающий характер. При насыщении магн. цепи машины, малом воздушном зазоре и > токе нагрузки Ia искажение поля и размагничивание проявляются сильнее. Если щётки установлены на оси полюсов, то поле якоря действует вдоль этой оси и наз. полем продольной реакции якоря (рис. 6.23). В зависимости от направления тока в якоре оно оказывает на поле полюсов размагничивающее или намагничивающее действие. Эл.-магн. момент в результате взаимодействия этих полей не возникает. Обычно щётки сдвинуты с геом. нейтрали на угол β=0-90°эл. Для двухполюсной машины (рис. 6.24) поверхность якоря можно разбить на две пары симметричных секторов - аб, вг и аг, бв. Токи первой пары секторов задают поле поперечной, а токи второй пары - поле продольной реакции якоря. При повороте щёток генератора в направлении вращения и щёток двигателя против направления вращения возникает размагничивающая продольная реакция якоря. Она вызывает уменьшение потока гл. полюсов машины. Сдвиг щёток в обратном направлении вызывает намагничивающую продольную реакцию якоря. Поток гл. полюсов возрастает.
Причины искрения на коллекторе машины постоянного тока. Способы улучшения коммутации. При работе машины пост. тока щетки и коллектор образуют скользящий контакт. В результате возникает искрение на коллекторе. Причины искрения разделяют на мех., потенциальные и коммутационные. Мех. причины обусловлены нарушением эл. контакта между щеткой и коллектором (слабое прижатие щеток к коллектору, его негладкая поверхность, загрязненность пов-ти и т.д.). Потенциальные причины искрения вызваны проявлением реакции якоря. В секциях якорной обмотки индуктируются эдс, кот. отличаются друг от друга. Это приводит к увеличению сверх допустимого значения напряжения между соседними коллекторными пластинами (16-20 В). Промежутки между коллекторными пластинами перекрываются дугами, кот. постепенно сливаются в круговой огонь. Возникает перекрытие коллектора, приводящее к его износу. Коммутационные причины искрения возникают при физических процессах в машине и связаны с переходом секций обмотки якоря из одной паралл. ветви в другую. Согласно стандартам искрение на коллекторе оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки. Коммутация считается хорошей, если искрение незначительно. Неудовлетворительная коммутация возникает из-за добавочного тока коммутации iдоб=(eр+eвр)/rщ (6.16), где eр - реактивная эдс, индуцируемая в коммутирующих секциях за счет взаимной индуктивности и явления самоиндукции секций; евр - эдс вращения, наводимая в коммутирующих секциях магн. индукцией в зоне коммутации Вк за счет реакции якоря; rщ - электрическое сопротивление щетки току ido6. Для улучшения коммутации машины необходимо уменьшить величину добавочного тока коммутации. Это достигается: 1) выбором щеток; 2)уменьшением реактивной эдс ер в коммутирующих секциях; 3)компенсацией магнитодвижущей силы реакции якоря по геом. нейтрали и оси полюсов; 4)смещением щеток с геом. нейтрали. Щетки выбираются в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя. От типа щеток, их вольтамп. характеристик зависит скорость протекания коммутационных процессов. Улучшение коммутации определяется также политурой коллектора - тонкой оксидной пленкой на поверхности коллектора, обладающей повышенным эл. сопротивлением. Уменьшение реактивной эдс ер в коммутирующих секциях достигается применением обмоток с укороченным шагом (у1<τ), сокращением числа витков в секциях обмотки якоря, использованием щеток шиной не более чем в 2-3 коллекторных деления. Улучшения коммутации по геом. нейтрали достигается установкой добавочных полюсов (рис. 6.25). Добавочные полюса устанавливаются между гл. полюсами в машинах мощностью свыше 1 кВт. Их число = числу гл. полюсов или меньше в 2 раза. Магнитодвижущая сила добав. полюсов FДП направлена против магнитодвижущей силы поперечной реакции якоря Faq. При этом требуется не только компенсация Faq, но и создание коммутирующего поля ВK для компенсации реактивной эдс ер. Обмотка добав. полюсов включается последовательно встречно с обмоткой якоря. Компенсация величин FДП и еp, зависящих от тока нагрузки, происходит автоматически. За гл. полюсом данной полярности по направлению вращения якоря в режиме генератора должен следовать добавоч. полюс противоположной полярности, а в режиме двигателя - добавочный полюс той же полярности (рис. 6.26). Для уменьшения рассеяния обмотку добавочных полюсов размещают как можно ближе к якорю. Добавочные полюсы обеспечивают удовлетворительную коммутацию в машине при нагрузках не превышающих номинальную. При перегрузке машины происх. насыщение магн. цепи этих полюсов и коммутация ухудшается. В мощных быстроходных машинах пост. тока, кот. работают в режиме интенсивных нагрузок, применяется компенсационная обмотка (рис. 6.25). Она предназначена для компенсации поля якоря под гл. полюсами машины. Компенсационная обмотка расположена на пов-ти гл. полюсов в пазах, обращенных к якорю, и включена последовательно встречно с его обмоткой. Магн. поле гл. полюсов машины практически не зависит от ее нагрузки. В машинах до 1кВт без добавоч. полюсов улучшение коммутации достигается смещением щеток с геом. нейтрали по ходу вращения у генератора и против хода вращения у двигателя. Этот способ улучшения коммутации применим в нереверсируемых ЭМ, работающих с неизменной нагрузкой. Для снижения влияния помех на электрическую сеть из-за коммутации используют проходные конденсаторы. Процессы коммутации в машинах пост. тока сложны. Для их исследования применяются теоретический анализ и различные экспериментальные методы. При отклонении коммутации от прямолинейной токи в коммутируемых секциях создают доп. реакцию якоря, кот. наз-ся коммутационной. В генераторном режиме при прямолинейной коммутации размагничивающее и подмагничивающее действие коммутируемой секции одинаково (рис. 6.27,а). В среднем за период коммутации эта реакция якоря не проявляется. При замедленной коммутации (рис. 6.27,6) длительность размагничивающей силы реакции якоря > длительности намагничивающей реакции якоря. Результирующая коммутационная реакция якоря получается размагничивающей. При ускоренной коммутации (рис. 6.27,в) - коммутационная реакция якоря намагничивающая. В двигат. режиме эти процессы носят обратный характер.
Генераторы постоянного тока независимого возбуждения. Основная группа характеристик. Генератор незав. возбуждения. Характеристика хол. хода показана на рис. 6.29. Она имеет форму кривой намагничивания. Кривизна характеристики определяется насыщением магн. системы машины. Неоднозначность при увеличении и уменьшении тока возбуждения объясняется явлением гистерезиса. Генератор обычно проектируют так, чтобы точка N, соответствующая его номин. напряжению, находилась на изломе кривой намагничивания. Ниже точки N эдс генератора неустойчива, а выше - снижается эффективность его регулирования. Эдс Еост составляет 2-3% номин. напряжения. Она явл. следствием остаточной намагниченности магнитопровода. Характеристика хол. хода позволяет определить соответствие расчетных и опытных данных. Она явл. основной при исследовании эксплуатационных св-в машины. Внеш. характеристика снимается при пост. токе возбуждения IВ. Рост тока нагрузки Ia приводит к снижению напряжения Ua на зажимах якоря генератора (рис. 6.30). Это происх. под действием размагничивающей поперечной реакции якоря и падения напр. на внутр. сопротивлении машины raΣ. Чем больше величина rа, тем более круто падающей будет внеш. характеристика и больше значение ΔuН%. Регулировочная характеристика (рис.6.31) показывает, как надо изменять ток возбуждения, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось постоянным. С увеличением тока нагрузки Iа растет размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения на raΣ. Для компенсации их влияния ток возбуждения IВ увеличивают. Чем > величина rа, тем > величина изменения этого тока. Она составляет 15 - 25% его номин. значения. Величина ΔuН%=5-10%. Разница объясняется насыщением магн. цепи машины. Для получения характеристики корот. замыкания обмотку якоря закорачивают. Ток в ней доводят до значения 1,2-1,25IaH. Ток в обмотке возбуждения при этом относит. мал. Магн. цепь машины не насыщена. Характеристика практически прямолинейна. Она аналогична по виду характеристике корот. замыкания синхр. машины (рис. 5.15) и не проходит через начало координат вследствие остаточного намагничивания стали магнитопровода генератора при IВ=0. Нагрузочная характеристика 1 (рис. 6.32) проходит ниже характеристики хол. хода 2. Разность ординат этих кривых объясняется действием размагничивающей поперечной реакции якоря и падения напряжения на внутр. сопротивлении машины raΣ. Влияние этих факторов можно оценить с помощью характеристического треугольника ABC. Внутр. характеристика машины (кривая 3) Ea=f(IB) при Ia=const. Отрезок BD соответствует току возбуждения, кот. обеспечивает номин. реж. работы. Отрезок BD - эдс в этом режиме. Отрезок CD характеризует падение напряжения на внутр. сопротивлении генератора IaraZ. Эдс в режиме хол. хода (отрезок AF) обеспечивается меньшим током возбуждения (отрезок OF). Избыток тока возбуждения (отрезок FD) необходим для компенсации размагничивающего действия реакции якоря. С помощью характеристики хол. хода и характеристического треугольника можно построить внеш. и регулировочную характеристики.
Генераторы постоянного тока параллельного возбуждения. Основная группа характеристик. Генератор паралл. возбуждения. В магн. цепи существует остаточный магн. поток Фост=(0,02-0,03)ФН. Если якорь вращать в остаточном магн. поле, то в его обмотках наводится эдс Еост. Под действием этой эдс в замкнутом контуре возникает ток возбуждения, кот. образует добавочный магн. поток. Если этот поток действует согласно с остаточным потоком, то результирующий магн. поток возрастает и происх. самовозбуждение. Процесс самовозбуждения может развиваться только в одном направлении. Поэтому характеристика хол. хода генератора паралл. возбуждения может быть построена только в одном квадранте (рис.6.33). Расчетные характеристики хол. хода у генераторов независ. и паралл. возбуждения практически одинаковые. Ток возбуждения IВ составляет всего несколько процентов от тока нагрузки Iа и не оказывает существенного влияния на действие реакции якоря и падение напряжения IаrаΣ. Внеш. характеристика генератора паралл. возбуждения показана на рис. 6.34. Снижение напряжения на выводах якорной обмотки происх. не только из-за влияния падения напряжения внутри машины и размагничивающего действия реакции якоря, но и из-за снижения тока возбуждения IВ=Ua/Rb. После значения тока нагрузки Iаmах напряжение Ua уменьшается. Магн. цепь машины становится менее насыщенной. В результате незначительное уменьшение тока возбуждения вызывает ещё > уменьшение магн. потока, эдс якоря и тока Iа. Величина ΔuН% >, чем при независ. возбуждении. Значение тока IК уст наз. установившимся током кор. замыкания. Характеристики регулировочная, нагрузочная и кор. замыкания снимаются аналогично указанным характеристикам генератора незав. возбуждения.
Генераторы постоянного тока последовательного и смешанного возбуждения. Основная группа характеристик. Генераторы последоват. возбуждения и смешан. возбуждения. Генератор последоват. возбуждения практически не используется для выработки эл.-эн., поскольку у него Iа=Iв. В процессе самовозбуждения наступает насыщение магн. цепи. Действие реакции якоря и падение напряжения IaraΣ приводят к снижению напряжения Uа. Генераторный режим машин посл. возбуждения используется на электрифицированном транспорте. Обмотку возбуждения подключают к независимому источнику. В генераторе смешан. возбуждения осн. роль играет паралл. обмотка возбуждения. Она создает 60-85% магнитодвижущей силы, необходимой для возбуждения. Последовател. обмотка возбуждения предназначена для формирования желаемых внеш. характеристик и чаще всего включается согласно с обмоткой якоря машины. В режиме хол. хода последовательная обмотка возбуждения не задействована. При этом характеристика холостого хода аналогична характеристике генератора паралл. возбуждения. Внеш. и регулировочные характеристики генераторов с различными схемами возбуждения показаны на рис. 6.35. Генератор смешанного согласного возбуждения имеет наиболее благоприятную внеш. характеристику.
Параллельная работа генераторов постоянного тока (на примере машин независимого и смешанного возбуждения). Парал. работа генераторов на общую нагрузку позволяет снизить установленную мощность каждого из них. Она также необходима для обеспечения бесперебойного питания обмоток возбуждения синхр. машин, в транспортных средствах и т.д. в случае вывода генератора в ремонт. Резервирование организуется путем перевода нагрузки с одного генератора на другой. При паралл. работе можно используются генераторы независимого, паралл., смешан. возбуждения близкие друг другу по мощности и одной и той же системой возбуждения. Требуется соблюдать следующие условия: 1)при включении генераторов на паралл. работу не должно возникать значительных бросков тока, кот. могут вызвать нарушения в работе генераторов и сети; 2)генераторы требуется нагружать по возможности равномерно, пропорционально их номин. мощности. На рис. 6.36 показана схема паралл. работы генераторов независ. возбуждения. Подключаемый к сети генератор приводят во вращение с номин. скоростью и возбуждают до нужного напряжения. При включении генераторов на паралл. работу полярность напряжений должна быть одинаковой и U1≈U2. Если полярность не соблюдается, то возникает аварийный режим, поскольку между генераторами протекает значительный уравнительный ток даже на хол. ходу. Чем < величина ΔU=U1-U2, тем < бросок тока при включении генератора на общие шины. При паралл. работе генераторов напряжения их напряжения равны напряжениям на шинах нагрузки U: U=E1-Ia1raΣ1=E2-Ia2raΣ2 (6.20), где E1=Ce1ω1Ф1; E2=Ce2ω2Ф2. Чтобы изменить нагрузку на одном из генераторов надо изменить эдс Еа1 или Еа2. Для этого чаще всего регулируют ток возбуждения. При увеличении Е2 надо уменьшить Е1 для выполнения условия U=const. Если требуется разгрузить генератор 1 и передать его нагрузку генератору 2, то снижают IВ1 и одновременно повышают IВ2 до тех пор, пока ток I1 не станет равным нулю. После этого генератор 1 отключают от сети. Снижать IВ1 требуется плавно, поскольку резкое его снижение может привести к тому, что E1<U. Генератор 1 перейдёт в двигат. режим и это может привести к выходу из строя приводного агрегата. Согласно (6.20) при паралл. работе должны быть равным эдс генераторов. Поэтому на общую нагрузку R (рис. 6.36) могут включаться генераторы с разл. числом полюсов и частотами вращения. При паралл. работе желательно иметь одинаковые внеш. характеристики генераторов. Если характеристики отличаются друг от друга, то генераторы загружены неравномерно. Перегружается генератор, имеющий более жесткую внеш. характеристику (рис. 6.37). Чтобы выровнять в этом случае нагрузки надо увеличить ток возбуждения генератора 1. При включении на паралл. работу генераторов разл. мощности необх., чтобы внеш. характеристики, построенные в относительных единицах, были приближены друг к другу. В работе генераторов независимого и паралл. возбуждения нет существенных отличий. Генераторы смешан. возбуждения включаются на паралл. работу по схеме рис. 6.38. При согласном включении последовательной обмотки возбуждения требуется устанавливать уравнительную перемычку аб. Это делается для того, чтобы при случайном изменении тока одного генератора не допустить его перегрузки, а также не допустить разгрузки второго генератора. Тем самым предотвращается возможность перехода второго генератора в двигат. режим. Благодаря перемычке аб случайное приращение тока якоря одного из генераторов разделится между последовательными обмотками возбуждения и вызовет увеличение эдс обоих генераторов.
Двигатели постоянного тока. Основная группа характеристик. Условия получения. Графическое представление. Двигатели пост. тока мощностью от единиц ватт до тысяч киловатт применяются в ЭП, где требуется плавное регулирование частоты вращения, большие пусковые моменты, устойчивость к перегрузкам (прокатные станы, мощные экскаваторы, электротранспорт и др.). Для двигателей пост. тока уравнение напряжений будет Ua=Ea+IaRa+ΔUщ (6.21). Можно принять, что ΔUщ≈0, тогда ток якоря Ia=(Ua-Ea)/Ra (6.22). Эл.-магн. момент двигателя пост. тока М=СмФIа=9,55Pэм/n (6.23). Полезный момент двигателя (момент на валу) М2=М-М0=9,55P2/n=9,55P1η/n=9,55P1/n·(1-ΔpΣ/P1) (6.24) где М0 - момент хол. хода; Р2 и P1 полезная и полная мощности двигателя. Частота вращения якоря двигателя определяется по формуле ω=(Ua-RaIa)/CмФ=ω0-Δω (6.25). Зависимость (6.25) наз-ся эл.-мех. характеристикой двигателя пост. тока. Уравнение мех. характеристики получается совместным решением (6.23) и (6.25): ω=Ua/СмФ-RaM/(CмФ)2=ω0-Δω. Величина Ua/СмФ в зависимостях (6.25) и (6.26) наз-ся частотой вращения идеального хол. хода. Изменение частоты вращения Δω равно RaIa/CмФ по (6.25) и RaM/(CмФ)2 по (6.26). Характеристика, полученная при номинальных напряжениях на обмотках якоря и возбуждения, а также при отсутствии добавочных сопротивлений в цепи якоря, наз-ся естественной. Если изменен хотя бы один из перечисленных параметров, то характеристику наз-ют искусственной. Кроме эл.-мех. и мех. характеристик рабочие св-ва двигателя пост. тока оцениваются по: 1) пусковым характеристикам, к кот. относятся кратность пускового тока Iпуск/Iан и момента Мпуск/Мн, время пуска двигателя, характер пуска (плавный, ступенчатый); 2) рабочим характеристикам Ia,ω,M,η,P1=f(P2) при условиях Ua=const =Uaн, полное сопротивление цепи якоря Ra=raΣ; 3) регулировочным характеристикам, к кот. относятся диапазон регулирования ωmax/ωmin, характер регулирования (плавный, ступенчатый). Рабочие характеристики для двигателя пост. тока паралл. возбуждения показаны на рис.6.39.
Способы регулирования скорости двигателей постоянного тока независимого и параллельного возбуждения. Электромеханические и механические характеристики. Эти двигатели обладают практически равными регулировочными возможностями по скорости (в отношении изменения величин Ra и Ф). Регулирование скорости изменением напряжения Uа применяется только для двигателей независимого возбуждения. При этом у двигателей паралл. возбуждения изменяется поток возбуждения Ф и их скорость меняется незначительно. Регулирование скорости двигателя независ. возбуждения вниз от номинальной осуществляется уменьшением величины Uа. Для этой цели исп-ся полупроводниковые преобразователи. При этом чаще всего Ra=raΣ и Ф=const. Из (6.25) и (6.26) следует, что изменение скорости Δω от напряжения не зависит. Эл.мех. и мех. характеристики двигателя качественно не отличаются друг от друга (рис. 6.40). Повышение напряжения Ua для регулирования частоты вращения якоря приводит к насыщению магн. системы двигателя и росту потерь. Такое регулирование нецелесообразно. Увеличение сопротивления цепи якоря Ra ведет к снижению скорости двигателя. Данный способ не является экономичным, поскольку возрастают потери в добавочном сопротивлении rдоб, однако он применим из-за простой схемной реализации. На рис. 6.41 представлена схема реостатного пуска двигателя независимого возбуждения в три ступени. Здесь Л - линейные контакторы; k1, k2, k3 - контакторы ускорений; Ra1, Ra2, Ra3 - сопротивления цепи якоря двигателя на соответствующих ступенях; UBH – номин. напряжение обмотки возбуждения ОВД; r1, r2, r3 - сопротивления соответствующих ступеней; ОДП и КО - обмотки добавоч. полюсов и компенсационная. Расчет величин пусковых сопротивлений данной схемы проводится аналитическим методом. Реостатный пуск двигателя предполагает равенство пусковых токов Iпуск1 и переключающих токов Iпуск2 на всех ступенях пуска. Значение Iпуск1 находят по (6.27), а Iпуск2=Iпуск1/λ. λ=n√(Ra1/raΣ) (6.28), где n - число пусковых ступеней; Ra1=UaH/Iпуск1 – полное сопротивление цепи якоря. Сопротивление двигателя гаΣ, приведенное к рабочей температуре обмоток, нах-ся по формуле raΣ=[ra+rОДП+rКО+rщ]kθ где kθ - температурный коэф.; rа - сопротивление обмотки якоря; rОДП - сопротивление обмотки добавоч. полюсов; rКО - сопротивление компенсационной обмотки; rщ=2/IaH – сопротивление щеточных контактов. Температурный коэф. для меди при рабочей температуре обмоток 75 С0 рассчитывается как kθ=310/235+θ1 (6.30), где θ1 - температура окр. среды, при кот. измерены сопротивления обмоток. Реостатный пуск осуществляется при выполнении условия Iпуск2>1,2Iс. Если данное условие не выполняется, то число ступеней n увеличивается на единицу и расчет повторяется. Полные сопротивления якорной цепи нах-ся {Ra3=λraΣ; Ra2= λRa3=λ2raΣ; Ra1=λra2= λ3raΣ} (6.31). Сопротивления пусковых ступеней: {r3=raΣ(λ-1); r2=λr3=λraΣ(λ-1); r1=λr2=λ2raΣ(λ-1)} (6.32). Пример построения эл.-мех. характеристик реостатного пуска при заданном кол-ве ступеней показан на рис. 6.42. Мех. характеристики имеют аналогичный вид. В нек-рых управляемых ЭП металлургического производства (клети прокатных станов, моталки, летучие ножницы и др.) регулирование скорости двигателей независ. возбуждения осуществляется в двух зонах. В 1 зоне изменяется подводимое к цепи якоря напряжение Uа и скорость двигателя меняется в соответствии рис. 6.40. Во 2 зоне, как правило, при Ra=raΣ и Uа=const, она регулируется изменением потока возбуждения двигателя Ф. Данный способ позволяет регулировать скорость двигателя как вниз, так вверх от ее номинального значения. Согласно (6.25) и (6.26) скорость идеального хол. хода ω0~1/Ф. Изменение скорости Δω на мех. характеристике >, чем на эл.-мех. (рис. 6.43). Ток IКа характеризует кор. замыкание якорной цепи двигателя при ω=0. Он не зависит от величины магн. потока и определяется только сопротивлением якоря.
Способы регулирования скорости двигателей постоянного тока последовательного и смешанного возбуждения. Электромеханические и механические характеристики. При последовательном соединении обмоток якоря и возбуждения магн. поток двигателей последоват. возбуждения зависит от нагрузки, т.е. тока якоря Iа. Если пренебречь насыщением магн. цепи, то можно считать, что Ф=kla=klB, k≈const. Эл.-магн. момент при этом М=AI2a, А=const. =>, двигатели последоват. возбужд. развивают гораздо > пусковой момент, чем двигатели с паралл. возбуждением при тех же токах нагрузки, и имеют < габаритные размеры. Поскольку у двигателя с последоват. возбуждением ω~1/Ф~1/Ia~1/√M, то мощность на его валу Р2=ωМ~√M. Для двигателя с паралл. возбуждением Р2~М. Двигатели с последоват. возбуждением характеризуются изменением мощности в меньших пределах, чем двигатели с паралл. возбуждением при одинаковом изменении момента. Они применяются на эл.-транспорте в кач-ве тяговых двигателей при тяжелых условиях пуска и изменяющемся в широких пределах моменте нагрузки. Двигатели с последовательным возбуждением следует запускать при нагрузке не менее 25% номинальной. Это связано с тем, что при малых токах якоря скорость хол. хода значительно возрастает, что может привести к «разносу» двигателя. Расчет мех. характеристик двигателя последоват. возбуждения проводится по универсальным естественным характеристикам. Они строятся в относит. единицах тока I*=Ia/IaH, момента M*=M/MH, частоты вращения в режиме естественной мех. характеристики ω*=ne/nH. Скорость регулируется теми же способами, что и у двигателей независимого и паралл. возбуждения. Естественная характеристика двигателя последоват. возбуждения получается при Uа=const=UaH; Ia=IB; Ra=raΣ. До номинального значения тока якоря магн. цепь машины насыщена незначительно. С увелич. тока Iа растет магн. поток, скорость двигателя уменьшается. При значениях тока, превышающих номинальные, магн. цепь насыщается, поток и скорость стабилизируются. Естественная эл.-механическая характеристика строится с использованием универсальных характеристик в следующем порядке: 1)задаются значениями тока I* в установленном диапазоне; 2)по универсальной характеристике определяются относит. значения частоты вращения n*; 3)рассчитывают значения тока и скорости в абсолютных единицах; 4)строят естественную эл.-мех. характеристику по вычисленным значениям частоты вращения ω и тока Iа. Регулирование скорости двигателя изменением напряжения Ua, подводимого к якорной цепи, осуществляется вниз от номин. значения (рис. 6.44). Характеристики параллельны и располагаются одна под другой в области Ia≥IaH. Схема реостатного пуска двигателя последоват. возбуждения в три ступени приведена рис. 6.45. Величины пусковых сопротивлений рассчитываются графо-аналитическим методом лучевой диаграммы (рис. 6.46). После построения естественной характеристики двигателя задаются токами переключения Iпуск1, Iпуск2>1,21Iс. При этом Ic=I*CIаН. Значение тока, соответствующего нагрузке на валу двигателя I*C, определяется с помощью универсальной характеристики по значению момента нагрузки M*C=MC/MH=MCωH/PH. Полное сопротивление силовой цепи при неподвижном якоре для пускового тока Iпуск1 равно RaΣ=UaH/Iпуск1. Предполагается, что при заданном кол-ве ступеней значения токов Iпуск1, Iпуск2 будут неизменными. Для тока Iпуск2 аналитическим путем определяем частоту вращения двигателя на искусственной характеристике ωИ (точка b) при полностью введенном сопротивлении добавочного резистора ωИ=ωe·(UaH-Iпуск2RaΣ)/(UaH-Iпуск2raΣ) (6.33), где ωе - частота вращ. двигателя на естественной характеристике притоке Iпуск1, raΣ - сопротивление двигателя по (6.29). Для токов Iпуск1 и Iпуск2 обозначаются буквами g, h и a, b точки естественной и искусственной характеристик при введенном полном сопротивлении пускового резистора; через точки g - h и а - b проводятся прямые до пересечения в точке t. Проводя лучи из точки t, строятся пусковые характеристики cd, ef. Полное сопротивление пускового резистора rдо6=RaΣ-rаΣ. Сопротивления пусковых ступеней {r1=acraΣ/da; r2=ceraΣ/da; r3=edraΣ/da} (6.35). Если при построении пусковых характеристик значение тока Iпуск1 на последней ступени отличается от значений на предыдущих ступенях, то требуется задаться иным значением тока переключения Iпуск2 и вновь построить характеристики. Изменением магн. потока Ф возможно регулирование скорости двигателя вверх и вниз от ее номин. значения. При этом возможно получение скорости идеального хол. хода ω0. При шунтировании только обмотки возбуждения магн. поток ослабляется (IВ<Iа). Характеристика ложится выше естественной, опасность «разноса» возрастает. Если зашунтировать только обмотку якоря, то IВ>Iа. Это равноценно усилению магн. потока машины. Характеристика ложится ниже естественной. Появляется скорость идеального хол. хода ω0, поскольку при Iа=0 поток Ф≠0 (рис. 6.47). Мех. характеристики двигателей с последоват. возбуждением также описывают гиперболу (ω~1/√M). Обмотки возбуждения двигателей смешан. возбуждения включаются согласно, чтобы их магнитодвижущие силы были направлены в одну сторону. Встречное включение обмоток недопустимо, поскольку при нагрузке двигателя последовательная обмотка возбуждения будет размагничивать магн. систему двигателя, и его работа станет неустойчивой. Двигатели смешан. возбуждения применяются там, где требуется повышенный пусковой момент, высокое ускорение, устойчивость к перегрузкам. Наличие двух обмоток возбуждения увеличивает, габариты, массу и стоимость двигателей смешан. возбуждения по сравнению с двигателями независимого и последовательного возбуждения. Характеристика будет мягче (3), чем у двигателя с паралл. возбуждением (1), но более жёсткая, чем у двигателя с последоват. возбуждением (2). Скорость регулируется в основном так же, как и у двигателя с паралл. возбуждением. Двигатели со смешанным возбуждением применяются при условиях, когда требуется большой пусковой момент, значительное изменение скорости вращения при изменении нагрузки в широких пределах.
Испытания, эксплуатация и ремонт машин постоянного тока. Для машины постоянного тока программа приемо-сдаточных испытаний предусматривает следующие операции: 1) измерение сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса машины и между обмотками, измерение сопротивления постоянному току в практически холодном состоянии; 2) испытание машины при повышенной частоте вращения; 3) испытание изоляции обмоток на электрическую прочность относительно корпуса машины и между обмотками, а также электрическую прочность межвитковой изоляции обмоток; 4) определение тока возбуждения генератора или частоту вращения двигателя при холостом ходе; 5) проверка коммутации при номинальной нагрузке и кратковременной перегрузке по току (для машин мощностью свыше 500 кВт допускается проводить это испытание в режиме короткого замыкания); 6) определение внешней характеристики генератора или механической характеристики двигателя, а также регулировочную характеристику генератора или двигателя; 7) испытание машины на нагревание; 8) определение области безыскровой работы (для машин с добавочными полюсами) и коэффициента полезного действия; 9) измерение вибрации и уровня шума. До начала испытаний машин постоянного тока проверяется правильность соединений обмоток машины и состояние коллектора, проверка правильности соединения обмоток между собой в собранной и подготовленной к испытанию машине заключается в определении правильного обозначения начал и концов всех обмоток и их соединения между собой. Для генератора и двигателя началом обмотки якоря считается та часть обмотки, которая соединена со щетками той же полярности, к которой присоединен положительный провод сети. Щетки на коллекторе обычно располагают примерно против середины главных полюсов. Правильность соединения обмоток проверяется следующим образом: 1) при сохранении направления вращения машины при переходе от двигательного режима работы к генераторному и обратно ток якоря и в обмотках последовательной цепи должен изменить направление, а в обмотках параллельного или независимого возбуждения сохранить направление; 2) при изменении направления вращения и сохранении режима работы машины (генератор или двигатель) ток должен изменить направление или в последовательной цепи, или в обмотках параллельного или независимого возбуждения. Важной и ответственной операцией является проверка состояния поверхности коллектора до начала испытания машины или в процессе испытаний. Поверхность коллектора должна иметь правильную цилиндрическую форму, коллектор не должен создавать биения щеток (эксцентричность при неправильной центровке, обточке коллектора, выступания или провала отдельных пластин). Между пластинами коллектора не должно быть грязи, стружки, пыли и т.п. Эксплуатация двигателей связана с местом их установки. Подготовка к пробному пуску включает в себя: 1) внешний осмотр составных частей двигателя, проверка маркировки выводов; 2) проверка свободного вращения вала «от руки» (якорь должен сделать несколько оборотов); 3) проверка присоединения заземляющих проводов; 4) измерение электрической изоляции обмоток (не менее 0,5 МОм в низковольтных машинах) и при необходимости сушка машины. При пробном пуске двигатель включают в сеть на несколько секунд, обращают внимание на направление вращения (соответствие паспортным данным), отсутствие посторонних шумов, состояние защитных устройств. Если никаких признаков неисправности не обнаружено, то пуск в режиме холостого хода повторяют на более продолжительное время. Проводится измерение тока холостого хода и сравнение результатов измерения с паспортными данными. Эксплуатационный режим вводится после монтажа машины, ее соединения с механизмом, проверки центровки валов. Обслуживание двигателей заключается в контроле за их состоянием (температурой нагрева, отклонениями от нормы питающего напряжения, перегрузкой, состоянием подшипников, искрением под щетками и т.д.).
Трансформаторы. Общие сведения. Классификация. Устройство и принцип действия. Трансформатор - статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования (трансформации) электроэнергии переменного тока с одним напряжением в электроэнергию переменного тока с другим напряжением при неизменной частоте. Трансформаторы, которые служат для преобразования энергии переменного тока в электрических сетях энергетических систем (на электростанциях, промышленных предприятиях, городских сетях и т.д.), называют силовыми. Они представляют наиболее распространенный и важный класс трансформаторов. Силовые трансформаторы бывают масляные и сухие. В масляных трансформаторах магнитопровод с обмотками помещают в бак с трансформаторным маслом, которое является одновременно и изоляцией, и охлаждающим агентом. Однако масло горючее и при авариях существует опасность пожара. Поэтому в общественных и жилых зданиях и других случаях применяют сухие трансформаторы, охлаждение которых осуществляется воздухом. В настоящее время в работе остается достаточное количество трансформаторов, заполненных совтолом и другими негорючими жидкостями. Такие трансформаторы используются в случаях невозможности применения масляных трансформаторов (затруднено сооружение маслосборных ям и т.д.) или недопустимости установки сухих трансформаторов по соображения пожарной безопасности. Трансформаторы классифицируют по следующим параметрам: 1) способ охлаждения (масляные с естественным и принудительным охлаждением, сухие с естественным и принудительным охлаждением, трансформаторы с водомасляпым и дутьевым охлаждением, совтоловые и с применением других синтетических жидкостей); 2) исполнение (внутренняя или наружная установка, герметичные, уплотненные); 3) число фаз (однофазные и многофазные); 4) число обмоток (двухобмогочные и многообмоточные); 5) конструкция обмоток (концентрические, чередующиеся); 6) конструкция магнитопровода (стержневые, броневые, бропе- стержневые, тороидальные); 7) способ регулирования напряжения (под нагрузкой и при отключении напряжения). 8) Трансформаторы различают также по областям применения: 1) силовые общего применения (в линиях электропередач и распределения электроэнергии); 2) силовые специальные (печные, сварочные, выпрямительные и др.); 3) трансформаторы специального назначения и применения (автотрансформаторы, измерительные, испытательные, преобразователи числа фаз, формы кривой эдс, частоты и т.д.). Силовые трансформаторы общего применения обозначаются: хххх-х/х, где первые четыре обозначения (буквы) характеризуют конструкцию, а последние два обозначения (цифры) - электрические параметры трансформатора. Обозначения расшифровываются следующим образом: 1 - число фаз (О - однофазный, Т - трехфазный); 2- способ охлаждения (М - масляное естественное; Д - масляное с дутьевым охлаждением и естественной циркуляцией масла; ДЦ - масляное с дутьевым охлаждением и принудительной циркуляцией масла; Ц - охлаждение масла водой с его принудительной циркуляцией; С, СЗ, СГ - естественное воздушное охлаждение соответственно при открытом, закрытом и герметизированном исполнении; Н - естественное охлаждение негорючим жидким диэлектриком; НД - охлаждение негорючим жидким диэлектриком с принудительным дутьем); 3 - число обмоток (Т - трехобмоточный); 4 - выполнение одной из обмоток с устройством регулирования напряжения под нагрузкой (Н); 5 - номинальная мощность, кВА; 6 - номинальное напряжения обмотки высшего напряжения, Кв. В последнее время добавляют еще две цифры, означающие год разработки трансформатора данной конструкции. Паспортные данные силовых трансформаторов общего применения: 1) номинальная полная мощность SH, кВА; 2) линейные номинальные напряжения обмоток Uлн, В (кВ); 3) линейные номинальные токи обмоток 1т, А; 4) потери холостого хода Рон, Вт; 5) потери Ркн (Вт) и напряжение ик% (%) короткого замыкания; 6) число фаз т; 7) номинальная частота fH, Гц; 8) схема и группа соединения обмоток; 9) номинальный кпд , %; 10) режим работы (длительный, кратковременный); 11) способ охлаждения; 12) масса охлаждающей жидкости; 13) масса активной части (магнитопровод с обмотками); 14) полная масса трансформатора и габаритные размеры; 15) год выпуска. В настоящее время трехфазные силовые трансформаторы изготовляют на мощности 10, 16, 25, 40, 63 кВА с увеличением каждого из этих значений в 10, 100, 1000 и 10000 раз. По ранее действовавшему Государственному стандарту трансформаторы выпускались на мощности 10, 20, 50, 100, 180, 320, 560, 750, 1000, 1800,' 3200, 5600 кВА и т. д. Трансформаторы условно распределены по габаритам на шесть групп в зависимости от мощности и класса изоляции обмоток высшего напряжения. К первым трем габаритам отнесены трансформаторы классов напряжения до 35 кВ мощностью до 6300 кВА (первый - мощностью до 160 кВА, второй - до 630 кВА). Трансформаторы напряжением до 35 кВ, но мощностью более 6300 кВА относят к четвертому габариту. В эту же группу входят и все трансформаторы класса напряжения 110 кВ. Пятый и шестой габариты — это остальные трансформаторы классов напряжения 220 кВ и выше независимо от мощности. В энергоустановках имеет место многократная трансформация энергии переменного тока, поэтому суммарная мощность установленных в энергосистемах трансформаторов в несколько раз превышает суммарную мощность генераторов станций, что говорит о важности этого элемента системы электроснабжения. Устройство и принцип действия трансформатора. Передача электрической энергии в трансформаторах различного назначения от одной обмотки к другой осуществляется в соответствии с законом электромагнитной индукции. Эдс, наводимая в обмотке с числом витков w, численно равна изменению магнитного потока во времени, проходящего через нее. Согласно (1.2) эдс индуктируется переменным во времени магнитным потоком: Устройство и принцип действия однофазного трансформатора могут быть рассмотрены согласно рис. 2.1. В простейшем случае однофазный трансформатор состоит из двух обмоток 1 и 2, закрепленных на замкнутом магнитопроводе 3 для усиления электромагнитного взаимодействия между ними. Магнитопровод состоит из верхнего и нижнего ярма, а так же из стержней, на которых закреплены обмотки. Магнитная система трансформатора состоит из изолированных друг от друга листов анизотропной электротехнической (трансформаторной) стали с присадками кремния для снижения уровня вихревых токов толщиной 0,35...0,55 мм. Обмотка 1, к которой подводится энергия от генератора Г, называется первичной; обмотка 2, к которой подключена нагрузка ZНГ, называется вторичной. При прохождении тока I1, по первичной обмотке возникает магнитный поток Ф1, образующий две свои составляющие: полезный поток Ф1m, проходящий по стали магнитопровода, и поток рассеивания Ф1S, замыкающийся по воздуху. Полезный поток Ф1m индуктирует в обеих обмотках эдс. При замыкании вторичной обмотки на нагрузку ZНГ под действием наведенной в ней эдс протекает ток I2 , создающий свой магнитный поток Ф2S. Поток Ф1 в соответствии с правилом Ленца в каждый момент времени направлен навстречу потоку Ф1. Он так же образует две составляющие - полезную Ф2т и рассеивания Ф18. Потоки обеих обмоток Ф1т и Ф2т образуют результирующий полезный магнитный поток Фт, определяющий величины эдс обмоток в режиме нагрузки трансформатора. Обмотка трансформатора, подключаемая к сети с более высоким напряжением, называется обмоткой высшего напряжения (ОВН). Обмотка трансформатора, к которой подключается сеть с более низким напряжением, называется обмоткой низшего напряжения (ОНН). Силовые трансформаторы и автотрансформаторы бывают повышающими и понижающими. Такое разделение обусловлено различными значениями напряжений в электрических сетях. Повышающие трансформаторы и автотрансформаторы установлены на электростанциях с целью повышения напряжения, вырабатываемого синхронными генераторами, для дальнейшей передачи энергии по электрическим сетям на большие расстояния. Понижающие трансформаторы установлены на понизительных, распределительных электрических подстанциях с целью понижения напряжения электрических сетей и для передачи энергии пониженного напряжения в определенные районы или конкретным потребителям. Первичные обмотки трансформаторов подключены к источникам питания (для повышающих трансформаторов - к генераторам электростанций; для понижающих трансформаторов - к сетям, питающим подстанции) и являются потребителями электроэнергии. Вторичные обмотки трансформаторов подключены к нагрузке (для повышающих трансформаторов - к сетям, питающим подстанции; для понижающих трансформаторов - к сетям, питающим подстанции более низкого напряжения и потребителей), являясь генераторами электроэнергии. Для всех трансформаторов существуют два предельных режима работы: режим холостого хода и режим короткою замыкания. При наложении одного режима на другой можно моделировать любой нагрузочный режим трансформатора. Изучение предельных режимов трансформаторов необходимо для проведения их испытаний с целью поиска неисправностей, определения эксплуатационных параметров, построения схем замещения, служащими по существу расчетными моделями трансформаторов.
Холостой ход однофазного трансформатора. Схема замещения и векторная диаграмма. Изучение трансформаторов в режиме холостого хода проводится по схемам, представленным на рис.2.2. Данный режим позволяет определить коэффициент трансформации, ток холостого хода, потери холостого хода. Первичная обмотка подключается на синусоидальное напряжение, к вторичной обмотке подключается вольтметр, имеющий большое внутреннее сопротивление. При включении трансформатора на номинальное напряжение U1, по первичной обмотке начинает протекать ток I0. В замкнутом контуре, образованном обмоткой и сетью, в каждый момент времени наводится эдс самоиндукции e1, которая препятствует нарастанию тока. e1=-L1di0/dt (2.2). В результате протекания тока I0 в магнигопроводе наводится магнитный поток Фт. По закону электромагнитной индукции в каждый момент времени мгновенное значение этого потока φ создает во вторичной обмотке эдс: e2=-w2dφ/dt (2.З). Таким образом, напряжение u1, приложенное к первичной обмотке в каждый момент времени, расходуется на падение напряжения на сопротивлении обмотки и уравновешивается эдс самоиндукции е1: u1=i0r1+L1di0/dt=i0r1-e1 (2.4). Целесообразно для начала работы сначала рассмотреть идеальный трансформатор, у которого нет потерь в стали, отсутствуют потоки рассевания, обмотки не имеют активных сопротивлений и соответственно падений на них напряжения. В этом случае U1=-E1; U2=E2. Мгновенные значения питающего напряжения и эдс: u1=U1msinωt; e1=E1msin(ωt-π) (2.6), где U1m=E1m. Начальное мгновенное значение потока φ с учетом закона электромагнитной индукции: e1=-w1dφ/dt; dφ=-e1dt/w1 (2.7). Зависимость (2.7) с учетом (2.6) преобразуется φ=-E1m/w1ʃsin(ωt-π)dt=-E1mcosωt/w1ω=E1msin(ωt-π/2)/w1ω (2.8), где ω=2πf1 - круговая частота сети, рад/с; E1m - амплитудное значение эдс первичной обмотки, В. Зависимость (2.8) позволяет найти действующие значения эдс обмоток трансформатора при условии, когда sin(ωt-π/2)=1. В данном случае мгновенное значение потока ср равно его амплитудному значению Фт: El=4,44flwlФm; (2.9). E2 =4,44f1w2Фm (2.10). В режиме холостого хода определяется один из важных параметров трансформатора - коэффициент трансформации k. Коэффициент трансформации - это отношение количества витков первичной обмотки w1, к количеству витков вторичной обмотки w2. Трансформаторы бывают повышающие (k<1) и понижающие (k>1). В случае идеального однофазного трансформатора, у которого ток холостого хода не имеет активной составляющей, т.е. является чисто индуктивным, коэффициент трансформации находится как отношение эдс обмотки первичной Е1 к эдс обмотки вторичной Е2: k=w1/w2=E1/E2 (2.11). При исследовании трансформатора в режиме холостого хода следует обратить внимание на несинусоидальность формы кривой тика холостого хода i0 при синусоидальной форме кривых питающего напряжения u1 и потока φ. Если бы между потоком φ и током холостого хода i0 была бы линейная зависимость, то синусоидальную форму во времени имели бы оба этих параметра. Но магнитопровод трансформатора насыщается с ростом тока i0. Связь между ним и потоком определяется кривой намагничивания φ=f(i0). При синусоидальной форме кривой приложенного напряжения и, ее можно уравновесить наводимой в первичной обмотке синусоидальной эдс е1, вызывающей поток φ синусоидальной формы (рис. 2.3,а). Насыщение магнитной цепи проводит к пикообразной форме тока холостого хода i0 (рис. 2.3,6). В этой кривой кроме первой гармоники i01 наиболее сильно выражена третья гармоника i03, оказывающая в трехфазных трансформаторах существенное влияние на их работу. Реальный трансформатор в отличие от идеального трансформатора имеет потери в стали, активное сопротивление обмоток и падение напряжения в них I02r1, потоки рассеяния Ф1S. Последние обусловлены индуктивностью рассеяния LS1 обмоток и наводят в них эдс рассеяния E1S. Система уравнений реального трансформатора имеет вид: {U1=(-E1-ES1)+I0r1; ES1=-jI0x1; x1=2πf1LS1; U1=-E1+I0r1+jI0x1; U1=-E1+I0z1; z1=r1+jx1; U2=E2} (2.12). Ток холостого хода в трансформаторах I0 средней и большой мощности не превышает 10% от номинального значения. При этом, чем больше мощность трансформатора, тем эта доля меньше. Потери в первичной обмотке I02r1 очень малы по сравнению с мощностью, потребляемой первичной обмоткой из сети. Следует полагать, что для трансформаторов в режиме холостого хода почти вся потребляемая из сети мощность расходуется на покрытие потерь в стали магнитопровода. В маломощных трансформаторах величина тока холостого хода I0 может составлять более 10% от номинального значения. Вызвано это тем, что велика доля активного сопротивления обмоток r1 в полном их сопротивлении z1, а соответственно и потерь в них от потребляемой из сети мощности. Значение тока холостого хода иногда входит в паспортные данные трансформаторов. Оно указывается в процентах: i0%=I0H/I1H·100% (2.13), где I1H - номинальный ток первичной обмотки; I0Н - ток холостого хода при номинальном напряжении U1H. Величину тока холостого хода необходимо знать для выбора электрических аппаратов, например отделителей, для настройки релейных защит, для определения характера неисправностей активных частей трансформаторов и т.д. Этот параметр также устанавливается в результате промышленных испытаний. Он необходим также для определения мощности (потерь) холостого хода Р0. Значение этого параметра используется в расчетах нагрузочных режимов трансформаторов с целью оптимизации в них потерь. Величина потерь холостого хода входит в паспортные данные. Однофазный трансформатор испытывают в режиме холостого хода также для определения полного z0, активного r0 и индуктивного х0 сопротивления при напряжении питания U0-U01=U1H. z0=U0/I0; r0=P0/I02; x0=√(z02-r02) (2.14). Коэффициент мощности холостого хода cosφ0: cosφ0=P0/U0I0 (2.15). В современных силовых трансформаторах при U0=Um значения z1, г1 и х1 в десятки и сотни раз меньше значений z0, r0 и х0, которые в свою очередь называются сопротивлениями магнитной цени трансформатора. Результатом испытаний трехфазного трансформатора по схеме на рис. 2.2 является построение характеристик холостого хода, зависимостей I0,P0,cosφ0=f(U0). Они представлены на рис. 2.4. Опыт холостого хода проводят для ряда значений подводимого напряжения U0, которое меняют в пределах (0,3-1,1)U1H. Электроизмерительными приборами контролируют между фазами величину питающего напряжения, ток по фазам, а также потребляемую мощность. Особенностью трехфазного трансформатора является магнитная несимметрия, обусловленная его конструкцией, и проявляющаяся преимущественно в режиме холостого хода. Вследствие этого при построении характеристик величины U0 и I0 определяются как средние арифметические по значениям измерения для каждой величины подводимого напряжения в результате использования схемы рис. 2.2. U0=U0Л=1/3·(UAB+UBC+UCA) (2.16). I0=I0Л=1/3·(IA+IB+IC) (2.17). Мощность, потребляемая в режиме холостого хода Р0, (рис. 2.2) определяется по показаниям ваттметров: P0=|P0’+P0’’| (2.18). По характеристикам на рис. 2.4, при условии U0=U1H находят ток I0H потери Р0H, коэффициент мощности cosφ0H холостого хода. Последовательность поиска указанных величин показана на рис. 2.4 пунктирными линиями со стрелками. Потери и ток холостого хода, полученные в результате испытаний, должны соответствовать паспортным данным завода-изготовителя или находится в пределах допустимых отклонений от них. Для трехфазного трансформатора при расчете значений сопротивлений z0, r0 и х0 необходимо принимать во внимание схему соединения первичной обмотки. В случае соединения первичной обмотки в звезду: z0=U0Л/√(3)I0Л; r0=P0/3I0Л2; х0=√(z02-r02) (2.19). При соединении первичной обмотки в треугольник: z0=√(3)·U0Л/I0Л; r0=P0/I0Л2; x0=√(z02-r02) (2.20). Коэффициент мощности cosφ0 для обеих схем соединения обмоток: cosφ0=P0/√(3)·U0ЛI0Л (2.21). Коэффициент трансформации k трехфазного трансформатора в случае соединения обеих обмоток по одной схеме (однородно) может быть определен как среднеарифметическое значение путем измерения фазных напряжений первичной обмотки, фазных эдс вторичной обмотки и нахождения соответствующих фазных коэффициентов трансформации: kA=UAX/Eax; kB=UBY/Eby; kC=UCZ/Ecz (2.22). k=kф=1/3·(kA+kB+kC) (2.23). Значение k, полученное из (2.23), называется фазным коэффициентом трансформации kф и сравнивается с коэффициентом трансформации завода-изготовителя k3-И: kЗ-И=w1/w2=U1H/U20 (2.24), где U1H - номинальное напряжение первичной обмотки; U20 - линейное напряжение вторичной обмотки на холостом ходу, численно равное ее эдс. Коэффициент трансформации к, полученный в процессе контрольных измерений, не должен отличаться от данных завода-изготовителя kЗ-И более чем на 2%. Когда разница, превышает указанное значение, то проверяют состояние активных частей трансформатора. При соединении обеих обмоток трехфазного трансформатора по разным схемам (разнородно) кроме фазного kф находят линейный коэффициент трансформации kЛ, превышающий kф в √3 раз. Знание величины кл необходимо для проведения промышленных испытаний, подготавливающих трансформаторы к параллельной работе. Векторная диаграмма на рис. 2.5 построена на основании (2.6) - (2.8) и (2.12) для понижающего трансформатора в режиме холостого хода. Ток холостого хода I0, который называют также током намагничивания, имеет активную I0а и реактивную I0р составляющие, величины которых определяется параметрами намагничивающего контура. Ток I0 создает в магнитопроводе поток Фт, отстающий от него на угол δ. Угол δ составляет 3...40, характеризует магнитные, диэлектрические (высоковольтные трансформаторы) потери, измеряется специальными приборами в процессе промышленных испытаний. В обмотках индуктируются эдс Е1, Е2. Величины эдс первичной обмотки Е1, падения напряжения r1I0 и jx1I0 уравновешивают величину напряжения сети U0, которое опережает ток I0 на угол φ0. Форма кривой тока намагничивания реального трансформатора существенно не отличается от кривой тока намагничивания идеального трансформатора (рис. 2.3), за исключением активной составляющей, повторяющей форму первой гармоники напряжения сети U0.
Операция приведения. Короткое замыкание однофазного трансформатора. Схема замещения и векторная диаграмма. Первичные и вторичные токи, напряжения и другие величины в общем случае имеют разный порядок при условии разного числа витков первичной и вторичной обмоток. Между обмотками трансформатора нет электрической связи (кроме автотрансформатора), что затрудняет его электрический расчет. Операция приведения выполняется с целью построения схем замещения реальных трансформаторов, в которых электромагнитные связи заменяются электрическими. Целесообразно рассматривать вместо реального трансформатора приведенный, первичные и вторичные обмотки которого имеют одинаковое число витков. Вторичная обмотка приводится к первичной, т.е. реальная вторичная обмотка с числом витков w2 пересчитывают в эквивалентную ей обмотку с числом витков w1: w2=w'2=w1 (2.25). Таким образом, число витков вторичной обмотки изменяется в k раз. Величина k называется коэффициентом приведения и численно равна коэффициенту трансформации. Операция приведения не должна сказываться па режиме работы первичной цепи, т.е. в приведенном трансформаторе остаются те же потоки, мощности, потери. Исходя из этих особенностей, можно записать следующие зависимости: k=E1/E2; E2’=E1; E2’=kE2 (2.26). Электромагнитная мощность трансформатора и ток вторичной обмотки определяется соответственно выражениями: E2I2cosψ2=E2’I2’cosψ2’ (2.27). I2’=I2/k (2.28), где ψ2 - угол фазового сдвига между эдс и током вторичной обмотки. При этом намагничивающие силы приведенной и реальной обмоток, в результате которых образуются соответствующие магнитные потоки, равны: I'2w'2=I2w2. (2.29). Приведенная обмотка имеет в k раз больше витков. Поэтому из условия равенства потерь и реактивных мощностей в реальной и приведенной обмотках, ее активное и реактивное сопротивления в k2 раз больше, чем реальной обмотке: r2’=r2(I2/I2’)2=r2k2; (2.30). x2’=x2(I2/I2’)2=x2k2 (2.31). Значение угла фазового сдвига ψ2 между эдс и током вторичной обмотки с учетом (2.30) и (2.31) будет: ψ2=ψ2’=arctg(x2/r2)=arctg(x2’/r2’) (2.32). Приведенные значения будут использованы в дальнейшем для исследования режимов работы трансформаторов. Аналогичная операция приведения проводится также для асинхронных машин в процессе исследования их работы. Режим короткого замыкания трансформатора. Изучение трансформаторов в режиме короткого замыкания проводится по схемам, представленным на рис.2.6. В результате оказывается возможным определить напряжение и потери короткого замыкания. При замыкании вторичной цепи накоротко в ней возникает ток. Намагничивающая сила тока в соответствии с правилом Ленца находится в противофазе с намагничивающей силой первичной обмотки. Чем мощнее трансформатор, тем меньше величина тока холостого хода по сравнению с величиной номинального тока в первичной обмотке. Поэтому его влиянием можно пренебречь: I1w1=-I2w1 (2.33). В результате потоки первичной и вторичной обмоток, образуемые намагничивающими силами, вытесняют друг друга за пределы сердечника магнитопровода, замыкаясь по воздуху. Сопротивление магнитной цепи для обоих потоков значительно возрастает, магнитопровод насыщается слабо. Токи в обмотках могут в десятки раз превышать свои номинальные значения. Чтобы избежать перегрева и повреждения трансформатора анализируют не эксплуатационное, а испытательное короткое замыкание. При этом напряжение, подводимое к первичной обмотке от регулируемого источника напряжения, снижают до такого уровня, чтобы токи в обмотках находились в пределах своих номинальных значений. Значение напряжения короткого замыкания определяется для номинальных токов в обмотках. Оно входит в паспортные данные трансформаторов и указывается в процентах: uКН%=UКН/U1H·100% (2.34), где U1H - номинальное напряжение первичной обмотки; UKH - напряжение, подводимое к первичной обмотке при замкнутой накоротко вторичной обмотке, обеспечивающее протекание в них номинальных токов. Для силовых трансформаторов величина напряжения короткого замыкания составляет 4-15%. При этом, чем трансформатор мощнее, тем значение напряжения короткого замыкания меньше. Знание величины этого параметра необходимо для возможности подключения на параллельнуюработу трансформаторов станций и подстанций, а также организации экономичного режима работы трансформаторов. Проведение опыта короткого замыкания необходимо также для определения мощности (потерь) короткого замыкания РK. Она используется для расчета нагрузочных режимов трансформаторов с целью оптимизации потерь в них. Величина потерь короткого замыкания входит в паспортные данные или определяется в результате испытаний трансформаторов. Однофазный трансформатор испытывают в режиме короткого замыкания также для определения полного zK, активного rк и индуктивного хк сопротивления короткого замыкания при номинальных токах в обмотках IK=IH. zK=UKH/IH; rK=PKH/IH2; xK=√(zK2-rK2) (2.35). Коэффициент мощности короткого замыкания cosφк: cosφK=PKH/UKHIH (2.36). Результатом испытаний трехфазного трансформатора по схеме на рис. 2.6 является построение характеристик короткого замыкания, зависимостей IK,PK,cosφK=f(UK), которые представлены на рис. 2.7. Опыт короткого замыкания проводят для ряда значений подводимого напряжения Uк, которое регулируют таким образом, чтобы ток в обмотках изменялся в пределах (0,5-1,2). Электроизмерительными приборами контролируют между фазами величину питающего напряжения, ток по фазам, а также потребляемую мощность. Чтобы построить характеристики короткого замыкания величины Uк и Iк определяются как средние арифметические по результатам измерения для каждого значения подводимого напряжения. При этом используется схема рис. 2.6. UK=UКЛ=1/3(UAB+UBC+UCA); (2.37). IK=IKЛ=1/3(IA+IB+IC) (2.38). Мощность, потребляемая в режиме короткого замыкания РK (рис. 2.6) определяется по показаниям ваттметров: PK=|PK’+PK’’| (2.39). По характеристикам на рис. 2.7, при условии IК=I1H находят напряжение UKH, потери РKH, коэффициент мощности cosφKH короткого замыкания. Последовательность поиска указанных величин показана на рис. 2.7 пунктирными линиями со стрелками. Потери и напряжение короткого замыкания, полученные в результате испытаний, должны соответствовать паспортным данным завода- изготовителя или находится в пределах допустимых отклонений от них. Величина напряжения короткого замыкания в процентах иKH% определяется выражением (2.34). Для трехфазного трансформатора при расчете значений сопротивлений zK, гк и хк необходимо принимать во внимание схему соединения первичной обмотки. В случае соединения первичной обмотки в звезду: zK=UKЛ/√(3)·IKЛ; rK=PK/3IKЛ2; xK=√(zK2-rK2) (2.40). При соединении обмотки в треугольник: zK=√(3)·UKЛ/IKЛ; rK=PK/IKЛ2; xK=√(zK2-rK2) (2.41). Коэффициент мощности cosφK для обеих схем соединения обмоток: cosφK=PK/√(3)·UKЛIKЛ (2.42). При проведении опыта короткого замыкания и расчете параметров трансформатора в этом режиме требуется измерить температуру окружающей среды θ1. Полученное значение считают равной температуре обмоток при опыте короткого замыкания. Величины zK, rK, РKH, cosφKH и иKH% приводятся к расчетной рабочей температуре 75°С. Она отражает эксплуатационный режим работы трансформатора. Приведенные величины rК75 и РКН75 получаются умножением rK и РKH на температурный коэффициент kθ, величина которого составляет для меди 310/(235+θ1), а для алюминия 320/(245+θ1): rK75=rKkθ; PKH75=PKHkθ (2.43). Величина индуктивного сопротивления короткого замыкания хК от температуры обмоток практически не зависит. Приведенное полное сопротивление короткого замыкания zK75 определяется выражением: zK75=√(rK752+xK2) (2.44). Приведенное значение коэффициента мощности cosφКН75: cosφКН75=rK75/zK75 (2.45). С учетом (2.33), пренебрегая током намагничивания, можно считать, что I1=-I2’ (2.46). Векторная диаграмма понижающего трансформатора в режиме короткого замыкания изображена на рис. 2.8. Она представляет собой так называемый треугольник короткого замыкания, построенный при номинальном токе трансформатора IК=IH. В треугольнике короткого замыкания гипотенуза OA определяет напряжение короткого замыкания трансформатора UKH. Катеты ОВ и АВ представляют его активную UKHa и реактивную UKHp составляющие: OA=UKH=√(rK2+xK2)IH=zKIH (2.47). OB=UKHa=(r1+r2’)IH=rKIH (2.48). AB=UKHp=(x1+x2’)IH=xKIH (2.49). Для проведения расчетов систем электроснабжения используют величины напряжения и сопротивления короткого замыкания трансформатора, выраженные в процентах (относительных единицах). Напряжение короткого замыкания икн% равно полному сопротивлению короткого замыкания zK%: uKH%=UKH/U1H·100%=zKIH/U1H·100%=zK/zH·100%=zK% (2.50). Векторная диаграмма на рис. 2.8 позволяет определить активную и реактивную составляющие напряжения uKH% и сопротивления короткого замыкания zK%: uKHa%=UKHa/U1H·100%=rKIH/U1H·100%=rK/zH·100%=rK% (2.51). uKHp%=UKHp/U1H·100%=xKIH/U1H·100%=xK/zH·100%=xK% (2.52). Угол φKH из треугольника короткого замыкания определяется зависимостями: cosφKH=UKHa/UKH=rK/zK (2.53). sinφKH=UKHp/UKH=xK/zK (2.54). Величины uKH% и uKHa% также приводятся к расчетной рабочей температуре обмоток 75°С. Активная составляющая иКНа% находится из треугольника короткого замыкания: uKHa%=uKH%cosφKH (2.55). Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания uKHp% от температуры обмоток практически не зависит. Она равна: uKHp%=√(uKH%2-uKHa%2) (2.56). Значение активной составляющей напряжения короткого замыкания, приведенное к расчетной рабочей температуре uKHa75%=uKHa%·kθ (2.57), где kθ - температурный коэффициент приведения к температуре 75°С. Значение напряжения короткого замыкания, приведенное к расчетной рабочей температуре обмоток uКН75%, с учетом (2.55) - (2.57) определяется по формуле: uКН75%=√(uKHa75%2+uKHp%2) (2.58). При проведении опыта короткого замыкания основной поток в сердечнике магнитопровода незначителен. Поэтому потерями в стали можно пренебречь. Практически вся мощность, потребляемая трансформатором в этом режиме, идет на покрытие потерь в обмотках: PK=Δpоб1+Δpоб2=I12r1+I22r1+I12r2’=I12rK (2.59). Величины сопротивлений короткого замыкания zK, rK, хK используют для расчетов в схемах замещения, для анализа работы трансформаторов под нагрузкой, параллельной работы трансформаторов на станциях и подстанциях.
Работа однофазного трансформатора под нагрузкой. Схема замещения и векторная диаграмма. Режимы холостого хода и короткого замыкания трансформаторов являются предельными. Они используются преимущественно для его испытаний. Режим нагрузки, промежуточный между этими режимами, является для трансформаторов основным. Анализ номенклатуры приемников электрической энергии показывает, что наиболее часто встречаются приемники, представляющие активно-индуктивную нагрузку (трансформаторы, двигатели и т.д.). Данный вид нагрузки будем считать основным при анализе работы трансформаторов. В режиме холостого хода при первичном напряжении U1 трансформатор потребляет из сети ток I0, который необходим для создания потока Фm. У трансформаторов средней и большой мощности можно пренебречь величинами сопротивлений первичных обмоток r1 и х1. Следует также считать, что мощность сети значительно выше мощности трансформатора, т.е. величины питающего напряжения U1 и потока Фт остаются постоянными при любых изменениях во вторичной цепи. U1≈E1; Фm≈U1/4,44w1f1; U1≈const; Фm≈const (2.60). Во вторичной обмотке при подключении нагрузки ZHГ возникает ток I2. Намагничивающая сила вторичной обмотки w2I2 в соответствии с правилом Ленца стремиться создать в магнитопроводе свой поток и изменить поток, существовавший в режиме холостого хода. Однако, из-за того, что U1≈const, поток существенно измениться не может. Для компенсации намагничивающей силы w2I2 должен возрасти ток, потребляемой первичной обмоткой: I1=I0+IHГ (2.61), где IHГ - нагрузочная составляющая тока первичной обмотки. w1IHГ=-w2I2=-w1I2’ (2.62). IHГ=-I2’ (2.63). Ток, потребляемый первичной обмоткой, определяется с учетом выражения (2.63): I1=I0-I2’ (2.64). Намагничивающие силы обеих обмоток создают результирующий магнитный поток, индуктирующий в них эдс Е1 и Е2’ соответственно. Эдс вторичной обмотки Е2’, приводящая к возникновению вторичного тока I2’, уравновешивается падением напряжения на сопротивлении обмотки r2’+jx2’ и на нагрузке ZHГ’=rНГ’+jxHГ’. Величина (rНГ’+jxHГ’)I2’ является напряжением, которое приложено к нагрузке U2’. Система уравнений трансформатора с учетом происходящих в первичной и вторичной цепях явлений, имеет вид: {U1=-E1+I1(r1+jx1); U2’=E2’-I2’(r2’+jx2’); I1=I0-I2’} (2.65). При работе трансформатора с нагрузкой, близкой к номинальной, можно пренебречь током намагничивания I0 и полагать: I1=-I2 (2.66). Для облегчения расчетов трансформатора и исследования протекающих в нем электромагнитных процессов часто используют электрическую схему замещения. В схеме замещения реальные электромагнитные связи между первичной и вторичной цепями заменяются электрическими. Такой прием делает схему удобной для пользования. Схема замещения представляет совокупность трех ветвей: намагничивающей, первичной и вторичной. Намагничивающей ветвью является ветвь, по которой протекает ток I0, ограничиваемый сопротивлением z0=r0+jx0. Параметры этой ветви определяются из опыта холостого хода. В схеме замещения первичная ветвь представляется током I1 и сопротивлением z1=r1+jx1, а вторичная ветвь отображается током и сопротивлениями z2’=r2’+jx2’ и ZHГ’=rНГ’+jx'HГ. Для расчетов и анализа работы систем электроснабжения применяются Т-образная, Г-образная и упрощенная схемы замещения трансформатора, работающего под нагрузкой. В последнем случае пренебрегают током намагничивания трансформатора при работе в пределах номинальных нагрузок. За сопротивление трансформатора принимается его сопротивление короткого замыкания zK. Схемы замещения трансформатора представлены на рис. 2.9. Проанализировать работу трансформатора в режиме нагрузки позволяет векторная диаграмма рис. 2.10, соответствующая работе трансформатора на активно-индуктивную нагрузку. Она строится на основе схем замещения или системы уравнений (2.65). Эдс Е1=Е2’ отстает от потока магнитопровода Фm на 90°. Ток I2’ отстает от эдс Е2’ на угол ψ2, значение которого определяется характером нагрузки. Вычитанием из Е2’ падения напряжения r2’I2 и jx2’I'2 получают вектор вторичного напряжения U'2. Реактивная составляющая тока намагничивания I0p совпадает по фазе опережает Фт на 90°. Ток намагничивания I0=I0а+I0р опережает Фт на угол δ, который характеризует магнитные и диэлектрические (для высоковольтных трансформаторов) потери. Ток первичной обмотки I1 определяется выражением (2.64). Вектор первичного напряжения U1 получается прибавлением к вектору –E1 падения напряжения r1I1 и jx1I1. В случае активно-индуктивной нагрузки ω1>ω2. При условиях U1=const, ѱ2=const, φ2=соnst увеличение нагрузки I2’ вызывает некоторое уменьшение Е2’ и U2’, а также I0 и Фm. Работу трансформатора под нагрузкой следует рассматривать как результат наложения режима холостого хода на режим короткого замыкания.
Внешняя характеристика трансформатора. Процентное изменение вторичного напряжения при работе под нагрузкой. Внешней характеристикой трансформатора (рис. 2.11) называется зависимость U2=f(I2), полученная при постоянном и номинальном напряжении сети U1H, частоте напряжения сети f1H, а также при неизменном характере нагрузки (φ=const). Внешняя характеристика позволяет оценить работу трансформатора на известные виды нагрузки, определяет изменение напряжения на вторичной обмотке, а, как следствие, и у потребителей. Изменение напряжения трансформатора ΔU представляет арифметическую разность между вторичным напряжением в режиме холостого хода U20, которое численно равно его эдс, и вторичным напряжением U2 при номинальной нагрузке I2Н. На рис. 2.12 проиллюстрировано определение величины изменения напряжения трансформатора ΔU при работе на активно-индуктивную нагрузку. Следует считать, что при номинальной нагрузке трансформатора его вторичное напряжение имеет номинальное значение U2=U2H. Изменение напряжения трансформатора часто выражается в процентах: Δu%=(U20-U2H)/U2H·100% (2.67). Изменение напряжения трансформатора можно также определить, зная составляющие напряжения короткого замыкания. При номинальной нагрузке трансформатора I2=I2Н и номинальном первичном напряжении U1=U1H величина Δu% равна: Δu%≈β(uKHa%cosφ2+uKHp%sinφ2) (2.69). При нагрузке трансформатора, которая отличается от номинальной (I2≠I2Н), и номинальном первичном напряжении U1=U1H: Δu%≈β(uKHa%cosφ2+uKHp%sinφ2) (2.69), где β - коэффициент нагрузки трансформатора. Зависимости (2.68) и (2.69) можно получить из векторной диаграммы трансформатора, которая строится на основе упрощенной схемы замещения, представленной на рис. 2.9,в. Чем мощнее трансформатор, тем меньше значение Δи%. Внешняя характеристика трансформатора также может быть представлена зависимостью U2=f(β).
Энергетические диаграммы, потери и кпд трансформаторов. Энергетические диаграммы трансформатора с числом фаз m представлены на рис. 2.13. Преобразование активной энергии в указанном направлении включает в следующие составляющие: 1) активная мощность, потребляемая из сети Р1=mU1I1cosφ1; 2) активные потери в первичной обмотке; 3) активные потери в стали магнитопровода Δрс=тI12r1; 4) активные потери во вторичной обмотке Δроб2=тI2r2'; 5) электромагнитная мощность РЭМ, передаваемая во вторичную обмотку; 6) полезная мощность трансформатора Р2. Электромагнитная мощность РЭМ определяется выражением: PЭМ=P1-Δpоб2-Δpс=mE1I2’cosѱ2=mE2’I2’cosѱ2 (2.70). Полезная мощность Р2, передаваемая в нагрузку, запишется в виде: P2=PЭМ-Δpоб2=mU2’I2’cosφ2 (2.71). Преобразование реактивной энергии в указанном направлении включает в себя следующие составляющие: 1) реактивная мощность, потребляемая из сети Q1=mU1I1sinφ1; 2) потери рассеяния в первичной обмотке Δqоб1=mI12x1; 3) реактивные потери в стали магнитопровода Δqc=mI02x0; 4) потери рассеяния во вторичной обмотке Δqоб2=mI2’x2’; реактивная мощность, отдаваемая трансформатором в нагрузку Q2=mU2’I2’sinφ2. Потери активной мощности в трансформаторе подразделяются на электрические, преимущественно в обмотках, и магнитные, в стали магнитопровода. Магнитные потери можно считать постоянными во всем диапазоне нагрузок и равными потерям холостого хода Р0H при U1=const=U1H. Электрические потери являются переменными. В общем случае они равны β2РКН. Суммарные потери определяются выражением ΔpΣ=P0H+β2PKH (2.53). Полезная мощность трансформатора Р2 и его кпд 𝜂 находятся: P2=mU2I2βcosφ2=S2βcosφ2 (2.54). 𝜂=P2/P1=βS2cosφ2/(βS2cosφ2+(P0H+β2PKH)). Практический интерес представляет нахождение нагрузки трансформатора, при которой достигается максимальное значение его кпд 𝜂mах. Для этого следует взять производную от (2.55) по коэффициенту нагрузки трансформатора β и приравнять ее к нулю. Кпд достигает максимума при равенстве электрических и магнитных потерь: β2PKH=P0H (2.56). Зависимость (2.56) позволяет по паспортным данным определить коэффициент нагрузки трансформатора: β=βmax=√(P0H/PKH) (2.57). Кпд трансформатора достигает максимальной величины 𝜂max при βmах=0,45...0,7. Значение 𝜂max можно получить путем подстановки (2.57) в (2.55). То есть 𝜂max=βmaxS2cosφ2/(βmaxS2cosφ2+2P0H). В современных силовых масляных трансформаторах кпд достигает 99%, а в маломощных 40-50%. Для оценки экономичности используется понятие годового кпд трансформаторов, равного отношению энергии, отданной трансформатором во вторичную цепь за год, к энергии, полученной трансформатором за тот же период из первичной сети. На рис. 2.15 представлены зависимости кпд от коэффициента нагрузки трансформатора β при различных значениях коэффициентов мощности cosφ2.
Особенности конструктивного исполнения трансформаторов. Основные варианты конструкций магнитопроводов и обмоток. Способы соединения обмоток. Основными элементами конструкции трансформаторов являются магнитопровод, обмотки с отводами и элементами изоляции, а для масляных, кроме того, бак с расширителем. Трансформаторы снабжаются также устройствами охлаждения, переключения ответвлений обмоток, защиты масла от воздействий внешней среды, контроля и сигнализации, а также вводами. Магнитопроводы трансформаторов выполняют функции магнитной системы, а также конструктивной и механической основы. В конструкции магнитопровода различают активную часть, непосредственно проводящую магнитный поток, и неактивную часть, придающую магнитопроводу необходимую жесткость. Различают два основных типа магнитных систем трансформа- тора: стержневую и броневую. В таких типах магнитных систем стержни и ярма расположены в одной плоскости. В однофазных стержневых трансформаторах каждая обмотка состоит из двух частей, которые расположены на двух стержнях и соединяются последовательно или параллельно. Такое расположение обмоток позволяет усилить электромагнитную связь между ними. В трехфазных стержневых трансформаторах каждой фазе соответствует один стержень (рис. 2.15). Однофазный трансформатор броневой конструкции имеет один стержень с обмотками и развитое ярмо, которое частично закрывает обмотки подобно броне. Трехфазный броневой трансформатор можно рассматривать как три однофазных броневых трансформатора, поставленных рядом. В трансформаторах такого типа электромагнитная связь между обмотками несколько лучше, чем в стержневых. Однако силовые броневые трансформаторы не получили широкого распространения в отечественных энергетических установках. В трехфазных сетях, рассчитанных на большую мощность (SH>300 MBА) применяются трехфазные трансформаторные группы. Такие трансформаторы называют также групповыми (рис. 2.16). Чаще применяются трехфазные трансформаторы с магнитопроводом, который является общим для всех фаз. Идея образования такого трансформатора (рис. 2.17) заключалась в том, что, для синусоидальных токов и синусоидальных потоков справедливо: iA+iB+iC=0 (2.59); ФA+ФB+ФC=0 (2.60). Следовательно, общий стержень магнитопроводов 1, 2, 3 можно удалить. Эта конструкция была предложена известным российским электротехником М.О. Доливо-Добровольским в 1889 г. У современных трехфазных трансформаторов магнитопроводы всех фаз находятся в одной плоскости (рис. 2.18). Для такой конструкции характерна некоторая несимметрия магнитной цепи, т.е. длина магнитных линий средней фазы несколько короче, чем для крайних. Влияние такой несимметрии заметно проявляется только на холостом ходу, а при работе под нагрузкой оно незначительно и им можно пренебречь. По способу сочленения ярем и стержней магнитопроводы бывают стыковые и шихтованные. В стыковых магнитопроводах магнитная цепь состоит из вертикальных стержней и перекрывающих их сверху и снизу ярм. Ярма и стержни собираются отдельно и крепятся с помощью стяжных шпилек. Во избежание замыкания листов и возникновения значительных вихревых токов, между ними помещают изоляционные прокладки из нагревосгойкого материала. Однако это вызывает увеличение сопротивления магнитной цепи и ведет к росту тока намагничивания. В настоящее время стыковые магнитопроводы применяются редко. В шихтованных магнитопроводах стержни и ярма собираются как единая конструкция. Вместо прямоугольных листов применяют листы, одна из сторон которых срезана под углом. Такая шихтовка называется в «косой стык» и приводит к снижению потерь в углах магнитоировода из-за уменьшения длины пути магнитного потока S, не совпадающего с направлением прокатки листа 1 (рис. 2.19). В качестве материала, из которого изготовляют магнитопроводы трансформаторов, применяют кремневую сталь, пермаллой и т.п. Листы изолируются друг от друга с помощью изоляционной бумаги толщиной 0,03 мм, либо двухсторонним покрытием лаком. Стержни магнитопровода имеют в сечении вид многоугольника, вписанного в окружность. Число ступеней растет с увеличением мощности трансформатора. В масляных трансформаторах предусматривают каналы для масла (рис. 2.20). Стержни и ярма магнитоироводов трансформаторов средней и большой мощности стягивают при помощи специальных шпилек. В трансформаторах малой мощности эту операцию производят деревянными планками, используют бандажи из стали или стеклоленты (рис. 2.21). При работе трансформатора на металлических частях его магнитопровода наводятся электрические заряды. Чтобы избежать разрядов внутри бака, активная сталь и ярмовые балки заземляются при помощи медной ленты, соединяющей крайний пакет активной стати с ярмовой балкой и проходящей далее к заземленному баку. Для упрощения технологии сечение ярма берется прямоугольным или с небольшим числом ступеней. Форма сечения ярма и его сочленение со стержнем, представленные на рис. 2.22, выбираются с учетом обеспечения равномерного распределения магнитного потока в сечении магнитопровода. Площадь сечения ярма принимают на 5-10% больше сечений стержней. При этом индукция в ярмах на 10-15% меньше, чем в стержнях, в результате несколько снижаются потери и ток холостого хода. Чтобы снизить магнитные потери при переходе линий магнитного поля и стержней в ярма применяют скошенные стыки и особые способы шихтовки листов из холоднокатаной стали (рис. 2.20). У мощных однофазных трансформаторов, у которых диаметры стержней доходят до 1 метра и более, магнитные системы выполняются в виде двух рам. Такая конструкция обеспечивает лучшие условия охлаждения магнитной системы. В зазоре между рамами установлены шунтирующие прокладки с учетом необходимой циркуляции масла.
Схемы и группы соединения обмоток трехфазных трансформаторов. Требования, которым должны удовлетворять обмотки трансформаторов, заключаются в следующем: 1) обмотки не должны иметь разрушающих деформаций от механических воздействий, а так же при коротких замыканиях от действия электромагнитных сил, обладать необходимой механической прочностью; 2) изоляция обмоток должна выдерживать длительное воздействие электрического поля в номинальном режиме, а также при перенапряжениях, т.е. обладать необходимой электрической прочностью; 3) обмотки должны быть технологичными, т.е. относительно просты в изготовлении и недороги; 4) температура нагрева обмоток не должна превышать пределов для данного класса изоляции при необходимом режиме охлаждения; 5) электрические потери в обмотках не должны превышать установленных пределов. Конструкция обмоток зависит от тока и напряжения трансформатора. По величине тока определяют сечение проводников, а величина напряжения влияет на выбор конструкции изоляции. Обмотки изготовляют из медного и алюминиевого провода. В качестве изоляции обмоток круглого сечения в масляных трансформаторах применяют эмаль и хлопчатобумажную изоляцию, а в обмотках прямоугольного сечения, кроме того, кабельную бумагу и хлопчатобумажную пряжу. В сухих трансформаторах используют провода с нагревостойкой изоляцией из стекловолокна. По взаимному положению обмотки подразделяются на дисковые чередующиеся и концентрические. Первые обеспечивают хорошую электромагнитную связь друг с другом, однако сложны в изготовлении и применяются редко. Вторые в современных трансформаторах используются достаточно широко. В трансформаторах небольшой мощности цилиндрическая обмотка надевается на стержень магнитопровода и крепится относительно него деревянными клиньями, рейками, которые одновременно играют роль изоляции. В остальных случаях применяют цилиндр из изоляционного картона. Наружная и внутренняя обмотка также крепятся друг относительно друга рейками. Между обмоткой и баком трансформатора устанавливаются барьеры из электромеханического картона. При сборке концентрических обмоток ближе к стержню располагается обмотка НН. В результате снижается толщина изоляции и, следовательно, габариты трансформатора. Обмотки трехфазных трансформаторов соединяются в звезду (Y), треугольник (Δ) и зигзаг (Z). Выбор схемы соединения обмоток зависит от ряда причин. В сетях с напряжением выше 35 кВ выгодно соединить обмотки трансформатора в звезду и заземлить нулевую точку. При этом напряжение выводов трансформатора и проводов линий передачи относительно земли будет в √3 раз меньше линейного, что позволит снизить стоимость изоляции. Осветительные сети выгодно строить на более высокое напряжение. Поэтому вторичные обмотки трансформаторов, предназначенных для питания осветительных сетей, обычно соединяют в звезду и включают осветительные лампы на фазное напряжение - между линейным и нулевым выводами. Однако, из-за влияния высших гармоник и при несимметричной нагрузке целесообразно включать одну из обмоток трансформатора в треугольник. Когда обмотки соединяют в звезду, то зажимы нулевой точки обозначают 0, 0m. В ряде случаев применяется соединение зигзагом (Z). Каждая фаза делится на две одинаковые части. Эти части располагают на соседних стержнях, причем конец одной катушки соединяют с концом другой, т.е. катушки включены встречно, чтобы их эдс при таком последовательном соединении геометрически складывались (рис. 2.25). Соединение зигзагом полезно применять в трансформаторах для питания вентильных преобразователей или неравномерной нагрузке. Стандартное обозначение способов соединения обмоток трансформатора выполняются в виде дроби. Символ в числителе относится к ОВН, символ в знаменателе - к ОНН (Y/Y , Y/A,Y/Z, Л/А, Л/Y, A/Z ). При наличии нулевого вывода добавляется символ "н" или "0" (Y/YH, Y/Y0). При включении трансформатора на параллельную работу с другими трансформаторами имеет значение сдвиг фаз между эдс первичной и вторичной обмоток. Для характеристики этого сдвига вводится понятие о группе соединения обмоток. Принадлежность трансформатора к той или иной группе определяется фазовым углом сдвига между одноименными векторами линейных эдс обмоток ВН и НН. Этот угол зависит от направления намотки обмоток, способов их маркировки и соединения. Если обмотки расположены на одном стержне, намотаны в одну и ту же сторону и имеют одну маркировку зажимов (рис. 2.26,а), то они пронизываются одним и тем же магнитным потоком. Эдс, наводимые в обмотках, по фазе будут совпадать и в любой момент времени будут одинаково ориентированы относительно зажимов. Если обмотки расположены на одном стержне, намотаны в одну и ту же сторону, но имеют разную маркировку, то в таком случае эдс обмоток находятся в противофазе (рис. 2.26,6). То же самое будет наблюдаться, если изменить направление намотки одной из обмоток. Практически принято сдвиг фаз между эдс характеризовать положением стрелок на часовом циферблате. Вектор линейной эдс ОВН принимают в качестве минутной стрелки «часов», совмещенной с цифрой «12» или «0» условного циферблата. Одноименный вектор линейной эдс ОНН принимают за часовую стрелку. Векторы связаны между собой и показания условных «часов» определяют группу соединения трансформаторов. Для связи векторов ОВН и ОНН между одноименными выводами этих обмоток устанавливают перемычку. На рис. 2.27 показано соединение обмоток по схеме «звезда-звезда». Фазные эдс со стороны звезды соответствуют фазным эдс со стороны треугольника. Из рисунка следует, что однородные способы соединения ОВН и ОНН (Y/Y, Δ/Δ) обеспечивают четные группы соединений. На рис. 2.28 отображено соединение обмоток по схеме «звезда-треугольник». Для треугольника фазная эдс является одновременно линейной. В данном случае фазные эдс относительно зажимов ориентированы одинаково. Разнородные способы соединения ОВН и OHН (Y/Δ, Δ/Y) обеспечивают нечетные группы соединений. Большой разнобой в схемах и группах соединений изготовляемых трансформаторов нежелателен. Стандартными являются группы соединений обмоток трехфазных трансформаторов: Y/Yo-0; Y/Δ-11; Δ/Y0-11; Y0/Δ-11, Y/Z-11. У однофазных трансформаторов возможны только две группы соединения обмоток: I/I-0 и I/I-6. Стандартной является группа 0.
Правила включения трансформаторов на параллельную работу. Причины возникновения уравнительных токов. Фазировка трансформаторов. На повышающих и понижающих трансформаторных подстанциях обычно устанавливаются в зависимости от мощности несколько параллельно работающих трансформаторов (рис.2.32). Параллельная работа необходима для обеспечения резервирования в электроснабжении потребителей при аварии или ремонте, а также для уменьшения потерь энергии в периоды малых нагрузок подстанции путем отключения отдельных параллельно работающих трансформаторов. Для достижения наилучшего режима работы требуется, чтобы общая нагрузка подстанции распределялась между трансформаторами пропорционально их номинальной мощности. Это достигается путем выполнения условий: 1) группы соединения обмоток должны быть одинаковыми; 2) коэффициенты трансформации k (напряжения первичной и вторичной обмоток) должны быть одинаковыми; 3) напряжения короткого замыкания иКН% должны быть одинаковыми.
Параллельная работа трансформаторов при неодинаковых группах соединения обмоток, при неодинаковых коэффициентах трансформации и при неодинаковых напряжениях короткого замыкания. Параллельная работа при неодинаковых группах соединения обмоток. Пусть включены на параллельную работу трансформаторы с соединением обмоток Y/Y-0 и Y/Δ-11, имеющие одинаковые первичные и вторичные напряжения (рис. 2.33). Тогда вторичные эдс Е21 и Е2П соответствующих фаз трансформаторов будут равны по значению, но сдвинуты по фазе на угол α, равный 30º. В замкнутом контуре вторичных обмоток возникает разность эдс: ΔE=2E2sin(α/2)≈0,5E2 (2.60). Значение уравнительного тока IУ, протекающего по первичной и вторичной обмоткам трансформаторов, ограничено сопротивлениями обмоток. Оно равно сумме сопротивлений короткого замыкания трансформаторов. Тогда IУ=ΔE/(zKI+zKII) (2.61). В качестве иллюстрации рассмотрена параллельная работа двух трансформаторов в режиме холостого хода с одинаковыми мощностями, коэффициентами трансформации к и сопротивлениями короткого замыкания zK%I=zK%II=иКН%=0,05. Учитывая зависимость (2.60) из (2.61) величина уравнительного тока в процентах от номинального значения тока обмоток составит IУ%=(0,5/2·0,05)·100%=500%. Наличие такого тока будет равносильно короткому замыканию. Параллельная работа трансформаторов с различными группами соединения обмоток недопустима даже в режиме холостого хода. Параллельная работа при неодинаковых коэффициентах трансформации. Пусть у двух однородных трансформаторов первичные и вторичные напряжения не равны, причем Е2I>Е2II. Следовательно, в замкнутом контуре вторичных обмоток будет действовать разность эдс ΔЕ=Е2I-Е2II (рис. 2.34, а). Возникающий уравнительный ток IУ во вторичных обмотках трансформаторов имеет различные направления относительно действующих в них эдс. Трансформатор I (рис. 2.32), т.к. Е2I>Е2II является источником тока, а трансформатор II потребляет этот ток. Падения и zK1IУI, вызываемые уравнительными токами в обмотках трансформаторов, выравнивают вторичные напряжения обмоток U2. При включении нагрузки в трансформаторах возникают токи нагрузки IНГI и IНГII (рис. 2.34, б). Уравнительные токи IУI и IУII складываются с ними и вызывают неравномерную нагрузку трансформаторов. Трансформатор I оказывается перегруженным, а трансформатор II - недогруженным. Пусть параллельно работают два трансформатора одинаковых мощностей, с одинаковыми группами соединения обмоток и сопротивлениями короткого замыкания zK%I=zK%II=иКН%=0,055. Коэффициенты их трансформации k различаются на 1%. Тогда разность эдс ΔЕ будет равна 0,01-UH. Согласно выражению (2.61) уравнительный ток IУ составляет довольно значительную величину. Он будет IУ%=(0,01/2·0,055)·100%≈9%. Также и в этом случае трансформаторы загружены неравномерно. Как показывает опыт эксплуатации при параллельной работе трансформаторов их коэффициенты трансформации не должны различаться более чем на ±0,5% от их среднего значения. Например, для двух трансформаторов с коэффициентами kI и kII такое отличие определяется выражением: Δk=((kI-kII)/√(kIkII))·100%≤±0,5% (2.62). Трансформатор с меньшим значением k, несет большую нагрузку, чем трансформатор с большим k. Параллельная работа при неодинаковых напряжениях короткого замыкания. Три трансформатора работают параллельно, имеют одинаковые группы соединения обмоток и коэффициенты трансформации к. Для упрощения анализа их работы пренебрежем током намагничивания. В результате может быть использована упрощенная схема замещения, которая представлена на рис. 2.35. Определим распределение нагрузки между Рис. 2.35. Параллельная работа трансформаторами. Падение трансформаторов при неодинаковых напряжения в трансформаторной группе: ΔU=I·z=1/Σ(1/zKi) (2.63), где z - сопротивление п трансформаторов в группе; zKi - сопротивление короткого замыкания i-ого трансформатора. Напряжение иKHi% и сопротивление zKi короткого замыкания каждого i-ого трансформатора рассчитываются в соответствии с формулами: uKHi%=(zKiIHi/U1H)·100% (2.64); zKi=uKHi%U1H/100IHi (2.65). Ток каждого i-ого трансформатора определяется выражением: Ii=ΔU/zKi=I/zKi·Σ(1/zKi)=I/uKHi%U1H/100IHi·Σ(100IHi/uKHi%U1H) (2.66). Умножаем обе части выражения (2.66) на коэффициент mU1H: mU1HIi=mU1HI/(m/m)·(uKHi%U1H/100IHi)·Σ(100IHi/uKHi%U1H) (2.67). Тогда нагрузка каждого i-ого трансформатора: Si=S/(uKHi%/SHi)·Σ(SHi/uKHi%) (2.68), где S - суммарная мощность нагрузки, SHi - паспортная мощность i-ого трансформатора. Если пренебречь незначительным сдвигом токов по фазе в ветвях схемы замещения, то можно полагать, что I=II+III+IIII (2.69); S=SI+SII+SIII (2.70). Зависимость (2.68) позволяет определить степень загрузки каждого трансформатора в группе. Например, суммарная мощность нагрузки составляет S=300кВА. Номинальные мощности грех трансформаторов одинаковы. Они составляют 100 кВА. Напряжения короткого замыкания равны иKHI%=4%, иKHII%=5%, иKHIII%=6%. Тогда мощность нагрузки каждого трансформатора составит: {SI=300/(4/100·[100/4+100/5+100/6])=121,5 кВА; SII=300/(5/100·[100/4+100/5+100/6])=97,5 кВА; SIII=300/(6/100·[100/4+100/5+100/6])=81,5 кВА} (2.71). Таким образом, первый трансформатор I с меньшим значением иKH% перегружен, трансформатор II работает с нагрузкой близкой к номинальной, а трансформатор III с большим значением иKH% недогружен. Трансформатор, имеющий меньшее значение напряжения короткого замыкания несет большую нагрузку. Суммарная нагрузка должна быть снижена, чтобы первый трансформатор работал в номинальном режиме, но тогда третий трансформатор будет еще более недогружен. Следовательно, такая работа нецелесообразна. Практически при параллельной работе напряжения короткого замыкания трансформаторов не должны различаться более чем на ±10% от их среднего значения. Для двух трансформаторов, имеющих иKHI% и uKHII%, такое отличие определяется выражением: ΔuK=(uKHI%-uKHII%)/(0,5·(uKHI%+uKHII%)·100%≤±10% (2.72). При включении на параллельную работу трансформаторов с разными значениями uKH некоторое перераспределение нагрузок может быть достигнуто изменением коэффициента трансформации k при помощи переключателя ответвлений обмоток (у перегруженных трансформаторов вторичное напряжение при холостом ходе U20 должно быть меньше, чем у недогруженных трансформаторов). Допускается при эксплуатации отношение номинальных мощностей параллельно работающих трансформаторов в пределе 1:3. Перед включением трансформаторов параллельно на общую нагрузку с соблюдением вышеупомянутых условий необходимо на холостом ходу провести их фазировку. Затем убедиться, что на одну и ту же нагрузочную шину включаются такие выводы отдельных трансформаторов, напряжения которых совпадают по фазе. При фазировке трехфазных трансформаторов с одной и той же группой соединения обмоток между одноименными выводами напряжение отсутствует, а между разноименными равно линейному напряжению вторичных обмоток. В сетях до 380 В фазировка проводится вольтметрами (непосредственная фазировка), в сетях выше 380 В и высоковольтных сетях дополнительно используются измерительные трансформаторы напряжения группы 0 (косвенная фазировка).
Мощность потерь трансформаторов при параллельной работе. Определение суммарной мощности потерь параллельно работающих трансформаторов позволяет найти пределы нагрузок подстанции, при которых целесообразно переходить от работы одного трансформатора к параллельной работе двух, трех и т. д., что дает заметный экономический эффект. Например, на подстанции установлены три одинаковых трансформатора с потерями холостого хода Р0H и короткого замыкания РКH. Если всю нагрузку подстанции песет один трансформатор, то мощность потерь составляет 2Р0H+β2РКH. Если при той же нагрузке подстанции параллельно работают два трансформатора, то мощность потерь составляет 2Р0H+2(β/2)2РКH. Приравнивая потери одного трансформатора и потери двух трансформаторов, определим значение β2, при котором потери в двух трансформаторах будут меньше, чем в одном: P0H+β2PKH=2P0H+2(β/2)2PKH (2.73); β=β2=√(2P0H/PKH) (2.74). Параллельное включение трех трансформаторов позволяет найти β3, при котором потери в них будут меньше, чем в двух: 2P0H+2(β/2)2PKH=3P0H+3(β/3)2PKH (2.75); β=β3=√(6P0H/PKH) (2.76). Данный подход служит для определения рационального режима работы трансформаторов подстанции при ее проектировании и эксплуатации. Он используется также при неодинаковых потерях в трансформаторах. Экономический эффект достигается за счет снижения потерь холостого хода трансформаторов в случае отключения их части из сети питания в часы минимума нагрузок (ночные смены, выходные дни).
Особенности холостого хода трехфазных трансформаторов в зависимости от конструкции магнитопровода и способа соединения обмоток. Для анализа режима холостого хода рассмотрим трехфазной трансформатор с соединением обмоток Δ/Y (рис. 2.29 а). Пусть каждая фаза его первичной обмотки подключена к синусоидальному напряжению сети. Тогда потоки будут синусоидальными, а фазные токи содержать высшие гармоники, из которых более других выделяется третья гармоника. Кратные трем гармоники тока холостого хода по фазе совпадают. По этой причине в линейных токах, которые представляют разность токов соответствующих фаз, гармоники, кратные трем, будут отсутствовать. Токи гармоник, кратных трем, будут циркулировать внутри замкнутого треугольника. Если обмотки соединить по схеме Y/Δ, то гармоники, кратные трем, в фазных токах не могут существовать. Из нулевой точки нет выхода и гармоники, кратные трем, будут друг друга компенсировать (рис. 2.29 б). В результате, фазные токи холостого хода принимают синусоидальную форму. При этом потоки во всех трех магнитопроводах перестают быть синусоидальными. Они принимают уплощенную форму вследствие насыщения магнитопровода. Каждая гармоника потока индуктирует в обмотке свою эдс, отстающую по фазе на угол π/2. Все фазные эдс принимают пикообразную форму. В ряде случаев амплитуда третьей гармоники Е3т равна примерно половине амплитуды первой гармоники Е1m, т.е. Е3т≈0,5Е1т. Результирующая эдс фазы возрастает возникает опасность пробоя изоляции обмоток. Вместе с тем, линейные эдс синусоидальны. Уплощенная кривая потока наряду с основной гармоникой Ф|У будет иметь относительно сильную третью гармонику Ф3Y (рис. 2.30, а). Третьи гармоники потока, совпадающие по фазе, индуктируют во вторичной обмотке, соединенной треугольником, три равные по значению и совпадающие по фазе эдс Е3Δ. Они складываются в контуре треугольника и создают ток IЗΔ. Если пренебречь активным сопротивлением обмоток, то ток имеет индуктивный характер. Создаваемый им поток Ф3Δ почти полностью компенсирует поток Ф3Y. Поэтому результирующие потоки фаз будут практически синусоидальными (рис. 2.30, б). Следовательно, при соединении одной из обмоток трансформатора в треугольник магнитные потоки, эдс и напряжения фаз остаются практически синусоидальными. Целесообразно также рассмотреть работу трансформатора при включении его по схеме Y/Y. В случае соединения обмоток по схеме Δ/Y было установлено, что фазные токи имеют синусоидальную форму, а потоки - уплощенную, т.е., представлены совокупностью первой гармоники и гармоник, кратных трем. В трехфазной группе однофазных трансформаторов (рис. 2.31, а) и в трансформаторах броневого типа (рис. 2.31, б) третьи гармоники замыкаются по магнитопроводу. В результате фазные эдс несинусоидальны, линейные же эдс не содержат гармоник кратных трем. В трехстержневых трансформаторах (рис. 2.31, в) третьи гармоники потока не могут замыкаться по магнитопроводу. Они вытесняют друг друга за его пределы и замыкаются от одного ярма к другому через трансформаторное масло или воздух, через стенки бака, крепежные детали, что вызывает добавочные потери от вихревых токов. Сопротивление магнитной цепи для третьих гармоник резко возрастает. Их амплитуда снижается до приемлемого малого уровня. Потоки во всех стержнях принимают практически синусоидальную форму, синусоидальными будут также фазные и линейные эдс. При соединении обмоток по схеме Y/Y возникают искажения кривых фазных напряжений, а в трехстержневых трансформаторах - добавочные потери от вихревых токов. В случае наличия нулевого провода образуется замкнутый контур для третьих гармоник тока. Причем в нулевом проводе ток имеет утроенное значение тока третьей гармоники фазы трансформатора. Если этот контур создается через сопротивление нагрузки или другие сопротивления, то величина и влияние токов третьей гармоники уменьшится. Трансформаторы большой мощности с соединением обмоток по схеме Y/Y, заводами-изготовителями, как правило, не производятся. В случае потребности в таких трансформаторах используют дополнительную, третичную, обмотку, соединенную в треугольник. Сечение обмотки рассчитано только на токи третьей гармоники фазы трансформатора.
Способы охлаждения трансформаторов. Особенности конструктивного исполнения систем охлаждения. Повышение номинальной мощности трансформатора приводит к увеличению потерь ΔpΣ в нем, которые растут пропорционально кубу линейных размеров l3 а поверхности охлаждения Sохл - пропорционально их квадрату l2. Это приводит к необходимости по мере роста номинальной мощности отступать от конструктивного подобия трансформаторов и увеличивать относительные размеры охлаждающих поверхностей обмоток, магнитной системы и бака. Конструкция масляного бака зависит от мощности трансформатора. В маломощных трансформаторах (SH≤20кВА) баки имеют гладкую поверхность. Внутри бака происходит естественная конвекция масла (способ охлаждения М). Стенка бака отдает тепло в окружающую среду путем конвекции и лучеиспускания воздуха. Наибольшая допустимая температура масла в верхних слоях 95°С. При мощности трансформаторов от 20 кВА до 1800 кВА и выше к стенкам бака привариваются трубы (рис. 2.38,а) или используются радиаторы (рис.2.38,б). В трансформаторах большей мощности применяется также обдувание каждого радиатора вентиляторами (способ охлаждения Д), в результате чего теплоотдача увеличивается на 50-60% (рис. 2.39). Более интенсивным является водомасляное охлаждение (способ Ц), схема которого изображена на рис. 2.40. Нагретое масло откачивается из верхней части бака насосом, пропускается по специальным каналам через водяной маслоохладитель (теплообменник), представленный на рис. 2.41, и поступает в нижнюю часть бака. Иногда теплообменники помещают внутри бака трансформатора. Искусственное воздушно-масляное охлаждение (способ ДЦ) применяется для трансформаторов весьма большой мощности, при котором нагретое масло при помощи насоса пропускается через вынесенный охладитель, обдуваемый воздухом. Схема для способа охлаждения ДЦ показана на рис. 2.42. Обычно искусственное дутье рассчитывается таким образом, что мощность трансформатора увеличивается примерно на 30%. Обслуживание устройств охлаждения проводится в определенные сроки, условия эксплуатации требуют учета климатических и производственных условий, состояния частей трансформатора, других факторов. На крышке трансформаторного бака устанавливаются маслонаполненные вводы, внутри которых проходит медный стержень, служащий для соединения трансформатора с внешней сетью. Трансформаторы мощностью свыше 75 кВА для заполнения маслом над крышкой бака имеют расширитель с соединенной с ним выхлопной трубой (рис.2.43). Объем расширителя составляет 8-10% от объема масла в баке. Он выбирается таким, чтобы при любых колебаниях температуры и объема масла верхний уровень масла оставался в пределах расширителя. При этом также уменьшается открытая поверхность масла. В расширителе устанавливается силикагелевый воздухоосушигель, поглощающий из воздуха влагу. Однако полностью воздух не осушается и влажность его в расширителе повышается. Для предотвращения этого применяют герметичные баки с газовой подушкой из азота или свободное пространство заполняют азотом, который поступает из специальных емкостей. Между расширителем и баком устанавливается газовое реле. Оно служит для сигнализации и отключения трансформатора от сети при разложении масла и выделении газа при аварии. Кроме того, на крышке бака устанавливается выхлопная труба, закрытая тонкой мембраной из тонкого стекла или медной фольги. Мембрана лопается при повышении давления внутри бака, что защищает его от разрыва. Верхняя полость выхлопной трубы и воздушное пространство над поверхностью масла в расширителе соединены трубкой для выравнивания давлений с обеих сторон диафрагмы при изменении объема масла. Аварийный сброс масла, а также его слив для замены новым маслом происходит в специально приготовленные заранее на месте монтажа маслосборные ямы. В процессе эксплуатации осуществляется окисление, увлажнение и загрязнение масла, что ухудшает его изоляционные свойства. Отборы проб масла выполняется регулярно, а также периодически проводится его очистка, сушка или замена. Сушке подвергаются также магнитопроводы и обмотки. Маслоуказатель, устанавливаемый в торцевой части расширителя, служит для контроля уровня масла в трансформаторе. Применяются плоские и трубчатые стеклянные маслоуказатели, работающие по принципу сообщающихся сосудов. На шкале маслоуказателя нанесены три контрольные риски, соответствующие уровням масла в неработающем трансформаторе при температурах -45, +15, +40 °С. В корпус маслоуказателя встроен специальный герметичный контакт (геркон), подающий сигнал в случае недопустимого понижения уровня масла в трансформаторе. В сухих трансформаторах бак заменен легким кожухом. Отсутствие масла и применение в качестве твердой изоляции обмоток стекловолокна и других материалов существенно повышает пожарную безопасность установки. Однако воздух является менее совершенной изолирующей и охлаждающей средой, чем масло. Поэтому требуется увеличивать изоляционные промежутки и охлаждающие каналы, допускать меньшие нагрузки, что ведет к снижению потерь по сравнению с масляными трансформаторами. Для уменьшения потерь от потоков рассеяния стальные баки экранируются с внутренней стороны пакетами электротехнической стали или пластинами из немагнитных материалов (меди, алюминия). Трансформаторы мощностью до 1800 кВА перевозят в собранном виде, масляные заполнены маслом. Трансформаторы большей мощности транспортируют с демонтированными радиаторами, расширителями и т.д.
Регулирование напряжения трансформаторов. Колебания нагрузок потребителей вызывает колебания вторичного напряжения трансформатора, поэтому возникает необходимость регулирования напряжения трансформаторов путем изменения коэффициента трансформации k=w1/w2, т. е. числа включенных в работу витков первичной или вторичной обмотки. Для этого обмотка выполняется с рядом ответвлений и снабжается специальным переключающим устройством. У понижающих трансформаторов при необходимости повысить или понизить напряжение на вторичной стороне НН следует на первичной стороне ВН переходить соответственно на меньшее или большее число витков. Для повышающих трансформаторов переход осуществляется на большее или меньшее число витков обмотки ВН в соответствии с необходимостью повысить или понизить напряжение на вторичной стороне ВН. Ответвления расположены на той стороне, где в процессе эксплуатации напряжение подвергается изменениям. Чаще всего это сторона высшего напряжения ВН или среднего напряжения СН. Переключаемые участки целесообразно располагать в средней части обмотки. Это необходимо, чтобы части обмоток были равномерно загружены и не вызывали существенного искажения магнитного поля рассеивания, которое, в свою очередь, способствует созданию усилий, возникающих при коротких замыканиях, стремящихся сдвинуть обмотки друг относительно друга в осевом направлении. Опасность разрушения обмоток при этом тем меньше, чем равномернее распределены отключаемые витки по высоте обмотки. Поэтому в многослойных цилиндрических обмотках (рис. 2.22, 2.23) отключаемые витки размещают в конце обмотки. В этом случае облегчается изоляция переключающего устройства. Наиболее характерные схемы обмоток с ответвлениями представлены на рис. 2.36. Схемы регулирования напряжения вблизи нулевой точки при соединении обмотки в звезду на рис. 2.36, а,б,в допускают применение наиболее простого и дешевого переключателя - одного на три фазы трансформатора. В этих схемах рабочее напряжение между отдельными частями переключателя не превышает 10% линейного напряжения обмотки (при соединении треугольником рабочее напряжение достигает 100% от номинального). Схема рис. 2.36,а для регулирования напряжения при многослойной цилиндрической обмотке применяется в трансформаторах мощностью до 160 кВА. В трансформаторах мощностью от 250 кВА и выше используют схему рис. 2.38,б. Согласно этой схеме регулировочные витки, располагаемые в наружном слое обмотки, размещают симметрично относительно середины высоты обмотки во избежание повреждения при коротких замыканиях в результате действия механических сил. Намотка регулировочных витков ведется тем же проводом и с тем же направлением намотки, что и основных витков обмотки. В соответствии с рис. 2.38,в и г регулирование напряжения выполняется при многослойной цилиндрической катушечной и катушечной обмотке (рис. 2.24), причем одна половина обмотки мотается правой, а другая левой намоткой. Когда обмотки соединены треугольником схема 2.38,в и г не применяется. Переключение ответвлений может проводиться для отключенного трансформатора от сети или же без его отключения, под нагрузкой. В первом случае переключающее устройство проще и дешевле, но его использование вызывает перерыв энергоснабжения потребителей. Этот способ чаще всего применяют для коррекции вторичного напряжения сетевых понижающих трансформаторов в зависимости от уровня первичного напряжения на данном участке сети, а также при сезонных изменениях нагрузки. Трансформаторы, работающие в таком режиме, называются трансформаторами с устройствами переключения без возбуждения (ПБВ). Трансформаторы с устройствами ПБВ изготовляются с регулированием напряжения относительно номинального на +5%, +2,5%, -2,5% и -5% (масляные силовые трансформаторы). Переключатель располагают внутри бака трансформатора, а концы осей переключателей выводятся на крышку бака. Переключение под нагрузкой применяется в мощных трансформаторах при необходимости частого и непрерывного регулирования напряжения. Трансформаторы, работающие в таком режиме, называются трансформаторами с устройствами регулирования под нагрузкой (РПН). Они рассчитаны для регулирования напряжения в пределах 6...10 % через 1,25...1,67 %. В трансформаторах с устройствами РПН переход с одной ступени на другую должен проходить без разрыва цепи тока. В процессе переключения часть обмотки оказывается замкнутой накоротко. Для снижения тока короткого замыкания применяют токоограничивающие реакторы или активные сопротивления.
Несимметричная нагрузка трехфазных трансформаторов. Общая характеристика. При эксплуатации трехфазных трансформаторов часто встречаются случаи, когда нагрузка и напряжения отдельных фаз неодинаковы. Несимметрия фазных UФ и линейных UЛ напряжений неблагоприятно сказывается на потребителях электроэнергии. На практике в сетях, питающихся от трансформаторов, случаются несимметричные короткие замыкания (однофазные на землю или нулевой провод и двухфазные). При анализе несимметричных режимов работы удобно пользоваться методом симметричных составляющих, полагая, что коэффициент трансформации k=1 (w1=w2), а ток намагничивания примерно равен нулю. Применительно к трансформаторам этот метод можно упростить, так как для токов прямой и обратной последоватьности активное и индуктивное сопротивления обмоток одинаковы. В данном случае могут быть использованы рассмотренныеранее схемы замещения. Это справедливо, так как сопротивление трансформатора по отношению к токам указанных последовательностей равно сопротивлению короткого замыкания zK.
Условия работы трансформаторов при несимметричной нагрузке. Несимметричная нагрузка при отсутствии токов нулевой последовательности. Токи Нулевой последовательности отсутствуют в случае, когда сеть не имеет нулевого провода или когда этот провод не нагружен током. Действие токов прямой и обратной последовательностей можно учитывать совместно, т.к. сопротивления трансформатора для них одинаковы, а сами токи одинаково трансформируются из одной обмотки в другую. При условиях w1=w2 и равенстве нулю тока намагничивания первичные и вторичные токи прямой последовательности в каждой фазе равны по значению и противоположны по знаку. Это справедливо также для токов обратной последовательности и для суммы токов обеих последовательностей. Полные токи фаз с учетом принятых допущений: IA=-Ia; IB=-Ib; IC=-Ic (2.135). Намагничивающие силы и токи первичных, а также вторичных обмоток уравновешиваются в каждой фазе и в каждом магнитопроводе по отдельности. Следовательно, влияние токов фаз друг на друга будет отсутствовать. Поэтому при расчетах каждую фазу можно рассматривать в отдельности. Для несимметричной нагрузки падение напряжения в отдельных фазах трансформатора ΔU различны. Если токи фаз не превышают номинальных значений, то при I0П=0 величины ΔU относительно малы, т.к. малы значения сопротивления zП. Несимметричная нагрузка трансформатора при I0П=0 не вызывает значительного искажения симметрии фазных и линейных напряжений. В результате не возникает больших осложнений в работе трансформатора. Согласно стандарту трехфазная система токов или напряжений считается практически симметричной, если составляющая обратной последовательности равна не более 5% составляющей прямой последовательности. Несимметричная нагрузка при наличии токов нулевой последовательности. Токи нулевой последовательности возникают, когда вторичная обмотка соединяется в звезду с нулевым проводом. При этом между линейным и нулевым проводом включаются однофазные приемники. Они могут появиться в случае однофазного короткого замыкания на вторичной стороне трансформатора. Предположим, что система первичных напряжений трансформатора симметрична. В результате следует рассмотреть два случая: 1) токи нулевой последовательности возникают в обеих обмотках трансформатора, включенных по схеме Y0/Y0 и Δ/Y0; 2) токи нулевой последовательности возникают только в одной обмотке трансформатора, включенных по схеме Y/Y0. В первом случае пренебрегая намагничивающим током нулевой последовательности будем иметь: IA0=IB0=IC0=-Ia0=-Ib0=-Ic0 (2.136). Намагничивающие силы токов нулевой последовательности взаимно уравновешиваются в каждой фазе трансформатора. Сопротивление нулевой последовательности z0П=zK. Если это так, то для этого случая применимы схемы замещения рис. 2.50,а,в. Нулевые составляющие вторичного напряжения Ua0, возникают только за счет относительно небольших падений напряжения zKIA0. Поэтому в трансформаторах с рассматриваемыми схемами соединения обмоток при несимметричной нагрузке трехфазная система напряжений искажается относительно слабо. Во втором случае токи нулевой последовательности Iа0 возникают только во вторичной обмотке. Они являются чисто намагничивающими, поскольку не уравновешены токами IA0 первичной обмотки. Эдс нулевой последовательности Е0П=-zM0Ia0 могут достигать значительных величин, что приводит к сильному искажению системы фазных эдс и напряжений. Если первичная обмотка трансформатора (Y) подключена к сети, линейные напряжения которой UAB, UBC, UCA симметричны, то они являются напряжениями прямой последовательности. Векторная диаграмма первичных линейных и фазных напряжений холостого хода трансформатора представлена на рис.2.52,а. В рассматриваемом случае фазные эдс EA1≈-UA1, EB1≈-UB1, EC1≈-UC1 также будут представлять симметричную систему прямой последовательности. Векторная диаграмма вторичных напряжений по своему виду аналогична векторной диаграмме первичных напряжений. Пусть теперь вторичная обмотка (У0) нагружена несимметрично с содержанием токов всех последовательностей. Вторичные токи прямой и обратной последовательности уравновешиваются токами первичной обмотки и вызывают только относительно малые падения напряжения. Однако, токи нулевой последовательности вторичной обмотки не уравновешены со стороны первичной обмотки. Они индуктируют в обеих обмотках эдс Е0П, которые складываются с эдс прямой последовательности. В результате полные фазные эдс будут равны: EA=EA1+E0П; EB=EB1+E0П; EC=EC1+E0П (2.137). Система первичных фазных напряжений при пренебрежении падениями напряжений определится векторами: UA≈-EA, UB≈-EB, UC≈-EC (2.138). Система первичных фаз напряжения сильно искажается (рис. 2.52,6), а нулевая точка на диаграмме смещается на величину Е0П. Она не будет совпадать с центром тяжести треугольника линейных напряжений. Диаграмма вторичных напряжений имеет аналогичный вид. Направление векторов Е0П зависит от фазы Iа0 и определяется характером нагрузки. В линейных напряжениях нулевые составляющие отсутствуют. При соединении обмоток по схеме Y/Y0 токи нулевой последовательности вызывают значительные искажения фаз напряжений, что неприемлемо и опасно для однофазных приемников. В групповых, броневых и бронестержневых трансформаторах при схеме Y/Y0 искажения системы фазных напряжений относительно велики. Они возникают при незначительных по величине токах нулевой последовательности. В этом случае на каждой фазе выполняется третья (третичная или компенсационная) обмотка, соединенная в треугольник, которая может также использована для подключения нагрузки. Такой трансформатор называется трехобмоточным. В трехстержневых трансформаторах мощностью до 6000 кВА искажения системы фазных напряжений меньше, т.к. zM0<zM. Согласно стандарту ток в нулевом проводе не должен превышать 25% от номинального тока. Ток нулевой последовательности тогда составит 8,3 % номинального тока. Трансформаторы со схемой Y/Z0 хорошо переносят нагрузки с содержанием токов нулевой последовательности. Вызвано это тем, что эти токи уравновешиваются во вторичных обмотках, поскольку на каждом магнитопроводе имеются две половины фаз вторичной обмотки, которые обтекаются токами нулевой последовательности в противоположных направлениях (рис. 2.25).
Трехобмоточные трансформаторы. Автотрансформаторы. Трехобмоточные трансформаторы. Трехобмоточные трансформаторы с одной первичной обмоткой 1 и двумя вторичными обмотками 2 и 3 (рис.2.53,а) используются на электрических станциях и подстанциях для питания распределительных сетей с различными номинальными напряжениями. Обмотки 2 и 3 приведены к числу витков обмотки 1, коэффициенты приведения (трансформации) при этом равны: k12=w1/w2; k13=w1/w3 (2.139). Схема замещения трехобмоточного трансформатора представлена на рис. 2.53,б. Характерной особенностью трансформаторов такого типа является взаимное влияние напряжений вторичных обмоток при изменении нагрузки на одной из них, т.к. при этом изменяется падение напряжения первичной обмотки z1I1. Параметры схемы замещения трехобмоточного трансформатора определяются расчетом или устанавливаются из данных трех опытов короткого замыкания, схемы проведения которых представлены на рис. 2.54. Опытные значения сопротивлений короткого замыкания равны: {zK12=z1+z2=rK12+jxK12=(r1+r2)+j(x1+x2); zK13=z1+z3=rK13+jxK13=(r1+r3)+j(x1+x3); zK23=z2+z3=rK23+jxK23=(r2+r3)+j(x2+x3)} (2.140). Параметры схемы замещения определяются по формулам: {z1=(zK12+zK13-zK23)/2; z2=(zK12+zK23-zK13)/2; z3=(zK13+zK23-zK12)/2;} (2.141). Аналогичным образом устанавливаются активные и индуктивные сопротивления обмоток. Из опытов короткого замыкания определяются напряжения короткого замыкания uK12, uK13, uK23 (рис. 2.54), которые в относительных единицах равны соответствующим значениям сопротивлений короткого замыкания трехобмоточного трансформатора. Данные опыта короткого замыкания между обмотками 2 и 3 должны быть приведены к первичной обмотке с коэффициентом k12=w1/w2≈U1H/U2H. Номинальной мощностью трехобмоточного трансформатора является мощность его первичной обмотки, которая является наиболее мощной. Мощности обмоток трехобмоточного трансформатора: S1=mU1I1; S2=mU2I2; S3=mU3I3 (2.142). Если обмотка 1 является первичной, то мощности обмоток находятся в соотношении S1≤S2+S3 (2.143). Стандартно трехобмоточные трансформаторы выполняются с соотношениями номинальных мощностей трех обмоток в процентах (100, 100, 100; 100, 100, 67; 100, 67, 100; 100, 67, 67). Напряжения короткого замыкания определяются при токах, которые соответствуют номинальной мощности наиболее мощной обмотки. Трехфазные трехобмоточные трансформаторы выполняются с группами соединений Y0/Y0/Δ-0-11; Y0/Δ/Δ-11-11; однофазные - I/I/I-0-0. На мощных электрических станциях установлены трехобмоточные трансформаторы с двумя первичными обмотками и одной вторичной. первичные обмотки рассчитаны на одно номинальное напряжение, к ним присоединены генераторы, а вторичная обмотка соединяется с линиями передачи. Трансформаторы выполняются однофазными и соединяются в трансформаторную группу. Автотрансформаторы. В сетях высокого и низкого напряжений нередко возникает необходимость сравнительно небольшого изменения напряжения. Использование обычных двухобмоточных трансформаторов при этом бывает неэкономичным. Поэтому применяют трансформаторы, у которых первичная и вторичная обмотки имеют и электромагнитную, и электрическую связь. В автотрансформаторе первичная обмотка включается в сеть параллельно, а вторичная w2 - последовательно. Устройство обмоток и их расположение на стержнях такие же, как и в обычном трансформаторе. Однако из-за наличия электрической связи между обмотками изоляция каждой из них относительно корпуса должна быть рассчитана на напряжение сети высшего напряжения UBH. Способы включения обмоток автотрансформатора представлены на рис. 2.55. Автотрансформаторы бывают повышающими и понижающими. Во всех случаях справедливо выражение UBH=UHH+U2. (2.144). Коэффициент трансформации автотрансформатора ka определяется, если пренебречь потерями, падениями напряжения в обмотках и током намагничивания, отношением: ka=U1/U2=E1/E2/I1/I2=w1/w2 (2.145). Коэффициент трансформации обычного трансформатора k=UBH/UHH=IHH/IBH (2.146). Расчетная (внутренняя, типовая) мощность SP, передаваемая электромагнитным путем из первичной обмотки во вторичную, как и в обычном трансформаторе: SP=U1I1=U2I2 (2.147). Проходная (внешняя, номинальная) мощность SПР, передаваемая из одной сети в другую, равна: SПР=UHHIHH=UBHIBH (2.148). Часть мощности передается из одной сети в другую непосредственно электрическим путем, поэтому SПР>SР. Расход материалов, габариты автотрансформаторов определяются расчетной мощностью SP. Проходная мощность SПР больше расчетной SР. Поэтому применение автотрансформаторов выгоднее, чем обычных трансформаторов, у которых проходная и расчетная мощности равны. Для схемы рис. 2.55,а справедливо выражение: SPH/SПРН=E2I2/UBHIBH=IBH(UBH-UHH)/UBHIBH=(k-1)/k (2.149). Для схемы рис. 2.55,б зависимость (2.149) приобретает вид: SPH/SПРН=E2I2/UBHIBH=IНH(UBH-UHH)/UBHIBH=k-1 (2.150). На практике чаще применяют схему, представленную на рис.2.55,а, поскольку в схеме рис.2.55,б ток вторичной обмотки в k раз больше. Желательно, чтобы коэффициент трансформации k был близок к единице. Обычно используются автотрансформаторы с k≤2,5. Потери и напряжения короткого замыкания, если их отнести к проходной мощности и к номинальному напряжению сети, обычно в SP/SПР раз меньше, чем в обычных трансформаторах. При этом увеличивается кпд передачи энергии но, вместе с тем, увеличиваются токи короткого замыкания. Величина α=SP/SПР называется коэффициентом выгодности автотрансформатора. В трехфазных сетях обмотки трансформатора обычно соединяются в звезду (рис.2.56,а). При этом для устранения третьей гармоники в потоках и эдс применяют дополнительную обмотку малой мощности, соединенную в треугольник. При соединении обмотки в треугольник (рис.2.56,б) коэффициент трансформации k может меняться от 1 до 2. В то же время эта схема используется редко. В энергетических системах находят применение трехобмоточные трансформаторы, в которых обмотки высшего и среднего напряжения имеют автотрансформаторную связь. Они соединяются в звезду. Обмотка низшего напряжения имеет с остальными обмотками трансформаторную связь и соединяется в треугольник. По условиям безопасности при эксплуатации нельзя связывать сети низшего напряжения с сетями высшего напряжения с помощью автотрансформаторов. Автотрансформаторы могут быть выгодно использованы для связи высоковольтных сетей смежных напряжений (110 и 220 кВ, 220 и 500 кВ).
Трансформаторы специального назначения (печные, сварочные, выпрямительные, измерительные). Реакторы. Сварочные трансформаторы. Для электрической дуговой сварки используют трансформаторы, вторичное напряжение которых обеспечивает надежное и устойчивое горение дуги (U20=40-70 В). У таких трансформаторов режим работы прерывистый с резким переходом от холостого хода к короткому замыканию. Для ограничения сварочного тока в режиме короткого замыкания и устойчивого горения дуги трансформатор должен иметь круто падающую внешнюю характеристику. При этом сварочная цепь должна обладать значительной индуктивностью. Чтобы осуществить регулирование сварочного тока необходимо изменить значение .этой индуктивности. На практике часто применяется схема (рис.2.57) сварочного трансформатора с дополнительной реактивной катушкой. Специальный механизм позволяет регулировать величину зазора δ в магнитной цепи катушки. При уменьшении δ индуктивность катушки возрастает. Эта схема удобна для многопостовой сварки, когда от одного трансформатора питается несколько постов, каждый через свою регулируемую реактивную катушку. Увеличение индуктивного сопротивления достигается у трансформаторов, в которых первичная и вторичная обмотки располагаются на различных стержнях. При этом магнитная связь между обмотками уменьшается, ток нагрузки оказывает значительное влияние на режим работы сварочного трансформатора в отличие от обычного. Используются магнитные шунты, в которых при насыщении магнитный поток вытесняется в стержень. В результате напряжение на вторичной обмотке увеличивается. Печные трансформаторы. Дуговые электропечи являются основными приемниками электроэнергии для процессов электротермии и электролиза. Они работают на однофазном и трехфазном токе низкого напряжения от 110 до 420 В. Вторичный ток их понижающих трансформаторов, подключенных к высоковольтным сетям, составляет десятки и сотни кА. Мощность печных трансформаторов достигает 25 МВА. Вторичная их обмотка выполняется с большим числом параллельных цепей с одним или двумя витками. В трансформаторах дуговых электропечей требуется регулировка вторичных напряжений в широких пределах до ±50% номинального значения. Регулировка идет как с первичной, так и со вторичной стороны путем переключения отдельных групп витков с параллельного на последовательное соединение. Печные трансформаторы работают в тяжелых условиях с резко меняющимися нагрузками (от холостого хода до короткого замыкания). Для ограничения тока короткого замыкания в первичную цепь включают дополнительную реактивную катушку. При концентрических обмотках первичная обмотка, высоковольтная, размещена внутри, а вторичная, низковольтная, снаружи. Первичная обмотка содержит ответвления в сочетании с переключением Y на А. Во вторичной цепи возможны переключения отдельных групп витков с параллельного соединения на последовательное. Механическое крепление обмоток должно быть достаточно надежным, чтобы противостоять значительным усилиям, возникающим при работе таких трансформаторов. Измерительные трансформаторы тока и напряжения. Измерительные трансформаторы применяются при напряжениях более 250 В для установок переменного тока, где требуется отделение цепей измерительных приборов и защитных реле от сети высокого напряжения; для безопасного пользования приборами и упрощения изоляции их токоведущих частей; для преобразования тока или напряжения в значения более удобные для измерения их стандартными приборами (амперметры - до 5 А, вольтметры - до 150 В). Различают измерительные трансформаторы тока и напряжения. Первичную обмотку трансформаторов тока включают последовательно в измерительную цепь, а вторичную их обмотку замыкают на измерительные или релейные устройства с малым сопротивлением. В рабочем режиме магнитный поток трансформатора тока весьма мал. Состояние его магнитопровода далеко от насыщения. Если разомкнуть вторичную цепь, то размагничивающее действие вторичного тока исчезает. Поток существенно возрастает. На зажимах вторичной обмотки возникает опасное для жизни напряжение. Сам трансформатор может выйти из строя из-за пробоя изоляции. В цепях на значительные токи (десятки, сотни ампер и выше) первичной обмоткой трансформатора ток являются токопроводящие шины, на которые трансформатор надевается. При повышенных напряжениях и больших токах трансформаторы тока приобретают значительные размеры, которые, однако, удается уменьшить по мере усовершенствования конструкции. Нормальным режимом работы трансформатора тока является режим близкий к короткому замыканию. Трансформаторы напряжения необходимы для измерения напряжения в высоковольтных сетях, питания цепей напряжения релейной аппаратуры, проведения наладочных операций. Измерительные приборы и обмотки реле подключаются к вторичным обмоткам трансформатора параллельно. Сопротивление нагрузки, как правило, велико и трансформатор напряжения работает в режиме, близком к режиму холостого хода. Выпрямительные трансформаторы. В таких трансформаторах, включенных на вентильные преобразователи (выпрямителей, инверторов) протекают высокочастотные переходные процессы, что необходимо учитывать при их проектировании. Из-за поочередной работы полупроводниковых приборов трансформатор загружен несимметрично. В результате требуется выбрать такую схему соединения обмоток, которая обеспечивала бы нормальные условия намагничивания магнитопровода трансформатора. Токи вторичных обмоток из-за попеременной работы вентилей содержат высшие гармоники. Они не уравновешиваются токами первичных обмоток. Выпрямленное напряжение и ток получаются пульсирующими. Для снижения амплитуды пульсаций увеличивают число фаз вторичной обмотки трансформатора. В шестифазных выпрямительных схемах включают уравнительную катушку (УК) между нейтралями двух трехфазных групп обмоток (рис 2.58). Реакторы. Реакторы по своему устройству аналогичны трансформаторам. Их применяют в качестве токоограничивающих реактивных сопротивлений, регулируемых приемников реактивной мощности, фильтров токов высших гармоник. Реакторы имеют только одну обмотку, мощность которой сильно зависит от магнитной проницаемости железа μFe~1/I. Работа реакторов аналогична работе трансформаторов на холостом ходу. Практическое применение получили реакторы, имеющие в цепи немагнитные зазоры 5 (рис. 2.59), заполненные изоляционным материалом (прессованный картон, гетинакс и т.п.). Зазоров выполняется несколько для увеличения устойчивости реактора к действию токов короткого замыкания. Характеристики реактора становятся линейными, так как магнитное сопротивление магнитопровода в основном определяется материалом зазоров. Реакторы выполняются однофазными и трехфазными, изготавливаются с переменным реактивным сопротивлением (изменение числа витков, размеров воздушных зазоров, применение подмагничивания магнитопровода), имеют естественное масляное или воздушное охлаждение. Для ограничения токов короткого замыкания в сетях до 10 кВ применяются бетонные реакторы, изготовленные из концентрически расположенных витков круглого многожильного провода, который заливается в бетонные колонны. Обмотки рассчитаны на токи в тысячи ампер и значительные механические усилия. Металлические детали реакторов выполняются из немагнитной стали. Обслуживание реакторов аналогично обслуживанию трансформаторов.
Испытания, эксплуатация и ремонт силовых трансформаторов. Государственные стандарты указывают технические требования к показателям качества трансформаторов и программы испытаний для определения этих показателей. Качество трансформатора - совокупность его свойств, которые обусловливают пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с назначением. Показатели качества - количественная характеристика свойств трансформатора, входящих в состав качества. Испытания проводятся на предприятиях электротехнической промышленности, электроремонтных цехах, мастерских предприятий. Они подразделяются в зависимости от целей на следующие виды: 1) приемочные испытания проводятся на опытном образце трансформатора с целью приемки его для серийного производства и имеют наиболее подробную программу; 2) приемо-сдаточным испытаниям подвергают каждый трансформатор по более короткой программе с целью выявления их пригодности к эксплуатации за минимально возможное время; 3) периодические испытания проводят в определенные сроки, оговоренные стандартами или техническими условиями, с целью убедиться в том, что в процессе производства качество трансформаторов существенно не изменилось по сравнению с программами приемочных испытаний; 4) типовые испытания проводятся при изменении конструкции, материалов или технологии, которые могут оказать влияние на характеристики трансформаторов. Приведенные виды испытаний относятся к промышленным испытаниям. Они включают в следующие операции: 1) проверка коэффициента трансформации и группы соединения обмоток; 2) определение сопротивления обмоток постоянному току; 3) проверка тока и потерь холостого хода, потерь и напряжения короткого замыкания на основных ответвлениях обмоток; 4) определение параметров изоляции; 5) измерение сопротивлений нулевой последовательности; 6) испытания на нагревание; 7) стойкость к коротким замыканиям, на плотность бака, уровень звука; 8) определение влагосодержания и содержания механических примесей для масла из бака трансформатора; 9) испытание устройств РПН в сборе с трансформатором. В программу приемо-сдаточных испытаний входят, как правило, первые четыре пункта. При испытаниях определяют пробивное напряжение масла. Для трансформаторов мощностью до 6,3 МВА класса напряжения 35 кВ допускается брать пробы масла не реже одного раза в день из емкости, служащей для заливки масла в трансформатор. Перед включением трансформатора в сеть из резерва или после ремонта производится осмотр как самого трансформатора, так и включаемого с ним оборудования (переключающих устройств, элементов цепи заземления, токопроводов, устройств защиты и др.). Включение трансформатора в сеть осуществляется толчком на полное напряжение со стороны питания. Для сетевых трансформаторов эта операция выполняется со стороны обмотки высшего напряжения. Релейная защита не должна отключать трансформатор от сети при броске тока намагничивания, что достигается соответствующей настройкой. При включении трансформатора в работу не исключено появление на нем сразу номинальной нагрузки. Включение на номинальную нагрузку разрешается при любой отрицательной температуре воздуха трансформаторов с системами охлаждения М и Д и не ниже -25 С трансформаторов с системами охлаждения ДЦ и Ц. Если температура воздуха и масла в трансформаторе окажутся ниже указанной, ее поднимают включением трансформатора на холостой ход или под нагрузку не более 50% номинальной. В аварийных ситуациях этих ограничений не придерживаются, что отражается на износе изоляции обмоток. Циркуляционные насосы и вентиляторы систем охлаждения во избежание их повреждения включают в холодное время года при определенных температурах окружающего воздуха. Трансформаторы в реальных условиях работают с переменной нагрузкой, причем большую часть суток их нагрузка меньше номинальной. В процессе эксплуатации возникают перегрузки, значение и продолжительность которых определяется стандартом. Перегрузка трансформатора при этом не должна превышать 50% его номинальной мощности. Превышения напряжения на трансформаторах сверх номинального допускаются в сравнительно небольших пределах: 1) длительно на 5% при нагрузке не выше номинальной; 2)длительно на 10% при нагрузке не выше 25% номинальной; 3) длительно до 10% для станционных трансформаторов в блоке с генератором, автотрансформаторов без ответвлений со стороны нейтрали и регулировочных трансформаторов при нагрузке не выше номинальной. Превышение указанных напряжений приводит к перенасыщению магнитопровода, увеличению тока и потерь холостого хода, что является причиной местных нагревов стальных конструкций магнитопровода. Контроль за тепловым режимом трансформаторов ведут путем периодического измерения температуры верхних слоев масла термометрами. Защита трансформаторов от атмосферных и коммутационных перенапряжений выполняется вентильными разрядниками или путем применения конструктивных решений в самих трансформаторах (экранные кольца на обмотках). Трансформаторы периодически осматривают без отключения. Целью периодических осмотров является проверка условий работы трансформатора с выявлением неполадок, которые при развитии могут привести к аварийным повреждениям. Придерживаются следующих сроков: 1) главные трансформаторы и трансформаторы собственных нужд станций и подстанций с постоянным дежурным персоналом осматривают 1 раз в сутки; 2) трансформаторы подстанций гидростанций без постоянного дежурного персонала осматривают 1 раз в месяц. Осмотры проводятся также при действии сигнализации о нарушении режима работы трансформаторов или систем их охлаждения, а также в случае срабатывания устройств релейной защиты или автоматики. При стихийных бедствиях трансформаторы должны осматриваться немедленно. Отключение трансформатора от сети, как правило, производят выключателями сначала со стороны нагрузки, а затем со стороны питания. На подстанциях с упрощенной схемой, без выключателей со стороны сети, отключение трансформатора со стороны нагрузки производят выключателями, а со стороны сети - отделителями. Важным условием долговременной эксплуатации трансформаторов является качество трансформаторных масел. На станциях и подстанциях находят применение масла различных марок, выпускаемые по стандартам и техническим условиям. Каждая марка масла предназначена для заливки в оборудование определенных классов напряжения из-за различия в своих диэлектрических свойствах. В эксплуатации принято делить масло на свежее, регенерированное, чистое, сухое, эксплуатационное и отработанное. Масло подвергают проверке на электрическую прочность, проводят его анализ, при необходимости очищают и сушат. Устранение неполадок и предупреждение аварий требует периодического вывода трансформаторов в текущий и капитальный ремонты. Текущий ремонт представляет комплекс работ, проводимых между двумя очередными капитальными ремонтами. Текущий ремонт проводится без вскрытия трансформатора, ею требует кратковременного вывода его из работы со снятием напряжения. При этом проводится наружный осмотр, чистка, устранение выявленных повреждений, измерение сопротивления изоляции обмоток мегаомметром на напряжение 2500 В. Текущие ремонты главных трансформаторов станций и подстанций, основных и резервных трансформаторов собственных нужд выполняются не реже 1 раза в год, если указанные трансформаторы снабжены устройствами РПН, а при отсутствии таких устройств - не реже 1 раза в 2 года. Капитальный ремонт производится по окончании срока межремонтного периода, устанавливаемого для трансформатора. Осуществляется вскрытие трансформатора, тщательная проверка и ремонт всех его узлов и испытания. В условиях эксплуатации капитальный ремонт крупных трансформаторов выполняется на месте установки с применением специальных конструкций, на ремонтных площадках машинных залов электростанций, имеющих подъездные пути от мест установки трансформаторов. Трансформаторы небольшой мощности ремонтируют в мастерских электрических цехов электростанций и подстанций. Помещения для ремонта, а также временно сооружаемые укрытия должны надежно защищать трансформатор от попадания пыли и атмосферных осадков. Капитальный ремонт главных трансформаторов электростанций и подстанций, основных трансформаторов собственных нужд проводят первый раз не позже чем через 8 лет после включения в эксплуатацию, а в дальнейшем - по мере необходимости в зависимости от состояния трансформатора. Приемка из ремонта отдельных отремонтированных узлов трансформатора начинается до окончания всего комплекса ремонтных работ. Временем окончания ремонта считается момент включения трансформатора в сеть, а окончательная оценка качества ремонта дается после 30 дне л его работы под нагрузкой.
Общие сведения о машинах переменного тока. Конструктивные особенности, классификация, области применения.
Принцип действия асинхронного двигателя. Принцип действия рассмотрен на примере элементарного асинхронного двигателя (рис. 4.3). При неподвижном роторе магнитное поле, представленное в виде постоянного магнита, вращается в зазоре с частотой п1. Оно пересекает проводники короткозамкнутого витка на роторе и индуцирует в них эдс е2. Направление действия эдс в данный момент времени определяется по правилу правой руки. Под действием е2 возникает ток i2, имеющий такое же направление, что и вызвавшая его эдс. Взаимодействие тока i2 с магнитным полем статора приводит к образованию силы FA. Направление действия FA определяется по правилу левой руки. Сила FA образует электромагнитный момент М, под действием которого ротор начинает вращаться с частотой n2. Направления вращения магнитного поля статора и ротора совпадают. Эдс и ток ротора, электромагнитный момент при неподвижном роторе имеют максимальное значение. При увеличении n2 эти параметры уменьшаются, т.к. магнитное поле пересекает проводники ротора с уменьшающейся частотой. При условии n2=n1 асинхронный двигатель устойчиво работать не может, поскольку эдс в обмотке ротора перестает индуцироваться, исчезает ток и момент, снижается частота вращения ротора. При условии n2<n1, в роторе появляются эдс и ток, возникает момент. Он направлен на преодоление сил трения или иных воздействий, приложенных к валу. Следовательно, асинхронный двигатель работает с частотой вращения, которая определяется нагрузкой на его валу. Условие n2<n1 представляет собой основное отличие, асинхронных машин от синхронных машин, для которых n2=n1. Направление вращения магнитного поля статора а, значит, и направление вращения ротора зависит от порядка чередования фаз подводимого к обмотке статора напряжения. Величина, отражающая условие п2≠п1, называется скольжением s=(n1-n2)/n1 (4.4). Из (4.4) частота вращения ротора n2 определяется как: n2=n1(1-s) (4.5). Номинальное скольжение sH соответствует номинальной частоте вращения двигателя п2н. Частота эдс и тока в обмотке ротора при его вращении пропорциональна частоте вращения магнитного поля статора относительно ротора nS=п1-п2: f2=p(n1-n2)/60=f1s (4.6). Частота вращения магнитодвижущей силы статора относительно ротора равна n2=60f2/p=n1s (4.7). Частота вращения магнитодвижущей силы ротора относительно статора больше ns на величину п2, т.е. ns+n2=n1s+n1(1-s)=n1 (4.8). Из (4.8) следует, что действующие в асинхронном двигателе магнитодвижущие силы статора и ротора вращаются в пространстве с синхронной частотой вращения и, независимо от частоты вращения ротора n2. Эти магнитодвижущие силы образуют результирующее магнитное поле в зазоре машины.
Конструкция асинхронной машины. Асинхронные машины по своему устройству делятся на два типа, которые отличаются конструктивным исполнением ротора - машины с короткозамкнутым ротором (рис.4.4) и машины с фазным ротором (рис.4.5). По конструкции статоров машины обоих типов аналогичны друг другу. Статор асинхронной машины состоит из корпуса, сердечника и обмотки. Корпус изготавливают стальным, чугунным, алюминиевым, пластмассовым. Снаружи располагают коробку, в которую помещают концы обмоток статора для соединения между собой и подключения к сети. Сердечник набирают из покрытых лаком листов электротехнической стали толщиной 0,35-0,5 мм. На внутренней поверхности сердечника выполнены пазы, в которые уложена трехфазная обмотка. Обмотка выполнена выполняется по шаблонам изолированным медным или алюминиевым проводом. Она укладывается в пазах таким образом, чтобы пространственный сдвиг между каждой фазой составлял 120ºэл для создания кругового поля асинхронной машины. Обмотка каждой фазы содержит несколько катушек, которые могут соединяться последовательно или параллельно. В зависимости от числа катушек на одну фазу, способа их соединения получают обмотки с различным числом пар полюсов р. Фазы могут быть соединены по схемам «звезда» или «треугольник». Фазное напряжение обмотки статора должно оставаться постоянным. Это условие отображается указанием соответствующего обозначения в паспорте машины или на ее табличке (Y/Д: 380/220; 660/380 и т.д.). Части витков, расположенные в пазах, называют активными сторонами, поскольку в них индуктируются эдс. Части витков, соединяющие активные стороны и расположенные на торцевых частях статора или ротора, называют лобовыми соединениями. Ротор асинхронной машины состоит из вала, сердечника и обмотки. Вал изготовлен из стали и закреплен в подшипниковых щитах. На валу закреплен сердечник, на внешней стороне которого выполнены скошенные пазы для обмотки. Сердечники статора и ротора образуют магнитную систему машины. У короткозамкнутых машин обмотка ротора выполнена из алюминия в виде «беличьей клетки». Обмотка ротора в этом случае выполняется путем запивки пазов расплавленным алюминием. Одновременно отливают замыкающие кольца вместе с лопатками для вентиляции. Обмотка фазного ротора имеет конструкцию по аналогии с обмоткой статора. Она содержит то же число пар полюсов р. Применение скошенных пазов ведет к более равномерному распределению магнитного поля в зазоре вдоль активных проводников и снижению шума машины. Концы обмоток фазного ротора соединены в общую точку. Начала обмоток выведены на контактные кольца, расположенные на валу. Контактные кольца выполняются преимущественно из латуни. Они изолированы друг от друга и от вала. К кольцам прижаты щетки, которые посредством отводов от них, можно замыкать накоротко. В цепь ротора можно включать активные, индуктивные, емкостные сопротивления, а также источники эдс. Такие меры позволяют увеличить пусковой момент, понизить пусковые токи, обеспечить плавность пуска двигателя.
Вращающееся поле асинхронной машины (двигательный режим). В трехфазных асинхронных машинах обеспечение их заданных свойств зависит от характера магнитного поля. При двигательном режиме работы включение статорной обмотки в сеть, например, по схеме «звезда», приводит к появлению в фазных обмотках токов, описываемых выражениями: {iA=IAmsinωt; iB=IBmsin(ωt-120ºэл); iC=ICmsin(ωt+120ºэл)} (4.1). Электрические градусы связаны с геометрическими градусами: αэл=pαгеом (4.2), где р - число пар полюсов, количество которых зависит от способа включения обмоток каждой фазы. Токи каждой фазы создают пульсирующие магнитодвижущие силы, совокупное действие которых приводит к созданию результирующей магнитодвижущей силы. Ее вектор вращается относительно статора. Система токов в простейшей трехфазной двухполюсной обмотке статора асинхронного двигателя показана на рис. 4.1. Следует определить направление токов всех фазных обмоток в обозначенных точках. При условии i>0 ток протекает от начала обмотки к ее концу. Если i<0, то ток протекает в обмотке от ее конца к началу. Принцип получения вращающегося (кругового) магнитного поля показан на рис. 4.2. Вектор магнитодвижущей силы обмотки статора при переходе от одного указанного момента времени к другому поворачивается на 60ºэл. и совершает полный оборот за период. Частота его вращения (об/мин) равна n1=60f1/p (4.3), где f1 — частота тока в обмотке статора, Гц. При повреждениях фазных обмоток (обрыв, ненадежный контакт) поле в зазоре перестает быть круговым. В этих случаях оно имеет эллиптический или пульсирующий характер. Нормальные условия работы асинхронного двигателя нарушаются. Это ведет к ухудшению качества работы приводимых агрегатов и сокращает срок службы самого двигателя.
Режимы работы асинхронной машины. Диапазоны изменения частоты вращения частоты вращения ротора и скольжения. Работа асинхронной машины с заторможенным ротором (режимы холостого хода и короткого замыкания). Операция приведения в асинхронных машинах. Асинхронные машины испытывают в режимах холостого хода для опытного определения тока и потерь холостого хода. Обмотка статора подключается к источнику синусоидального напряжения U1 от автотрансформатора или индукционного регулятора напряжения, что позволяет менять его в широких пределах. Вал машины должен быть свободным от механической нагрузки. При разомкнутой обмотке ротора под действием напряжения U1, в обмотке статора протекает ток холостого хода I0. Он создает магнитный поток Ф1, являющийся совокупностью потоков рассеивания Ф1S и полезного потока Ф1т. Поток Ф1S индуктирует эдс рассеивания -jI0x1, а поток Ф1т наводит в обмотках статора и ротора эдс E1 и Е2. Данные процессы позволяют составить систему уравнений: {U1=-E1+jI0x1+r1I0=-E1+zI0; z1=r1+jx1; E2=U2} (4.9). Для трехфазной асинхронной машины с фазным ротором коэффициент трансформации эдс ke определяется как среднеарифметическое значение. Оно получено от отношений измеренных фазных напряжений статорной обмотки к фазным эдс роторной обмотки, т.е.: keA=UAX/Eax; keB=UBY/Eby; keC=UCZ/Ecz (4.10). ke=(keA+keB+keC)/3 (4.11). Для низковольтных машин (до 660В включительно) величину ke устанавливают при номинальном напряжении питания, а машин на большее напряжение допустимо выявление kе при пониженном напряжении. Величины тока и потерь холостого хода определяются по соответствующим характеристикам при номинальном напряжении U1H. Обмотка фазного ротора замыкается накоротко. В обмотку статора включаются приборы по схеме, аналогичной схеме рис. 2.2 первичной обмотки трансформатора. Величину напряжения U1 меняют в диапазоне 0,4-1,15 U1H, фиксируя показания приборов в 6-8 точках. Вычисляются средние значения напряжений и токов по формулам: UЛср=(UAB+UBC+UCA)/3 (4.12). IЛср=(IA+IB+IC) (4.13). В зависимости от схемы соединения обмотки определяют фазные значения напряжения U1ф и тока I1ф. При соединении обмотки статора в звезду: U1ф=U0=UЛср/√3; I1ф=I0=IЛср (4.14). Когда обмотки статора соединены в треугольник, то: U1ф=U0=UЛср; I1ф=I0=IЛср/√3 (4.15). Мощность, потребляемая машиной в режиме холостого хода Р0, устанавливается по показаниям ваттметров, включенных согласно схеме, аналогичной схеме рис. 2.2: P0=|P0’+P0’’|=3I02r1+Δpc1+Δpмех (4.16), где r1 - активное сопротивление фазы обмотки статора при нагретой машине сразу после ее отключения от сети, Ом; 3I02r1 - электрические потери в обмотке статора, Вт; Δрс] - магнитные потери в сердечнике статора, Вт; Δрмех - механические потери, Вт. Выражение (4.16) можно представить в виде Δpc1+Δpмех=ΔP=P0-3I02r1 (4.17). Коэффициент мощности cosφ0 для режима холостого хода: cosφ0=P0/3U0I0 (4.18). По характеристикам, показанным на рис. 4.6, при условии U0=U1H находят ток I0H, потери Р0H и ΔРН, а также коэффициент мощности cosφ0H. Последовательность поиска указанных величин пояснена пунктирными линиями со стрелками. Потери и ток холостого хода, полученные в результате испытаний, должны соответствовать паспортным данным завода-изготовителя или находится в пределах допустимых отклонений от них. Если график ΔP=f(U0) продолжить до пересечения с осью ординат (U1=0), то получим величину потерь Δpмех, которые считаются неизменными. Магнитные потери Δрс1 находятся из (4.17) с учетом установленного значения Δрмех. В асинхронных машинах доля тока холостого хода I0 значительно больше, чем у трансформаторов. Это объясняется наличием воздушного зазора между статором и ротором. В результате возрастает сопротивление магнитной цепи, а для создания заданного потока машины требуется больший ток I0. Величина воздушного зазора различна. Она зависит от мощности машины, а также от режима ее работы. Ток холостого хода тем больше, чем больше величина воздушного зазора. Двигатели электроприводов продолжительного режима работы (вентиляторы, компрессоры и т.п.) имеют ток холостого хода, составляющий 20-30% номинального значения, а двигатели механизмов с частыми пусками и торможениями (крановые электроприводы и т.п.) - до 40-75% номинального значения. Лобовые части обмоток характеризуются повышенными значениями величин сопротивлений r1 и х1. Поэтому при холостом ходе падение напряжения на них у асинхронной машины достигает 5% от номинального значения напряжения (для трансформатора примерно 0,5%). Потребляемая на холостом ходу мощность расходуется в основном на покрытие потерь в стали статора и ротора. В то же время следует учитывать и потери в обмотках машины. Для трехфазной асинхронной машины при расчете значений сопротивлений z0, r0 и x0 необходимо принимать во внимание схему соединения статорной обмотки. В случае соединения в звезду: z0=UЛср/√(3)∙IЛср; r0=P0/3IЛср2; x0=√(z02-r02) (4.19). При соединении обмотки статора в треугольник: z0=√(3)∙UЛср/IЛср; r0=P0/IЛср2; x0=√(z02-r02) (4.20). Векторная диаграмма и схема замещения асинхронной машины на холостом ходу при разомкнутой обмотке ротора аналогичны векторным диаграммам и схемам замещения трансформатора. Операция приведения выполняется с целью построения схем замещения реальных асинхронных машин, в которых электромагнитные связи между обмотками статора и ротора заменяются электрическими. Будем рассматривать вместо реальной машины приведенную, статорные и роторные обмотки которой имеют одинаковое число витков. Обмотка ротора приводится к обмотке статора, т.е. реальная роторная обмотка с числом витков w2 пересчитывают в эквивалентную ей обмотку с числом витков w1 т.е. w2=w2’-w1. Число витков роторной обмотки изменяется в kе раз. Операция приведения не должна сказываться на режиме работы статорной цепи, т.е. в приведенной асинхронной машине остаются те же потоки, мощности, потери. Исходя из указанных особенностей при условии U1≈E1, можно записать следующие зависимости. Коэффициент трансформации эдс ke=E1/E2=4,44f1w1kоб1Фm/4,44f2w2kоб2Фm=w1kоб1/w2kоб2 (4.20), где kоб1, kоб2 - обмоточные коэффициенты, учитывающие распределение обмоток по пазам статора и ротора, w1, w2 — число последовательно соединенных витков в фазных обмотках статора и ротора. Е2’=Е1=kеЕ2 (4.21). Электромагнитная мощность машины и ток роторной обмотки определяется выражениями: m2E2I2cosψ2=m2E2’I2’cosψ2’; cosψ2=cosψ2’; (4.22); I2’=I2m2/m1ke=I2m2w2k2/m1w1kоб1=I2/ki; (4.23); ki=m1w1kоб1/m2w2kоб2=ke (4.24), где (ψ2 - угол фазового сдвига между эдс и током роторной обмотки, ki - коэффициент трансформации токов, m1, т2 - число фаз обмоток. Приведенная обмотка имеет в kе раз больше витков, поэтому из условия равенства потерь в реальной и приведенной обмотках, ее активное и реактивное сопротивления в kе2 раз больше, чем реальной обмотки: r2’=m2/m1·m1w1kоб1/m2w2kоб2·m1w1kоб1/m2w2kоб2·r2=kekir2=ke2r2 (4.25); x2’=m2/m1·m1w1kоб1/m2w2kоб2·m1w1kоб1/m2w2kоб2·x2=kekix2=ke2x2 (4.26). Значение угла фазового сдвига ψ2 между эдс и током вторичной обмотки определяется выражением: ψ2=ψ2’=arctg(x2/r2)=arctg(x2’/r2’) (4.27). Приведенные значения могут быть использованы для исследования режимов работы асинхронных машин. Опыт короткого замыкания асинхронной машины проводится по той же схеме, что и опыт холостого хода, но при этом обмотка фазного ротора замкнута накоротко, а ротор должен быть застопорен. Положение ротора должно соответствовать среднему току короткого замыкания, которое выставляется при подведении пониженного напряжения питания. При выполнении опыта короткого замыкания для учебных целей принято ограничивать ток значением 1,5-2,5I1Н. Данный опыт позволяет определить напряжение, потери короткого замыкания, пусковой момент и его кратность. Результатом испытаний трехфазной асинхронной машины является построение характеристик короткого замыкания. Опыт короткого замыкания проводят для ряда значений подводимого напряжения Uк, которое регулируют таким образом, чтобы ток в обмотках изменялся в пределах (0,5-1,2)IH. Электроизмерительными приборами контролируют между фазами величину питающего напряжения, ток по фазам, а также потребляемую мощность. Для построения характеристик величины Uк и Iк определяются как средние арифметические по результатам измерения, выполненных в соответствии со схемой рис. 2.7 для каждого значения подводимого напряжения. UК=UКЛ=(UAB+UBC+UCA)/3; (4.28); IК=IКЛ=(IA+IB+IC) (4.29). Мощность, потребляемая в режиме короткого замыкания Рк, установленная согласно схеме, аналогичной испытанию трехфазного трансформатора определяется по показаниям ваттметров: РК=|Р'К+PК’’| (4.30). По характеристикам, аналогичным рис. 2.8, при условии IК=I1Н находят напряжение UKH, потери РKH, коэффициент мощности cosφКН короткого замыкания. Последовательность поиска указанных величин пояснена пунктирными линиями со стрелками. Полученные в результате испытаний потери и напряжение короткого замыкания должны соответствовать паспортным данным завода-изготовителя или находится в пределах допустимых отклонений от них. Величина напряжения короткого замыкания определяется в процентах uKH%. Она должна составлять 15-25% от номинального значения напряжения U1H, причем, чем машина мощнее, тем эта доля меньше. Обмотку статора машины обычно соединяют звездой. Значения ее сопротивлений zK, rк и хк определяются выражениями: zK=UКЛ/√(3)IКЛ; rК=PК/3IКЛ2; xK=√(zК2-rК2) (4.31), где хК=х1+х2’; rK=r1+r2’. Коэффициент мощности cosφK: cosφK=PK/√(3)UКЛIКЛ (4.32). При определении параметров машины, так же как и у трансформатора, требуется измерить температуру окружающей среды θ1 и считать ее равной температуре обмоток при опыте короткого замыкания. Величины zK, rK, Ркн, cosφКН и иKH% приводятся к расчетной рабочей температуре 75°С, которая отражает эксплуатационный режим работы машины. Приведенные величины rК75 и РКH75 получаются умножением rK и РKH75 на температурный коэффициент kθ. Величина коэффициента kθ для меди составляет 310/(235+θ1). Расчеты выполняются согласно выражениям (2.43) - (2.45) и (2.50) - (2.58). Вся потребляемая машиной мощность расходуется на покрытие потерь в обмотках: PK=m1I12r1+m2I22r2=m1I12r1+m1(I2’)2r2’=m1I12rK (4.33). Ток и мощность короткого замыкания пересчитывают на номинальное напряжение U1H по формулам, не учитывающим насыщение: IK’=IП≈I1НU1H/UKH (4.34); PK’≈PKH·(U1H/UKH)2 (4.35). Кратность пускового тока выражается отношением IП/I1H. Электромагнитная мощность в режиме короткого замыкания, передаваемая через воздушный зазор машины, равна электрическим потерям в обмотке ротора Δроб2К. Электромагнитный момент при опыте короткого замыкания определяется выражением: MK≈MП=Δpоб2К/ω1=(PKH-M1I2KHr1-ΔpcK)/ω1 (4.36). Магнитные потери ΔрсК в магнитопроводах статора и ротора приближенно определяются по характеристикам холостого хода, используя рис. 4.6 для напряжения U1=UK. Начальный пусковой момент получают пересчетом момента МK на начальный пусковой ток IП: MП≈MК(IП/IК)2 (4.37). Кратность пускового момента равна MП/MН. Величины сопротивлений короткого замыкания zK, rK и хK используют для расчетов в схемах замещения, построении круговых диаграмм, аналитического расчета различных характеристик асинхронных машин.
Асинронная машина при вращающемся роторе. Основные уравнения. Схемы замещения. Векторная диаграмма. Полезный результирующий магнитный поток в воздушном зазоре машины Фт образуется в результате взаимодействия полезных магнитных потоков статора Ф1m и ротора Ф2т. Используя Фт можно определить эдс фазной обмотки статора: E1=4,44f1w1kоб1Фm (4.38). Эдс фазной обмотки ротора, вращающегося со скольжением s: E2=4,44f2w2kоб2Фm=4,44f1sw2kоб2Фm=E2s (4.39). Асинхронные машины преимущественно используются как двигатели, поэтому, прежде всего, представляет интерес их работа в этом режиме. Уравнения, характеризующие эдс трехфазного асинхронного двигателя для цепей статора и ротора: U1=-E1+jI1x1+I1r1; (4.40); 0=E2’-jI2’x2’-I2’R2’/s (4.41), где R2’=r2’+rдо6’ - приведенное значение полного активного сопротивления роторной цепи. Уравнение (4.41) представим в виде: E2’=I2’R2’/s+jI2’x2’=I2’(R2’/s+jx2’)=I2’z2’ (4.42). Значения величин Е2 и х2 являются паспортными данными двигателя. Они приводятся в справочной для неподвижного ротора (s=1). Уравнение токов для схемы замещения по аналогии с трансформатором имеет вид: I1=I0-I2’. Уравнения (4.40) - (4.43) позволяют построить Т-образную схему замещения асинхронного двигателя, а после несложных преобразований получить Г-образную схему замещения, которые представлены на рис. 4.7. Схемы замещения применяются для облегчения расчетов машины, исследования протекающих в ней электромагнитных процессов, анализа работы машины в системе электроснабжения. Г-образная схема замещения позволяет получить выражение приведенного тока в цепи ротора асинхронного двигателя: I2’=U1/(√((r1+R2’/s)2+xK2) (4.44), где xK=x1+х2’ - индуктивное сопротивление короткого замыкания. В схемах замещения величины rт и хт являются параметрами цепи намагничивания асинхронной машины. Параметры холостого хода r0=r1+rm и х0=х]+хт. Сопротивления r1 и х1 значительно меньше соответственно rт и хт. Поэтому с большой точностью можно считать, что параметры холостого хода равны параметрам намагничивающей цепи, т.е r0≈rm и x0≈xm. Векторная диаграмма асинхронного двигателя показана на рис. 4.8.
Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя. Способы улучшения энергетических показателей асинхронного двигателя. Преобразование энергии в асинхронном двигателе, как и в других электрических машинах, связано с потерями энергии. Потери делятся на механические, магнитные, электрические и добавочные. Первые два вида потерь относятся к постоянным потерям, вторые два вида потерь - к переменным. Преобразование активной мощности асинхронного двигателя представлено на энергетической диаграмме (рис. 4.9). Мощность Р1 подводится из сети, за вычетом потерь в магнитопроводе Δрс1 и обмотке статора Δpo61 преобразуется в электромагнитную мощность РЭМ, которая передается через воздушный зазор машины в ротор. В нормальном режиме работы асинхронного двигателя потери в магнитопроводе ротора пропорциональны частоте f2. Этими потерями можно пренебречь, т.к. f2<<f1. Электромагнитная мощность РЭМ, благодаря которой возникает электромагнитный момент двигателя М, за вычетом потерь в обмотке ротора Δроб2, преобразуется в полную механическую мощность Р2’. На преодоление сил трения, которые составляют механические потери Δрмех, затрачивается часть электромагнитного момента, развиваемого на роторе двигателя. Этот момент называется моментом холостого хода М0. Добавочные потери Δрдд6H, составляющие от 0,5 до 1 % подводимой к двигателю мощности Р1 в номинальном режиме работы, включают потери от пульсаций магнитного поля, высших гармонических составляющих, насыщения, поверхностного эффекта и т.п. Потери Δрдоб зависят от нагрузки двигателя β: Δpдоб=β2ΔpдобН (4.45). Мощность Р2 - полезная мощность или мощность на валу двигателя. Она характеризуется одноименным моментом М2: М2 =M-M0 (4.46). Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя: η=1-ΔpΣ/P1=1-(Δpc1+Δpоб1+Δpоб2+Δpмех+Δpдоб)/P1 (4.47). Кпд асинхронных двигателей средней и большой мощности составляет 0,85-0,92. Большие значения кпд относятся к двигателям более высоких номинальных мощностей. Электроприводы на базе асинхронных двигателей являются одними из основных приемников электрической энергии. При эксплуатации часто возникает необходимость оптимизации потребления ими реактивной мощности. Большинство асинхронных двигателей на механизмах общепромышленного назначения работают недогруженными или вхолостую. Такой режим работы является неэкономичным, т.к. он прежде всего вызывает неоправданные затраты электроэнергии. Для оптимизации работы двигателей в течение технологического процесса и улучшения их энергетических показателей принимаются следующие меры: 1) мощность двигателя выбирают в соответствии с нагрузкой на его валу, т.к. недогруженный двигатель работает с низким кпд; 2) включение параллельно двигателю батарей конденсаторов, которые своей емкостью компенсируют сдвиг фаз, обусловленный индуктивностью двигателя (поперечная компенсация); 3) переключение обмотки статора с треугольника на звезду; 4) ограничение работы двигателей на холостом ходу; 5) применение вентильных преобразователей напряжения и частоты для питания недогруженных двигателей. Следует добавить, что перегрузка двигателя, как и его недогрузка приводят к снижению кпд. Замена двигателя считается целесообразной, если средняя его нагрузка составляет менее 45% номинальной мощности. При нагрузке двигателя более 70% поминальной мощности замена в общем случае не целесообразна, а при нагрузке 45-70% целесообразность их замены должна быть подтверждена достаточным уменьшением потерь энергии. Применение батарей конденсаторов обеспечивает асинхронные двигатели реактивной мощностью, необходимой для создания вращающегося магнитного поля. Переключение схемы обмотки статора с треугольника на звезду приводит к уменьшению фазного напряжения в √3 раз. Примерно во столько же раз уменьшается поток, ток намагничивания и потери в стали двигателя, что ведет к повышению его коэффициента мощности и кпд. Для некоторых потребителей время работы двигателей на холостом ходу достигает 50-60% всей его работы. При промежутках работы на холостом ходу, превышающих 10 секунд, считается эффективным отключение двигателей от сети с точки зрения экономии электроэнергии и потребления реактивной мощности.
Уравнение электромагнитного момента асинхронной машины и его анализ. Механическая характеристика асинхронной машины. Условия получения естественной механической характеристики. Рабочий участок механической характеристики. Электромагнитный момент М создаётся в результате взаимодействия тока ротора с вращающимся в зазоре машины магнитным полем. С учетом векторной диаграммы (рис. 4.8) он определяется выражением: M=PЭМ/ω1=m1I2’E2’cosω2/ω1=m1(I2’)2R2’/s/ω1 (4.48), где ω1 - синхронная угловая скорость вращения поля статора, рад/с. ω1=2πf1/p (4.49). Выражение (4.44), получено согласно Г-образной схеме замещения (рис. 4.47,б). В соответствии с (4.48) выражение электромагнитного момента асинхронной машины будет иметь вид: M=m1U12pR2’/s/2πf1((r1+R2’/s)2+xK2) (4.50), где хК=x1+х2’ - индуктивное сопротивление короткого замыкания. Задаваясь рядом значений скольжения s от -∞ до +∞ и принимаем остальные параметры выражения (4.50) неизменными, в результате можно получить зависимость s=f(М), которая называется статической механической характеристикой асинхронной машины. Данная характеристика отображает три возможных режима работы асинхронной машины подключенной к сети: 1) режим двигателя (0<s≤1); 2) режим генератора (0≥s>-∞); 3) режим электромагнитного тормоза (1≤s<+∞). Статическая механическая характеристика называется естественной, если она получена при условиях (U1=const=U1H, f1=const=f1H, R2’=r2’ (rдoб=0). При отклонении хотя бы одного из этих параметров от указанных значений характеристика является искусственной. В случае неподвижного ротора (s=1) зависимость (4.50) представляет пусковой момент МП: MП=m1U12pR2’/2πf1((r1+R’)2+xK2) (4.51). Дифференцируя выражение (4.50) по s и приравнивая полученный результат к нулю, определяем значение скольжения sm, при котором момент асинхронной машины максимален Мт. Такое значение скольжения и момента называют критическими. Выражение для sm имеет вид: sm=±R2’/√(r12+xK2) (4.52). После подстановки (4.52) в (4.50) выражение для критического момента асинхронной машины Мт описывается равенством: Mm=m1U12p/4πf1[r1±√(r12+xK2)] (4.53). В выражениях (4.52) и (4.53) знак «+» соответствует двигательному режиму, а знак «-» - генераторному режиму асинхронной машины. Для трехфазных асинхронных машин с учетом (4.49) выражения (4.50), (4.51), (4.53) преобразуются в M=3U12R2’/s/ω1((r1+R2’/s)2+xK2) (4.54); МП=3U12R2’/ω1((r1+R’)2+xK2) (4.55); Mm=3U12/2ω1[(r1±√(r12+xK2)] (4.56). Статическая механическая характеристика может быть представлена в виде ω=f(M), т.к. при эксплуатации часто необходимо контролировать именно частоту вращения ротора. Для расчетов характеристик частоты вращения ω выражаются в рад/с, тогда как в паспортных данных машин частоты вращения n указаны в об/мин. Чтобы перейти от об/мин в рад/с целесообразно воспользоваться отношением ω=πn/30=n/9,55 (4.57). Статическая механическая характеристика асинхронной машины представлена на рис 4.10. При идеальном холостом ходе (s=0) асинхронная машина не развивает момент, т.к. эдс и ток в роторной обмотке не индуцируются. С увеличением нагрузки на валу частота вращения ротора снижается, возрастают скольжение, эдс и ток в роторе, а так же момент. Увеличение скольжения s вызывает рост частоты тока в роторе f2 и индуктивного сопротивления ротора х2’. В связи с этим, начиная с некоторого значения скольжения sm, момент, развиваемый двигателем, перестает нарастать, несмотря на нарастание тока в роторе. Активная составляющая тока в роторе уменьшается из-за роста доли реактивного сопротивления. Момент зависит от активной составляющей тока ротора, он будет также снижаться. При генераторном режиме работы асинхронной машины ее максимальный момент больше, чем при двигательном режиме. Это объясняется тем, что в генераторном режиме часть потерь компенсируется за счет приводного двигателя, расположенного на одном валу с асинхронной машиной. Отдаваемая в сеть активная мощность должна быть равна по величине активной мощности, которая потребляется асинхронной машиной в режиме двигателя. Асинхронные двигатели характеризуются таким важным параметром, входящим в их справочные данные как перегрузочная способность: km=Mm/MH (4.58), где МH - номинальный момент, который можно определить как: MH=9550PH/nH (4.59), где РH - номинальная мощность двигателя, кВт. Для асинхронных двигателей общего применения перегрузочная способность kт=1,7-2,5. Длительная работа двигателя с моментом, равном максимальному Мт недопустима по условиям его нагрева. Участок статической механической характеристики с пределами изменения скольжения от -sm до sm называется рабочим участком механической характеристики или устойчивым участком работы асинхронной машины. Рабочий участок может быть рассчитан по формуле Клосса: M/Mm=2(sm+1)/(s/sm+2sm+sm/s) (4.60). Асинхронный двигатель наиболее экономично работает на участке статической механической характеристики с пределами изменения скольжения от 0 до sm, потому что электрические потери в обмотках ротора Δроб2 пропорциональны скольжению: Δроб2=PЭMs.
Регулирование скорости асинхронного двигателя путем введения добавочного сопротивления в цепь ротора, путем изменения подводимого к статору напряжения, путем изменения числа пар полюсов и путем изменения величины напряжения статора и его частоты. Законы управления. U1/f1=const, U1/√f1=const, U1/f12=const. Механические характеристики для всех случаев. Большинство механизмов общепромышленного назначения горных и металлургических предприятий приводятся в действие от асинхронных двигателей. Согласно технологическим процессам в той или иной степени необходимо регулировать частоту их вращения или скорость. При регулировании скорости руководствуются критериями плавности хода, энергетикой электроприводов и систем электроснабжения, глубиной регулирования и т.д. Управление скоростью асинхронных двигателей сопряжено с трудностями. Они обусловлены нелинейностью характеристик и сравнительно узким диапазоном изменения скорости на их рабочем участке, где работа двигателя устойчива. Регулирование скорости проводится внесением изменений в схему статорной и роторной обмоток, а также путем регулирования от внешних преобразователей по цепям статора, ротора или по обеим цепям (схемы с регуляторами напряжения, преобразователями частоты на вентильных элементах, каскадные схемы и т.д.). Выбор способа регулирования производится на основании конструкции асинхронного двигателя, а также требований к технологическому процессу, в котором задействован механизм, энергопотреблению, динамическим показателям электропривода. Возможность регулирования скорости асинхронных двигателей необходимо увязывать с анализом их механических характеристик. Выбор элементов силовых схем или устройств регулирования зависит от нагрузки на валу. На статических механических характеристиках асинхронных двигателей следует выделять как минимум три характерные точки, изменение координат которых при регулировании необходимо отслеживать. К таким точкам относятся: 1) идеальный холостой ход (s=0; ω2=ω1=2πf1/p; M=0); 2) достижение двигателем своей перегрузочной способности (s=sK; ω2=ω2m=ω1(1-sm); M=Mm); 3) пуск двигателя (s=1; ω2=0; M=MП). Регулирование скорости ротора асинхронного двигателя проводится следующими способами: 1) изменением добавочного сопротивления rдоб в цепи ротора (только для двигателей с фазным ротором); 2) изменением напряжения, подводимого к статору U1; 3) изменением числа пар полюсов р обмотки статора (только для двигателей с короткозамкнутым ротором, имеющих на статоре несколько обмоток на каждой фазе); изменением напряжения U1 и частоты f1 (практически применяется для двигателей с короткозамкнутым ротором). Регулирование скорости изменением добавочного сопротивления rдоб в цепи ротора (реостатное регулирование). Способ нашел широкое распространение из-за простоты реализации. Однако он требует большого количества контактной аппаратуры, а применение активных сопротивлений увеличивает потери в роторе. Критическое скольжение sm и пусковой момент МП прямо пропорциональны величине активного сопротивления цепи ротора R2’, а скорость вращения поля статора ω1 и критический момент Мт не зависят от него, поэтому остаются неизменными в любом диапазоне изменения скорости ротора. Механические характеристики при реостатном регулировании представлены на рис. 4.11. Можно подобрать добавочное сопротивление так, что пусковой момент двигателя МП будет равен максимальному моменту Мт. Величину rдоб рассчитывают из выражения для скольжения sm=1: sm=1=R2’/√(r12+xK2) (4.61); rдоб=(√(r12+xK2)-r2’)/ke2 (4.62). Рост величины R2’ приводит к снижению тока ротора I2’. Однако возрастает его активная составляющая, что вызывает увеличение электромагнитного момента М. Этим объясняется рост пускового момента МП до определенного значения, после чего МП уменьшается, т.к. ток ротора убывает быстрее, чем растет его активная составляющая. Реостат в цепи ротора является и регулировочным, и пусковым. Пусковой ток ротора из-за наличия контактных колец и щеток ограничивают величиной I2П=(2-2,5)I2H. Регулирование скорости ротора при данном моменте нагрузки на валу МC=МH (рис. 4.11) происходит вниз от ее номинала. Для асинхронных двигателях с фазным ротором применяют реостатный пуск в несколько ступеней, количество которых зависит от мощности двигателя. В качестве примера рассмотрим трехступенчатый реостатный пуск, осуществляемый согласно схеме, представленной на рис. 4.12. Величины пусковых сопротивлений rдо6i рассчитываются графо-аналитическим методом лучевой диаграммы, изображенной на рис. 4.13. Рабочие участки механических характеристик в пределах построения лучевой диаграммы можно считать линейными. Для построения пусковой диаграммы и расчета пускового сопротивления требуется выполнить следующие действия: 1) построить естественную механическую характеристику s=f(M); 2) задать значения пускового момента МП1=0,8Мт и момента переключения МП2=1,2МC (значение момента МC определяют в зависимости от типа механизма); 3) через точки на естественной характеристике а и b, соответствующие Мт и МП2, строится первый луч до пресечения с прямой s=0 в точке t; 4) остальные лучи строятся с соблюдением равенства моментов Мт и МП2 на всех ступенях, начиная с луча te; 5) проводится прямая через точку а на естественной характеристике и точку е, соответствующую пусковому моменту МП1 при неподвижном двигателе, до пересечения с прямой, соответствующей s=0 в точке k; 6) при неодинаковых значениях моментов МП1 и МП2 на ступенях следует изменить МП2, повторив расчеты и построения; 7) рассчитываются сопротивления пусковых ступеней rдо6 и полные активные сопротивления цепи ротора Ri. Величины сопротивлений пусковых реостатов rдо6 и полных сопротивлений цепи ротора Ri определяются по формулам: {rдоб1=r2de/ka; rдоб2=r2cd/ka; rдоб3=r2ac/ka}; {R1=r2ke/ka; R2=r2kd/ka; R3=r2kc/ka} (4.63). При ином числе пусковых ступеней расчет сопротивлений выполняется аналогично. Чем больше ступеней, тем плавне происходит пуск двигателя, но при этом растет количество пусковой аппаратуры. Регулирование скорости изменением напряжения U1 подведённого к статору двигателя. Способ применим в равной мере для всех асинхронных двигателей. Момент двигателя М, а также моменты пусковой МП и критический Мm, пропорциональны квадрату напряжения, подведенного к цепи статора, U12. Скорость идеального холостого хода ω1 и критическое скольжение sm от уровня напряжения не зависят. Влияние напряжения U1 на вид механических характеристик представлено на рис. 4.14. При условии U1’>U1H характеристика проходит выше естественной. Хотя в данном случае возрастает пусковой момент двигателя, но увеличивается ток статора, насыщаются магнитопроводы и увеличиваются потери. Поэтому согласно стандартам для эксплуатации асинхронных двигателей допускается повышение питающего напряжения не более чем на 5% от номинального значения. Когда выполняется условие U1"<U1Н, то характеристика проходит ниже естественной. Уменьшается пусковой момент и падает перегрузочная способность двигателя. Например, при снижении напряжения на 20% (0,8U1Н) момент уменьшится в 0,82=0,64 раза, т.е. на 36%. Снижение питающего напряжения допускается не более чем на 10% от номинального значения. Изменение напряжения достигается в частности регуляторами напряжения на полупроводниковых элементах. При таком способе диапазон регулирования скорости невелик, а регулирование возможно только вниз от номинальной скорости. В процессе эксплуатации асинхронных двигателей данный способ регулирования не нашел широкого применения. Регулирование скорости изменением числа пар полюсов р. Способ на практике реализуется для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. У двигателей с фазным ротором приходится менять число пар полюсов не только на статоре, но и на роторе, что усложняет схему управления. Асинхронные двигатели, в которых реализуется данный способ регулирования скорости, выпускаются на несколько скоростей вращения, например на 1500/1000/750/500 об/мин. Такие двигатели называются многоскоростными. Изменение числа пар полюсов в обмотке статора достигается переключением ее частей с последовательного на параллельное соединение. На рис. 4.15 представлены направления токов в обмотках и потоков полюсов. В данном случае необходимо так же поменять местами фазы обмотки двигателя, чтобы сохранить прежним направление вращения поля статора. Скорость асинхронного двигателя изменением числа пар полюсов можно регулировать двумя способами: при постоянном моменте (М=const) и при постоянной мощности (P=const). При условии M=const уменьшение числа пар полюсов достигается переключением обмоток статора с соединения Y на YY (двойная звезда). Выражения потребляемых из сети активных мощностей при этом имеют вид: {P1Y=3U1I1cosφ1Y/√3; P1YY=3U12I1cosφ1YY=2P1Y} (4.64). Коэффициенты мощности обеих схем примерно равны. Скорости идеального холостого хода ω1YY=2ω1Y. Момент, развиваемый двигателем M≈P1/ω1, при этом MY≈MYY. Для рассматриваемого способа схемы переключения и механические характеристики двигателя представлены на рис. 4.16. Способ регулирования скорости при условии M=const целесообразно применять в электроприводах с постоянно действующим моментом нагрузки при любой частоте вращения, например, в подъемно-транспортных механизмах. При условии P=const уменьшение числа пар полюсов достигается переключением обмоток статора с соединения Δ на YY. Выражения, отображающие потребляемые из сети активные мощности, при этом имеют вид: {P1Δ=3U1I1cosφ1Δ; P1YY=3U12I1cosφ1YY=2P1Y} (4.65). Коэффициенты мощности обеих схем примерно равны. Потребляемая мощность P1YY=1,15P1Δ. Если разницей в 15% пренебречь, что упрощает анализ, то Р1YY≈Р1Δ, а скорость идеального холостого хода ω1YY≈2ω1Δ. Момент двигателя при этом МYY≈MΔ/2. Схемы переключения и механические характеристики двигателя изображены на рис. 4.17. Способ регулирования скорости при условии P=const целесообразно применять когда момент нагрузки меняется обратно пропорционально частоте вращения, например, в станочных электропроводах. В обоих вариантах регулирования сохраняется жесткость рабочих участков механических характеристик. Многоскоростные асинхронные двигатели применяются в электроприводах, допускающих ступенчатое регулирование скорости (лифты, станки, вентиляторы и т.п.). При регулировании на разных скоростях остаются практически неизменными энергетические показатели двигателей. Однако двигатели имеют повышенные габариты, сложную коммутационную аппаратуру и относительно дороги. Регулирование скорости изменением частоты f1 подведенного напряжения U1 (частотное регулирование). Способ является наиболее перспективным в связи с широким применением преобразователей частоты, выполненных на полупроводниковых элементах. Он реализуется преимущественно на короткозамкнутых асинхронных двигателях (R2’=r2’). Регулирование скорости двигателя происходит плавно в широком диапазоне как вверх, так и вниз от ее номинального значения. Способ является достаточно экономичным в плане энергопотребления, однако стоимость преобразователей частоты по сравнению со стоимостью двигателя относительно велика. Наиболее рациональное регулирование скорости достигается при условии поддержания неизменным магнитного потока двигателя Фт. При условии U1≈const и r1≈0 имеем: U1≈E1=cf1Фm=const (4.66), где с - постоянная, зависящая от параметров двигателя. Из выражения (4.66) следует, что с увеличением частоты f1 снижается магнитный поток Фm и развиваемый двигателем момент, а также его перегрузочная способность. Если же частота f1 снижается, то происходит рост магнитного потока. Это приводит к насыщению магнитной цепи двигателя и повышению потерь. Для обеспечения условия постоянства магнитного потока (Фт=const) требуется регулировать напряжение U1 и частоту f1 пропорционально друг другу, т. е. по закону U1/f1=k=const (4.67). Целесообразно проанализировать, как будут располагаться механические характеристики при регулировании скорости по (4.67). Скорость идеального холостого хода ω1 пропорционально зависит от частоты питающего напряжения f1. Индуктивное сопротивление короткого замыкания хK=2πf1LK. Принимая, что U1≈kf1, выражения моментов трехфазного асинхронного двигателя (4.54) - (4.56) и критического скольжения sm (4.52) при этом примут вид: M=3k2f12r2’p/s/2πf1((r1+r2’/s)2+(2πf1LK)2); M~f12/f13 (4.68); MП=3k2f12r2’p/2πf1((r1+r’)2+(2πf1LK)2); МП~f12/f13 (4.69); Mm=3k2f12p/4πf1(r1±√(r12+(2πf1LK)2)); Mm~f12/f13 (4.70); sm=r2’/√(r12+(2πf1LK)2); sm~1/f1 (4.71). Согласно полученных выражений момент, развиваемый двигателем при пуске и работе, изменяется обратно пропорционально частоте f1. Скольжение sm меняется аналогичным образом, а жесткость механической характеристики возрастает. Максимальный момент Мт стабилизируется. Механические характеристики для рассмотренного случая представлены на рис. 4.18,а. При частотах f1>f1H напряжение U1 не повышают, поскольку это недопустимо по условиям эксплуатации двигателей, а оставляют равным номинальному. В результате снижается перегрузочная способность двигателя, что необходимо учитывать при выборе его нагрузки. Установлено, что для реальных условий в процессе регулирования скорости при соблюдении закона U1/f1=const с уменьшением частоты f1 момент Мт несколько снижается. Это объясняется нарастающим влиянием падения напряжения в статорной обмотке двигателя, что наиболее заметно у двигателей небольшой мощности. Пусковой момент двигателя МП в то же время увеличивается с уменьшением частоты f1. Оптимальное значение МП опт наступает при частоте f1onm питающего напряжения равной 15-20 Гц, определяемой по формуле, если dMП/df1=0: f1опт=(r1+r2’)/2πLK (4.72). При частотах f1< f1onm следует менять напряжение U1 в меньшей мере, чем частоту f1 (рис. 4.18,6), поскольку регулирование по закону U1/f1=const приводит к существенному снижению Мт. Регулирование скорости асинхронного двигателя по данному закону целесообразно, когда выполняется условие Мс=const. Для некоторых производственных механизмов, например, насосных установок, чрезмерное снижение скорости вращения двигателя может привести к выходу из строя их рабочего органа и другим неисправностям. Поэтому в преобразователях частоты не всегда целесообразно выставлять задание на минимальные скорости вращения двигателей, добиваясь глубокого ее регулирования. Работа с минимальной частотой вращения ограничивается ухудшением условий охлаждения двигателя с его самовентиляцией. В этом случае более эффективна независимая вентиляция. Наряду с регулированием, при котором выполняется отношение U1/f1=const, используются в современных электроприводах и другие зависимости, например U1/√f1=const (условие постоянства мощности) или U1/f12=const (при вентиляторной нагрузке). Вид такой зависимости определяется требованиями технологического процесса промышленных установок. Механические характеристики двигателей при использовании указанных зависимостей приведены на рис. 4.19. Применение вентильных преобразователей частоты улучшает технико-экономические показатели регулируемых электроприводов. Основным их недостатком является генерация высших гармоник, что приводит к возникновению дополнительных потерь, паразитных моментов, ухудшающих эксплуатационные свойства двигателя, ведущих к его перегреву, а также влиянию на качество электроэнергии у потребителей. Для снижения негативного, воздействия высших гармоник используются сглаживающие фильтры, вентильные элементы с большой частотой коммутации, что позволяет приблизить кривую выходного напряжения к синусоиде.
Принципы построения круговой диаграммы асинхронной машины. Определение параметров и построение рабочих характеристик асинхронного двигателя. Свойства асинхронных машин, их пригодность к работе в заданных условиях определяются согласно рабочим характеристикам. Рабочие характеристики асинхронного двигателя, изображенные на рис, 4.24. Они представляют зависимость частоты вращения ротора ω, момента на валу М2, тока статора I1, коэффициента мощности cosφ1 и кпд η от полезной мощности двигателя Р2. Их можно получить путем непосредственных испытаний двигателя после его предварительного прогрева при условиях: U1=const=U1H, f1=const=f1H, R2’=r2’. В машинах большой мощности проведение таких испытаний часто оказывается невозможным. Поэтому рабочие характеристики могут быть получены из круговой диаграммы, которая строится на основании опытов холостого хода и короткого замыкания. Результаты, полученные из круговой диаграммы, соответствуют результатам, полученным экспериментально. Для ее построения за основу принимаем Г-образную схему замещения асинхронной машины (рис. 4.7,б). Каждая из двух независимых цепей схемы замещения питается одним и тем же напряжением U1. Токи I0 и -I2’ в сумме представляют собой ток статора I1. Каждой ветви соответствует своя векторная диаграмма. Па рис. 4.25 представлена диаграмма для контура намагничивания и рабочего контура схемы замещения. Рабочий контур состоит из индуктивного постоянного x1+x2’ и активного переменного сопротивления r1+r2’/s. При скольжении s=0 величина r1+r2’/s=∞, а ток в контуре минимален: I2’=0. Максимального значения ток в контуре достигает при скольжении s=-r2’/r1, т.е. I2=U1/(x1+x2’)=I2max’. Геометрическим местом точек вектора тока I2’ является окружность, а вектор I2тах’ представляет ее диаметр. Точка А занимает соответствующее положение на окружности в зависимости от величины скольжения s. Величина тока в обмотке статора I1 получается при совмещении обеих диаграмм. Она показана па рис. 4.26, а ее изменение представляет круговую диаграмму асинхронной машины. Диаграмма отражает все возможные режимы работы: двигательный, генераторный и тормозной. Точки на окружности, характеризующие режимы работы машины, находятся под определенными углами к точке 0, величины которых определяются выражениями: {αs=(90º-φ2); tgαs=tg(90º-φ2)=ctgφ2=(r1+r2’/s)/(x1+x2’} (4.73). При значениях s=1 и s=±∞ соответственно: {tgαs=(r1+r2’)/(x1+x2’)=tgα1; tgαs=r1/(x1+x2’)=tgα∞} (4.74). Круговая диаграмма асинхронной машины при некоторых дополнительных построениях, представленная на рис. 4.27, позволяет вычислить практически все; показатели, характеризующие ее работу. Участок ОВТ характеризует генераторный режим; участок ОАЕ - двигательный; участок КТ - тормозной. Параметры машины определяются следующим образом. Выбирается масштаб тока тi, А/мм. Величины токов определяются как: I1=O’Ami, I0=O’Omi, I2’=ОАтi, I2таx’=ОВтi. Активная составляющая тока статора I1а=АСтi, реактивная составляющая I1p=O’Cmi. Подведенная к статору мощность Р1 устанавливается из выражения: P1=m1U1I1cosφ1=m1U1I1a=m1U1ACmi (4.75), где m1U1=const. Выбирается масштаб мощности тP, Вт/мм: тP=m1U1mi. Тогда мощность Р1=тPАС. На круговой диаграмме линия O’N - подведенная из сети мощность P1. Полезная мощность Р2, мощность на валу асинхронного двигателя, равна нулю при холостом ходе (точка О) и коротком замыкании (точка К). Линия ОК отображает полезную мощность Р2. Для рассматриваемой точки А на окружности токов Р2=mPAF. Электромагнитная мощность РЭМ=0 при работе машины отображенной точками О и Т. Для точки А на окружности токов РЭМ=тPАЕ. Момент М выражается через электромагнитную мощность как M=PЭМ/ω1=mPAE/ω1=mMAE (4.76), где mM=mP/ω1 - масштаб момента M, Нм/мм. На круговой диаграмме отрезок ОТ - линия электромагнитной мощности РЭМ и электромагнитного момента М. Отрезок qn отображает максимальный момент Мтах двигателя: Mmax=mMqn (4.77). Для рассматриваемой точки А на окружности токов при работе двигателя в номинальном режиме его перегрузочная способность kт равна Mmax/MH=qn/AE (4.78). Начальный пусковой момент асинхронного двигателя МП определяется при s=1 (точка К): MП=mMKL (4.79). Выбирается масштаб сопротивлений тZ, Ом/мм. Для расчета сопротивлений обмоток используют следующие выражения: {tgα∞=ED/OD=r1/(x1+x2’); tgα1=DF/OD=(r1+r2’)/(x1+x2’)} (4.80). Из решения (4.80) получаем: x1+x2’=mZOD; r1=mZED; r2’=mZEF (4.81). В соответствии с выполненными расчетами потери в статорной обмотке будут: Δpоб1=m1(I2’)2r1=mpED (4.82). Для определения потерь в роторной обмотке необходимо установить мощность рабочего контура Рраб. Она равна: Pраб=P1-P0=P1-m1U1I0cosφ0=mP(AC-CD)=mPAD=m1(I2’)2(r1+r2’/s) (4.83). Электромагнитная мощность РЭМ может быть определена как PЭМ=Pраб-Δpоб1=m1(I2’)2(r1+r2’/s)-m1(I2’)2r1=m1(I2’)2(r2’/s)mPAE (4.84). Потери в обмотке ротора Δроб2 отображаются выражением: Δpоб2=m1(I2’)2r2’=mPEF (4.85). Скольжение s при работе двигателя характеризуется точкой А на окружности токов рассчитывается по формуле: s=Δpоб2/PЭМ=EF/AF (4.86). Кпд асинхронного двигателя приближенно можно найти как η=P2/P1=AF/AC (4.87). Для учета всех видов потерь целесообразнее пользоваться формулой: η=1-ΔpΣ/P1 (4.88). Суммарные потери ΔрΣ в формуле (4.88) равны: ΔpΣ=(Δpмех+Δpc1)+Δpоб1+Δpоб2+Δpдоб=(P0-m1I02r1)+m1I12r1+PЭМs+ΔpдобН(I1/I1H)2 (4.89), где ΔpдобН=(0,005…0,01)P1H. Построение круговых диаграмм для асинхронных машин различного исполнения должно осуществляться с учетом их конструктивных особенностей.
Способы пуска трехфазных асинхронных двигателей. Самозапуск. Пуск асинхронных двигателей с фазным ротором проводится при условии ограничения тока из-за наличия скользящих контактов в цепи ротора. Для этой цели применяются реостаты, индукционные сопротивления, каскадные схемы и др. На предприятиях эксплуатируется большое количество короткозамкнутых асинхронных двигателей, обмотки которых рассчитаны на большие, до нескольких номинальных значений, пусковые токи. Качественное регулирование их скорости достигается при использовании вентильных преобразователей. Значительная часть двигателей установлена на агрегатах, не требующих частого и плавного регулирования скорости (насосы, вентиляторы и т.д.). При пуске короткозамкнутых асинхронных двигателей требуется учитывать следующие условия: 1) двигатель должен развивать момент, превышающий момент нагрузки на валу МC, что бы ротор мог прийти во вращение и достичь требуемой скорости; 2) пусковой ток следует ограничивать, чтобы не вывести из с троя двигатель и не нарушить нормальный режим работы сети; 3) схема пуска должна быть по возможности простой. На рис. 4.28 представлены однолинейные схемы пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Наиболее простым является прямой пуск (рис. 4.28,а). Прямой пуск возможен, когда сеть достаточно мощная и пусковые токи не вызывают больших просадок напряжения сети U1 (10-15% от номинального значения). Ток при пуске двигателя IПД является пусковым током сети IП1: IПД=IП1=IП=U1/zK (4.90), где zK – полное сопротивление двигателя при пуске. Если по условиям падения напряжения в сети прямой пуск невозможен, то применяют пониженное напряжение. Однако при этом снижается пусковой момент двигателя МП. Он пропорционален квадрату напряжения сети U12. Способ пуска на пониженном напряжении применим, если двигатели работают вхолостую или при неполной нагрузке на валу, а также для высоковольтных двигателей. При реакторном пуске (рис. 4.28,б) сначала замыкают В1, происходит ограничение пускового тока. После разгона двигателя до определенной скорости замыкается В2, реактор оказывается шунтированным, а на статор подается напряжение сети U1. Пусковой ток двигателя IПД при этом равен: IПД=UД/ZK=UДU1/ZKU1=IПUД/U1=IП1 (4.91), где UД/U1 - степень снижения напряжения двигателя в момент пуска; IП - ток двигателя при прямом пуске. Момент при пуске уменьшается быстрее пускового тока: MПД=MП(UД/U1)2 (4.92), где МП - момент двигателя при прямом пуске. Трансформаторный (автотрансформаторный) пуск позволяет в большей степени понизить напряжение, подводимое к статору двигателя. Схема пуска представлена на рис. 4.28,в; работа коммутационных аппаратов аналогична работе при реакторном пуске. Пусковой ток двигателя IПД при этом равен: IПД=UД/ZK=UДU1/ZKU1=IПUД/U1 (4.93). Пренебрегая потерями в трансформаторе и считая, что мощность, потребляемая из сети равна мощности, подводимой к статору двигателя: {IП1U1=IПДUД; IП1=IПДUД/U1=IП(UД/U1)2} (4.94). Пусковые момент и ток уменьшается одновременно: MПД=MП(UД/U1)2 (4.95). При трансформаторном (автотрансформаторном) пуске момент М и ток IП1 уменьшаются в одинаковое число раз. Если значения пускового тока IП1 при реакторном и трансформаторном (автотрансформаторном) пуске будут одинаковыми, то двигатель в последнем случае развивает больший пусковой момент. На рис. 4.29 изображены механические характеристики асинхронного двигателя при разных способах пуска. При коротких замыканиях в электрических сетях случаются большие кратковременные понижения напряжения или перерывы питания. Подключенные к сети асинхронные двигатели в данном случае затормаживаются и останавливаются. При восстановлении напряжения двигатели, если они не были отключены нулевой защитой, снова запускаются в работу. Это процесс называется самозапуском. Для многих производственных механизмов он желателен. Однако при одновременном пуске многих двигателей из-за значительного падения напряжения в сети, задерживается его восстановление, что приводит к увеличению времени самозапуска. Для асинхронных двигателей с фазным ротором самозапуск опасен по условиям коммутации. Этот процесс целесообразно использовать в электроприводах ответственных производственных механизмов. Двигатели следует снабжать релейной защитой.
Глубокопазные и двухклеточные двигатели. Особенности конструкции. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором исключают возможность пуска под нагрузкой из-за относительно малого пускового момента МП. Для достижения достаточного значения МП надо увеличить сопротивление роторной обмотки r2. Такая задача решается путем использования эффекта вытеснения тока в обмотке ротора, т.е. поверхностного эффекта. Поверхностный эффект сильнее проявляется чем глубже и уже пазы, а так же, чем выше частота тока в стержнях. Активное сопротивление стержня при пуске становится большим. Наибольшая частота тока ротора f2 при питании от сети имеет место при неподвижном роторе. Следовательно, параметры схемы замещения асинхронного двигателя не являются постоянными. Пусковой момент, реально развиваемый двигателем становится больше расчетного МП’’ (рис. 4.30). Поверхностный эффект наиболее сильно сказывается при пуске, а при скольжениях ниже критического sm его можно не учитывать. Несмотря на благоприятные характеристики машин с глубоким пазом, они выпускаются в ограниченном объеме, т.к. применение глубоких пазов приводит к увеличению диаметра ротора и габаритов машины. Помимо двигателей с глубокими пазами широко применяются обмотки с пазами колбообразного, бутылочного и трапецеидального профилей. Двухклеточные двигатели имеют две короткозамкнутые «беличьи клетки», представляющие пусковую и рабочую обмотки (рис.4.31). Пусковая обмотка изготавливается из латуни или бронзы. Она обладает большим сопротивлением, а рабочая обмотка - изготавливается из меди. Сечение стержней пусковой обмотки может быть несколько меньше, чем у рабочей. Однако она не должна чрезмерно перегреваться. Сопротивление пусковой обмотки в 2-4 раза превышает сопротивление обмотки рабочей. В двухклеточном двигателе при пуске происходит вытеснение тока ротора по направлению к воздушному зазору, как и в глубокопазном двигателе. Стержни обмоток присоединяются к отдельным кольцам в связи с неравномерным нагревом обмоток.
Однофазные асинхронные двигатели. Способы пуска трехфазных асинхронных двигателей от однофазной сети. Привести принципиальные схемы. Однофазные асинхронные двигатели выполняются мощностью до нескольких киловатт. Они применяются для привода различных механизмов при отсутствии трехфазной сети. Такие двигатели имеют однофазную обмотку на статоре, а ротор представляет «беличью клетку» как у трехфазных асинхронных двигателей нормального исполнения. Если у трехфазного двигателя отключить одну фазу, то магнитное поле в зазоре будет не круговым, а пульсирующим и его можно рассматривать как совокупность двух одинаковых круговых полей, которые вращаются с одинаковыми скоростями в противоположные стороны. Трехфазный асинхронный двигатель в однофазном режиме можно рассматривать как два одинаковых трехфазных двигателя, которые подключены к общей сети, находятся на одном валу, но имеют разные чередования фаз. Такой режим работы приводит к его перегреву. На рис. 4.35 показана механическая характеристика асинхронного двигателя в однофазном режиме. Двигатель при этом не развивает пускового момента, поэтому принимаются специальные меры, чтобы получить в зазоре круговое магнитное поле. Чтобы обеспечить нормальный пуск и работу однофазного асинхронного двигателя необходимо соблюдать следующие требования: 1) оси обмоток должны находиться под углом 90ºЭЛ друг к другу; 2) токи обмоток должны иметь фазовый сдвиг в четверть периода; 3) намагничивающие силы обмоток должны быть одинаковыми. Для создания кругового магнитного поля в зазоре однофазно асинхронного двигателя служат пусковая и рабочая обмотки, имеющие wП и wР число витков. Пусковая обмотка обладает повышенным активным сопротивлением. Схема подключения однофазного асинхронного двигателя к сети представлена на рис. 4.36. Для получения фазового сдвига используют активные, индуктивные и емкостные элементы сопротивлением ZП, включаемые в пусковую обмотку. На рис. 4.37 изображены векторные диаграммы однофазного асинхронного двигателя при различных ZП. Круговое вращающееся поле в зазоре обеспечивает правильно подобранная величина емкости С. В данном случае ZП=1/ωС, а МП=(1,6-2,0)МН. Пусковая обмотка отключается с помощью контакта К при достижении двигателем определенной скорости. Механические характеристики при этом представлены на рис. 4.38. Его мощность составляет приблизительно 40-45% от мощности трехфазного двигателя при одинаковых габаритах. На практике широко применяются конденсаторные асинхронные двигатели. В них параллельно основному конденсатору Сраб в пусковой обмотке включается дополнительно пусковой конденсатор СП=(2-7)Сраб. При малых скольжениях двигателя конденсатор СП отключается во избежание резонансных явлений в обмотках двигателя, приводящих к выходу его из строя. Конденсаторные асинхронные двигатели обладают коэффициентом мощности 0,8-0,95. Практический интерес представляет включение трехфазного асинхронного двигателя небольшой мощности в однофазную сеть. При этом могут быть использованы как постоянно включенные рабочие конденсаторы Сраб, так и включаемые на время пуска пусковые конденсаторы СП. На рис. 4.39 представлены отдельные схемы подключения конденсаторов при питании трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети. Величина емкости СП выбирается приблизительно из расчета 4-10 мкФ на 100 Вт мощности двигателя. Предварительное значение емкости рабочего конденсатора Сраб при частоте тока 50 Гц определяется по формуле: Cраб≈2700I1H/U1H (4.99), где I1Н - номинальный фазный ток в обмотке статора; Uuf номинальное напряжение однофазной сети. Окончательно значение Сраб уточняется экспериментально, при этом токи в обмотках фаз двигателя при его работе с нагрузкой не должны превышать номинальное значение. Номинальная мощность трехфазного двигателя при работе от однофазной сети составляет 40-50% от мощности в трехфазном режиме, а с рабочим конденсатором - 75-80%. Однофазные конденсаторные асинхронные двигатели являются машинами малой мощности. Они преимущественно применяются в различных автоматических устройствах наряду с другими однофазными и трехфазными асинхронными машинами нетрадиционной конструкции (сельсинами, исполнительными двигателями, тахогенераторами и др.).
Асинхронный генератор. Принцип действия. Самовозбуждение. Асинхронные машины используются преимущественно в качестве двигателей. Применение их в качестве генераторов ограничивается тем, что асинхронная машина не является источником реактивной мощности. При работе в генераторном режиме машина отдает в сеть активную и потребляет из сети реактивную мощность. Реактивная мощность необходима для создания магнитного поля машины. Источниками реактивной энергии могут являться синхронные машины, работающие в сети параллельно с асинхронной машиной или, в автономных энергетических установках, батареи конденсаторов (рис. 4.33). В генераторном режиме асинхронная машина подключается к сети, ротор вращается в сторону вращения поля с частотой, превышающую синхронную частоту вращения поля. Ток холостого хода остается практически неизменным во всех режимах работы. При пуске асинхронный генератор доводят до подсинхронной скорости, а затем включают в сеть. Генератор возбуждается и принимает нагрузку, соответствующую мощности приводного двигателя. Активная мощность изменяется путем регулирования вращающего момента двигателя. Если нагрузка резко падает, например, при коротком замыкании, то генератор теряет возбуждение, резко снижается его электромагнитный момент, возрастает частота вращения агрегата, во избежание чего принимают специальные меры. При работе асинхронною генератора на отдельную сеть для его возбуждения применяют батареи конденсаторов. Этот процесс, характеристики которого представлены на рис. 4.34, называется самовозбуждением. Он протекает следующим образом. При вращении ротора генератора приводным двигателем с частотой близкой к номинальной в каждой фазе обмотки статора наводится эдс Еост, которая вызвана остаточным магнитным потоком Фост. С включением обмоток статора на емкости С в цепи между статором генератора и батареей конденсаторов под действием Еост протекает ток IC. Ток IС создает поток Фс, направленный согласно Фост. В результате общий магнитный поток растет и вызывает рост эдс и тока в статоре. С ростом тока происходит дальнейшее увеличение магнитного потока и т.д. Процесс самовозбуждения идет до тех пор, пока эдс обмотки статора ICω1L1 не будет равна падению напряжения на конденсаторах IС/ω1C1, т.е. пока их значения не установятся в точке пересечения характеристики холостого хода генератора с вольтамперной характеристикой цепи конденсаторов ICхC и не станут равными току I1 и эдс E1. Напряжение на выводах генератора зависит от емкости конденсаторов С (чем меньше емкость, тем больше угол α), а также от вида характеристики намагничивания. При малых емкостях машина не возбуждается. Насыщение генератора можно менять путем подмагничивания статора постоянным током при постоянной емкости конденсаторов. В процессе работы генератора с самовозбуждением следует поддерживать постоянной частоты вырабатываемого напряжения f1. Например, с ростом нагрузки надо увеличить частоту вращения ротора. Асинхронные генераторы могут найти практическое применение в электроустановках вспомогательного назначения небольшой мощности.
Работа трехфазных асинхронных двигателей при ненормальных условиях. Асинхронные двигатели имеют номинальные паспортные данные, позволяющие им работать в условиях, оговоренных предприятиями-изготовителями. При работе в ненормальных условиях номинальные данные изменяются. Ненормальные условия могут иметь как климатический, так и производственный характер. В случае работы на высоте над уровнем моря, превышающей указанную предприятием-изготовителем, и при повышенной температуре окружающего воздуха условия охлаждения ухудшаются. Это приводит к необходимости снижения номинальной мощности двигателей. Производственный характер ненормальных условий связан с качеством электрической энергии, параметры которой определяются Государственным стандартом. Работа двигателя в производственных условиях зависит от частоты питающего напряжения f1H, его величины U1H и симметрии. Режим, при котором указанные параметры не выходят за пределы установленных стандартом отклонений, называется допустимым режимом работы. Асинхронные'двигатели допускают длительную работу с номинальной нагрузкой при изменении питающего напряжения в диапазоне (0,95-1,10)U1H и его частоты в пределах ±2,5% от номинальной. В случае одновременного отклонения напряжения и частоты сети от номинальных значений двигатели должны сохранять номинальную мощность. Сумма абсолютных процентных значений этих отклонений не должна превосходить 10%, а каждое отклонение не превышать нормы. Отклонения напряжения и частоты от номинальных значений приводит к изменению момента двигателя и потерь мощности в нем. При неизменной частоте f1H отклонения напряжения в указанных пределах практически не оказывают влияние на суммарные потери в двигателе и температуру его частей. Понижение напряжения более чем на 5% номинального приводит к заметному снижению перегрузочной способности двигателя. Нагрузку следует уменьшать, т.к. рост потерь в обмотке статора не компенсируется снижением потерь в стали. При этом температура обмотки статора будет превышает максимально допустимую. Повышение напряжения более чем на 10% номинального вызывает нагрев магнитопровода. Тока намагничивания заметно возрастает при незначительном повышении напряжения, поскольку двигатели проектируют на работу с умеренным насыщением. Ток статора следует уменьшить на величину, соответствующую номинальной нагрузке. Помимо опасности перегрева активной стали, при дальнейшем повышении напряжения возникает опасность для изоляции, особенно для высоковольтных двигателей. Снижение частоты питающего напряжения приводит к возрастанию магнитного потока двигателя и насыщению магнитной цепи. В результате чего нагревается обмотка статора. Увеличение частоты при неизменном моменте на валу двигателя приводит к снижению его магнитного потока и возрастанию токов в обмотках статора и ротора, а следовательно к их перегреву. При эксплуатации асинхронных двигателей возможна их работа на несимметричном питающем напряжении. Например в случае подключения двигателей к трехфазной сети с мощными однофазными нагрузками (электрических печей и др.) или аварии. Несимметричная система питающих линейных напряжений может быть разложена на две симметричные системы напряжений прямой и обратной последовательностей. Система напряжений прямой последовательности U11 создает в обмотках статора и ротора токи прямой последовательности, образующие вращающее поле, в направлении которого двигается ротор. Ротор по отношению к полю прямой последовательности имеет скольжение: s1=(ω1-ω2)/ω1 (4.96). Система напряжений обратной последовательности U12 создает в обмотках токи обратной последовательности, которые создают обратно вращающееся магнитное поле, причем U12<U11. Ротор по отношению к магнитному полю отстает со скольжением: s2=(ω1+ω2)/ω1=(ω1+ω1(1-s1))/ω1=2-s1 (4.97). Токи ротора прямой и обратной последовательностей при взаимодействии со своими полями создают моменты прямой М1 и обратной М2 последовательностей, которые направлены в противоположные стороны. Результирующий момент двигателя М равен: М=М1+М2 (4.98). Механическая характеристика асинхронного двигателя при несимметричном напряжении питающей сети показана на рис. 4.32. Искажение симметрии питающего напряжения приводит к уменьшению максимального и пускового моментов. Это отрицательно сказывается на характеристиках двигателя, поскольку номинальный момент имеет место при больших скольжения и соответственно при больших токах. Электрические потери для постоянного значения полезной мощности асинхронного двигателя и несимметричного питающего напряжения больше, чем при симметричном. Частота тока ротора обратной последовательности в номинальном режиме f2≈2f1, что приводит к росту магнитных потерь. В то же время асинхронный двигатель, включенный в сеть с несимметричным напряжением, создает уравновешивающий эффект, т.е. Симметрия напряжений несколько уменьшается. Этот эффект связан с частичной компенсацией токов обратной последовательности нагрузки в линии токами обратной последовательности асинхронного двигателя.
Испытания, эксплуатация и ремонт асинхронных машин. Программа приемо-сдаточных испытаний для асинхронных машин включает следующие мероприятия: 1) измерение сопротивления изоляции обмоток по отношению к корпусу машины и между обмотками, а также сопротивлений обмоток при постоянном токе в практически холодном состоянии; 2) определение коэффициента трансформации (для машин с фазным ротором); 3) испытания изоляции обмоток на электрическую прочность по отношению к корпусу машины и между обмотками, а также на электрическую прочность межвитковой изоляции обмоток статора и фазного ротора; 4) определение токов и потерь в режимах холостого хода и короткого замыкания; 5) испытания при повышенной частоте вращения и на нагревание; 6) определение кпд, коэффициента мощности и скольжения; 7) испытание на кратковременную перегрузку по току. Объем приемо-сдаточных испытаний может быть увеличен в зависимости от величины, назначения асинхронной машины, потребности в определении данных для наладочных работ или, если машина на не подвергалась контрольным и типовым испытаниям. Режимы работы асинхронных двигателей определяются параметрами качества электрической энергии, а также организацией системы электроснабжения и технологией производства. В процессе эксплуатации периодически проводится контроль нагрузки двигателей, температуры подшипников, охлаждающего воздуха, систем охлаждения мощных двигателей, уровня масла в подшипниках. На ряде технологических установок предусматривается возможность самозапуска двигателей после восстановления нормального уровня напряжения в сети. Самозапуск проводится с учетом требований технологии производства и осуществляется путем поэтапного включения двигателей в зависимости от приоритета конкретной установки. Перечень неисправностей асинхронных двигателей, их причины и способы устранения представлены в справочной литературе. Для проверки состояния двигателей и устранения неисправностей периодически проводятся капитальные и текущие ремонты. Капитальный ремонт предусматривает полную разборку двигателя, проверку его составных частей и при необходимости их замену. Объем текущего ремонта предусматривает проверку смазки подшипников и ее замену при необходимости, чистку и обдувку статора и ротора при снятой задней крышке, осмотр обмоток в доступных местах. Периодичность капитальных и текущих ремонтов устанавливается по местным условиям в зависимости от температуры и загрязненности окружающего воздуха, а также с учетом требований предприятий-изготовителей. Ремонты двигателей совмещают с ремонтами приводимых ими механизмов. Текущий ремонт проводят 1-2 раза в год, капитальный не реже одного раза в 3-5 лет. Периодически контролируют параметры изоляции обмоток, при необходимости проводят сушку двигателя. Асинхронные двигатели являются основными двигателями для большинства электроприводов. Они выпускаются сериями, имеющими различные специализированные исполнения (тропическое, химическое, на частоту 60 Гц, металлургическое, крановое и т.д.) и конструкции (со встроенным электромагнитным тормозом, температурной защитой и т.д.). Важной задачей является оптимальное проектирование и рациональная эксплуатация асинхронных двигателей.

Приложенные файлы

  • docx 19141692
    Размер файла: 313 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий