Синхронные машины. Машины постоянного тока (стр. 20 из 42)
Так как в фазе С–Zсумма токов прямой и обратной последовательностей равна нулю
. (1.70)и для нее İС1 = – İС2, то, очевидно, во всех фазах токи прямой и обратной последовательностей будут равны по модулю (рис. 1.63, б). Для определения установившегося тока двухфазного короткого замыкания İк2 будем исходить из фазных напряжений:
(1.71)При этом линейное напряжение
Из векторной диаграммы (рис. 1.63, б) следует, что
. (1.72)Откуда
. (1.73)Следовательно,
. (1.74)Так как İА–İВ = 2İА = (İА1–İВ1) +(İА2–İВ2) = 2İАВ1 получаем
. (1.75)Векторная диаграмма напряжений при двухфазном коротком замыкании изображена на рис. 1.63, в.
Внезапное (аварийное) короткое замыкание. При одно- и двухфазном внезапных коротких замыканиях ток короткого замыкания больше, чем при трехфазном аварийном коротком замыкании, в соответствии с тем, что при установившемся режиме ток при двух- и однофазном коротких замыканиях больше, чем при трехфазном. В случае аварийных несимметричных коротких замыканий возникают, так же как при трехфазном коротком замыкании, апериодическая и периодическая составляющие тока. Начальное действующее значение периодической составляющей тока I'уст.макс можно определять по формулам (1.66) или (1.75), подставляя вместо хпр величину х"dили x'd. При этом индуктивные сопротивления х2и х0остаются практически одинаковыми как для установившихся, так и для переходных режимов. В остальном определение тока короткого замыкания при несимметричных режимах производится так же, как и при трехфазном коротком замыкании.
1.20 Синхронные машины с постоянными магнитами
Машины с постоянными магнитами позволяют уменьшить потери в машине, а также (при полюсах, расположенных на роторе) избавиться от подвода тока через контактные кольца к обмотке возбуждения. Недостатком постоянных магнитов с высокой коэрцитивной силой является их чрезвычайно высокая стоимость. Однако в настоящее время появились первые образцы электрических машин с дешевыми ферритно-бариевыми магнитами. Типичная кривая намагничивания ферритно-бариевого магнита изображена на рис. 1.64. Остаточная индукция такого магнита Вг ≈ 0,35 Т, коэрцитивная сила Hс ≈ 250 кА/м. Но чтобы получить хорошее использование материалов в машине и пре-емлемые габариты машины, индукция в воздушном зазоре должна составлять 0,5–1,0Т, как это обычно имеет место в машинах с электромагнитным возбуждением.
Рис. 1.64 – Кривая намагничивания феррито-бариевого магнита
Для повышения индукции в воздушном зазоре и зубцах машины применяют различные концентраторы магнитного потока. Принцип устройства концентратора состоит в том, что площадь поперечного сечения магнита берется больше площади воздушного зазора (рис. 1.65, а). При этом индукция в воздушном зазоре определяется равенством
, (1.76)где Sм – площадь сечения воздушного зазора для постоянного магнита; Sσ–площадь сечения воздушного зазора, через которое замыкается магнитный поток машины.
Выполняя машину с отношением Sм/Sσ≈ 2 ÷ 3, получают желаемую индукцию в воздушном зазоре.
Рис. 1.65 – Принцип устройства концентратора магнитного потока (а) и конструктивная схема генератора с постоянными магнитами (б): 1-статор, 2 – ротор, 3 – постоянные магниты
Особенно выгодно применение машин с концентраторами магнитного потока при высоких частотах вращения и повышенной частоте тока. На рис. 1.65, б изображена конструктивная схема две-надцатиполюсного генератора мощностью 20 кВт на частоту 300 Гц при частоте вращения 3000 об/мин.
Недостаток такого генератора заключается в том, что невозможно регулировать его выходное напряжение. Однако изменение напряжения под нагрузкой не очень велико, так как отношение короткого замыкания весьма значительно: kо.к.з ≈ 3,5.
Можно ожидать, что мощные синхронные машины с постоянными магнитами в ближайшие годы найдут широкое применение в комбинации с полупроводниковыми преобразователями не только в качестве генераторов, но и двигателей.
2. Машины постоянного тока
2.1 Принцип действия машины постоянного тока
Машина постоянного тока (рис. 2.1) имеет обмотку возбуждения, расположенную на явно выраженных полюсах статора. По обмотке возбуждения проходит постоянный ток Iв, который создает магнитное поле возбуждения Фв. На роторе размещена двухслойная обмотка, в которой при вращении ротора индуктируется э. д.с. Таким образом, ротор машины постоянного тока является якорем, а конструкция машины сходна с конструкцией обращенной синхронной машины.
При заданном направлении вращения якоря направление э. д. с, индуктируемой в проводниках, зависит только от того, под каким полюсом находится проводник. Поэтому во всех проводниках, расположенных под одним полюсом, направление э.д.с. одинаковое и сохраняется таким независимо от частоты вращения.
Другими словами, картина, изображающая направление э.д.с. на рис. 2.1, неподвижна во времени: в проводниках, расположенных выше горизонтальной оси симметрии, которая разделяет полюсы (геометрическая нейтраль), э.д.с. всегда направлена в одну сторону; в проводниках, лежащих ниже геометрической нейтрали, э.д.с. направлена в противоположную сторону.
Рис. 2.1 – Электромагнитная схема машины постоянного тока: 1-обмотка возбуждения, 2 – главные полюсы, 3 – якорь, 4-обмотка якоря, 5-щетки, 6 – корпус (станина)
При вращении якоря проводники обмотки перемещаются от одного полюса к другому; э.д.с, индуктируемая в них, меняет знак, т.е. в каждом проводнике наводится переменная э.д.с. Однако количество проводников, находящихся под каждым полюсом, остается неизменным. При этом суммарная э.д.с, индуктируемая в проводниках, которые находятся под одним полюсом, также неизменна по направлению и приблизительно постоянна по величине. Эта э.д.с. снимается с обмотки якоря при помощи скользящего контакта, включенного между обмоткой и внешней цепью.
На рис. 2.2 показана эквивалентная электрическая схема обмотки якоря двухполюсной машины постоянного тока. Обмотка якоря выполняется замкнутой, симметричной. При отсутствии внешней нагрузки ток по обмотке не проходит, так как э.д.с. Е, индуктируемые в различных частях обмотки, взаимно компенсируются.
Рис. 2.2 – Эквивалентная электрическая схема обмотки якоря двухполюсной машины постоянного тока
Если расположить щетки, осуществляющие скользящий контакт с обмоткой якоря, на геометрической нейтрали, то при отсутствии внешней нагрузки к щеткам будет приложено напряжение U, равное э. д. с. Е, индуктированной в каждой из половин обмотки. Это напряжение практически неизменно, хотя и имеет некоторую переменную составляющую, обусловленную изменением положения проводников в пространстве. При большом количестве проводников пульсации напряжения весьма незначительны.
Если к щеткам подключить сопротивление нагрузки rн то через обмотку якоря будет проходить постоянный ток Iа, направление которого определяется направлением э.д.с. Е. В обмотке якоря ток Iа разветвляется и проходит в данном случае по двум параллельным ветвям (токи ia).
Для обеспечения надежного токосъема щетки скользят не по проводникам обмотки якоря (как это было на заре электромашиностроения), а по коллектору, который выполнен в виде цилиндра, набираемого из медных пластин, изолированных друг от друга. К каждой паре соседних коллекторных пластин присоединяют часть обмотки якоря, состоящую из одного или нескольких витков. Эту часть называют секцией обмотки якоря.
Если машина работает в генераторном режиме, то коллектор вместе со скользящими по его поверхности щетками является механическим выпрямителем. В двигательном режиме, когда к якорю подводится питание от источника постоянного тока и он преобразует электрическую энергию в механическую, коллектор со щетками можно рассматривать как преобразователь частоты, связывающий сеть постоянного тока с обмоткой, по проводникам которой проходит переменный ток.
Таким образом, главной особенностью машины постоянного тока является наличие коллектора и скользящего контакта между обмоткой якоря и внешней электрической цепью.
2.2 Устройство машины постоянного тока
Машина постоянного тока (рис. 2.3) по конструктивному исполнению подобна обращенной синхронной машине, у которой обмотка якоря расположена на роторе, а обмотка возбуждения – на статоре. Основное отличие заключается в том, что машина постоянного тока имеет на якоре коллектор, а на статоре, помимо главных полюсов с обмоткой возбуждения–добавочные полюсы, которые служат для уменьшения искрения под щетками.