Способы возбуждения электродвигателей постоянного тока

Под возбуждением электрических машин понимают создание в них магнитного поля, необходимого для работы электродвигателя. Схемы возбуждения электродвигателей постоянного тока показаны на рисунке.

53Способы включения на параллельную работу синхронных генераторов

Генераторы современных электрических станций очень редко работают автономно, на собственную отдельную электрическую сеть и отдельную группу потребителей. Через сборные шины станции генераторы связаны электрически и работают параллельно на общую сеть. Параллельная работа позволяет обеспечить генераторам экономичный нагрузочный режим, повышает надежность электроснабжения потребителей и качество электроэнергии (постоянство частоты и напряжения).

Включение синхронного генератора на сеть для параллельной работы с другими, уже подключенными, требует особой подготовки предварительного обеспечения ряда условий, без чего генератор в момент включения может оказаться в опасном режиме. Весь процесс подготовки генератора к включению на параллельную работу (выполнения и проверки необходимых требований) называется синхронизацией.

К моменту включения генератора на сеть должны быть обеспечены следующие условия:

а) равенство напряжений синхронизируемого генератора и сети:

б) равенство частот:

в) совпадение фаз напряжений:

В последнем требовании углы а – это угловые расстояния от начал синусоид напряжений U_г и U_c. Смысл требования сводится к тому, чтобы в момент включения генератора на сеть его напряжение находилось в той же фазе, что и напряжение сети.

Выполнение первых двух требований проверяется легко – с помощью вольтметров и частотомеров, разделенных для сети и синхронизируемого генератора, или общих, поочередно переключаемых на сеть и генератор, как показано на изображении ниже.

 

Напряжение генератора подгоняется к напряжению сети с помощью регулировочного реостата R_peг в цепи возбуждения возбудителя. Частота генератора регулируется изменением числа оборотов. Вольтметр и частотомер могут включаться и на разность сравниваемых величин (нулевые приборы).

Технически сложной задачей является обеспечение совпадения фаз. Для этого применяются особые устройства, называемые синхроноскопами. Простейшим из них является ламповый синхроноскоп, основным элементом которого являются три лампы, включаемые на разность напряжений синхронизируемого генератора и сети.

На изображении выше под категорией а) показана схема включения приборов при синхронизации с ламповым синхроноскопом. Каждая лампа включена на разность напряжений одноименных фаз. Такой способ включения ламп называется включением «на темное». На изображении под категорией б) показаны векторы фазных напряжений сети и генератора. Разность напряжений одноименных фаз (A, B, C) равна векторам, замыкающим их концы. Именно на это напряжение и показаны включенными лампы синхроноскопа. Даже при равенстве U_г = U₀ геометрическая разность этих напряжений не будет равна нулю, если угол между их векторами y не равен нулю, то есть если напряжение сети и генератора не совпадают по фазе. При y = 0 разностное напряжение ∆ U = 0 и лампы (все одновременно) потухают. Однако практически невозможно добиться при синхронизации полного равенства частот.

Если то векторы U_г и U_c на диаграмме вращаются с разной скоростью, угол между ними будет изменяться от нуля до 180°, а разностное напряжение ∆ U – от нуля до двойного фазового.

Таким образом, лампы синхроноскопа будут мигать: то загораться, то потухать. Чем больше разность частот, тем чаще мигание ламп.

При этом способе синхронизации нельзя установить, какая из частот больше и следует ли увеличить или уменьшить обороты синхронизируемого генератора.

 

Выполняют это наугад и судя поэффекту (увеличению или уменьшению частоты мигания) выполняют дальнейшую подгонку частоты. Генератор включают на сеть, когда мигание становится медленным, в момент достаточно длительного потухания ламп: отсюда и название – синхронизация «на темное».

Второй способ синхронизации с помощью лампового синхроноскопа осуществляется подключением одной лампы, как и ранее, на разность напряжений одноименных фаз, а двух других – крест на крест. Такой способ синхронизации называется синхронизацией «на круговой огонь». Схема подключения ламп и векторная диаграмма показаны на изображении выше. По векторной диаграмме легко проследить, что в этом случае, при неравенстве частот, лампы будут загораться и потухать поочередно. При f_г > f _c «круговой огонь» будет перемещаться в одном направлении, при f_г < f _c – в обратном. Это позволяет сразу установить, нужно повышать или понижать обороты синхронизируемого генератора. Включение генератора в сеть производится при самом замедленном вращении «огня» в момент, когда лампа, включенная на одноименные фазы, потухла, а две другие горят с одинаковой яркостью.

Если при синхронизации фазы генератора и сети перепутаны (неодинаковый порядок чередования фаз), то при включении ламп на темное – получается круговой огонь, а при включении на круговой огонь – эффект включения на темное.

Порядок чередования фаз может быть проверен с помощью особого прибора – фазоуказателя, по своему устройству аналогичного трехфазному асинхронному двигателю.

Более совершенным, чем ламповые, является стрелочный синхроноскоп. Синхроноскоп имеет три неподвижных катушки. Внутри первой находится вращающийся Z-образный стальной сердечник, жестко скрепленный с указательной стрелкой. Остальные две катушки установлены одна к другой под углом 120°. Катушки создают три пульсирующих потока, которые образуют один результирующий поток, по оси которого располагается Z-образный сердечник.

При совпадении фаз стрелка прибора устанавливается на красной черте.

Направление вращения стрелки указывает, как нужно изменять скорость вращения генератора: при вращении против часовой стрелки (f_г < f _c) – обороты первичного двигателя (генератора) надо увеличить, а при вращении по часовой стрелке (f_г > f _c) – уменьшить.

Синхронизацию, при которой добиваются совпадения фаз напряжений синхронизируемого генератора и сети, называют «точной».

В последние годы был разработан и все шире применяется метод самосинхронизации или «грубой» синхронизации. В этом случае генератор доводят первичным двигателем до скорости, близкой к синхронной, и без возбуждения ротора включают в сеть, тут же подавая ток в обмотку ротора.

Перед включением фазоуказателем проверяют порядок чередования фаз генератора и сети, регулировочный реостат R_peг в цепи ротора устанавливают в положении, соответствующем U_г = U_c обмотку ротора замыкают через разрядное сопротивление r ₀, равное 5-10-кратному сопротивлению обмотки возбуждения, чтобы уменьшить напряжение на ее зажимах в момент пуска.

После пуска генератор легко втягивается в синхронизм, благодаря моменту, возникающему в генераторе после подачи возбуждения.

Преимущество метода самосинхронизации – большая простота, быстрота выполнения.

На современных крупных электростанциях синхронизация выполняется специальными автоматическими устройствами.

55Внешняя характеристика синхронного генератора

Для оценки свойств синхронных генераторов используют те же характеристики, что и для генераторов постоянного тока. Только условия, при которых определяются внешняя и регулировочная характеристики, несколько дополняются.

11.5.1. Характеристика холостого хода. Основной магнитный поток синхронного генератора является функцией тока возбуждения, т. е. Ф₀ (I _в).

Если в (11.1) заменить f согласно (11.2), а магнитный поток записать как функцию тока возбуждения Ф₀(I _в), получим

(11.10)

Е 0 = 4,44 kw	рn	Ф0(I в).

Изменяя с помощью реостата r _р (см. рис. 11.4) ток I _в, можно менять тем самым поток Ф₀ и, следовательно, ЭДС Е ₀. Характеристика холостого хода синхронного генератора Е ₀ (I _в) не отличается от характеристики холостого хода генераторов постоянного тока (см. рис. 9.13) и определяется при тех же условиях, т. е. при I = 0 и n = const.

11.5.2.Внешние характеристики. Как говорилось ранее, внешняя характеристика генератора независимого возбуждения U (I) определяется при следующих условиях: n = const и I _в = const. Так как напряжение синхронного генератора зависит при прочих равных условиях еще от характера нагрузки, то дополнительным условием, при котором следует определять внешнюю характеристику синхронного генератора, должно быть постоянство коэффициента мощности, т. е. cos φ = const.

Внешние характеристики синхронного генератора при активной (φ = 0), активно-индуктивной (φ > 0) и активно-емкостной (φ < 0) нагрузках приведены на рис. 11.6. Они являются наглядной иллюстрацией того, что говорилось в § 11.4 о влиянии характера нагрузки на напряжение генератора.

Относительное изменение напряжения генератора, %, оценивают по формуле

Δ u ном =	U х - U ном	100 =	Δ U ном	100,
U ном	U ном

где U _х — напряжение генератора при холостом ходе (I = 0), равное ЭДС; U _ном — напряжение при номинальной нагрузке (I = I _ном).

В случае наиболее часто встречающейся активно-индуктивной нагрузки при cos φ ≈ 0,8 относительное изменение напряжения Δ u _ном у некоторых генераторов доходит до 35 — 45%.

11.5.3.Регулировочные характеристики. Естественно, что поскольку напряжение синхронного генератора изменяется при изменении нагрузки в значительных пределах, необходимо принимать меры для уменьшения изменения напряжения. Этого можно добиться, очевидно, за счет соответствующего изменения ЭДС генератора E ₀ путем воздействия на его ток возбуждения I _в. О том, как и в каких пределах необходимо изменять ток возбуждения при изменении тока нагрузки генератора, чтобы поддерживать U = const, и дают представление регулировочные характеристики (рис. 11.7).

Дополнительным условием, при котором должна определяться каждая из характеристик (кроме n = const), является cos φ = const.

Следует обратить внимание на то, что для нормальных условий работы приемников электрической энергии необходимо поддерживать напряжение и частоту синхронного генератора на заданных уровнях. Для этого синхронные генераторы снабжаются в большинстве случаев регуляторами, управляющими напряжением и частотой вращения генераторов и воздействующими на ток возбуждения генераторов и момент первичного двигателя.

 

56 ОКЗ синхронных генераторов

Отношение короткого замыкания может быть определено из опыта короткого замыкания. [1]

Отношение короткого замыкания удобно определять, пользуясь характеристикой короткого замыкания, выраженной в относительных единицах. [2]

Нагрузочная характеристика 254.| К построению реактивного треугольника.

Отношение короткого замыкания, так же как и ха, определяет перегрузочную способность синхронной машины. Такие машины требуют больших вложений материалов, что увеличивает их стоимость. [3]

Опыт короткого замыкания для фильтра тока.

Отношение короткого замыкания может быть определено из опыта короткого замыкания. [4]

Типичная характеристика холостого хода паротурбинного генератора.

Отношением короткого замыкания (ОКЗ) синхронной машины называется отношение тока возбуждения, необходимого для создания номинального напряжения в режиме холостого хода при номинальной скорости вращения, к току возбуждения, необходимому для создания номинального тока статора в режиме установившегося трехфазного короткого замыкания на выводах. [5]

Век торная диаграмма для определения мощности.

В специальной литературе часто применяется выражениеотношение короткого замыкания. В случае, приведенном на рис. 3 - 136, отношение короткого замыкания составляет 0 5 или с учетом насыщения несколько больше. [6]

ОКЗ - / KD / / H - отношение короткого замыкания, равное току короткого замыкания генератора при возбуждении холостого хода, деленному на его номинальный ток; jtTfc K0 / f / 100-реактивная составляющая напряжения короткого замыкания трансформатора в относительных единицах. [7]

Если скоростная нагрузочная характеристика оказалась неудовлетворительной, то изменяютотношение короткого замыкания или принимают специальные меры, например, включение дросселя в цепь якоря. [8]

Практическая диаграмма э. д. С.| Определение коэффициента отношения короткого замыкания.

Одним из важных параметров синхронного генератора является коэффициент, называемыйотношением короткого замыкания, который представляет собой отношение тока возбуждения / в. [9]

 

 

54 U образные характеристики синхронного генератора

Поведение генератора при работе на авто­номную нагрузку может быть исследовано аналитическими или графоаналитическими метода­ми (см. п. 5.6 и 5.7). Наряду с теоретическими методами существует экспериментальный метод, который позволяет наиболее полно и точно исследовать поведение генератора при работе на автономную нагрузку. При экспериментальном исследовании снимают пять характеристик генератора: характеристику холостого хода, короткого замыкания, внешнюю, регулировочную и нагрузочную. Эти характеристики дают представление о свойствах генератора и позволяют определить его параметры.
5.8.2. Характеристика холостого хода

Характеристика холостого хода U₁ = _f (I _f) при I₁ =0 и n = const определяет со­стояние магнитной цепи генератора. Для получения характеристики холостого хода ротор генератора вращают с номинальной частотой. Ток возбуждения генератора I _f изменяют от нуля до некоторого максимального значения, соответствующего U₁ = l.3U_H, а затем обратно от максимума до нуля. Вследствие явления гистерезиса и

остаточного намагничивания характеристика холостого хода имеет вид узкой петли (рис. 5.20).

Рис.5.20

За характеристику холостого хода принимают среднюю линию. Точка пере­сечения этой характеристики с осью ординат определяет остаточную ЭДС генератора Е_ост. При практическом использовании харак­теристики холостого хода она экстраполирует­ся до пересечения с осью абсцисс и перемеща­ется в начало координат. В таком виде она строите» в относительных единицах. Базисно­му напряжению U_б = U_H соответствует по ха­рактеристике холостого хода базисный ток возбуждения I _{f б} =I _{f o} (рис. 5.21). Характе­ристики холостого хода современных син­хронных машин в относительных единицах

мало отличаются между собой и их можно представить следующей усредненной («нормальной») характеристикой:

По характеристике холостого хода определяется степень насыщения магнитопровода при номинальном напряжении:

а также совместно с другими характеристиками, ряд параметров генератора.

^ 5.8.3. Характеристика короткого замыкания

Характеристика короткого замыкания I₁ = f(I_f) снимается при замыкании всех трех

фаз обмотки якоря накоротко (U₁ = 0) и при номинальной частоте вращения n = n₁= const. Опыт начинается с наибольшего тока I₁ = 1,2I_н, постепенно снижаемого до нуля. Как сле­дует из схемы замещения (рис. 5.11), ток короткого замыкания

 

55.Внешняя характеристика синхронного генератора

Внешняя характеристика синхронного генератора характеризует его электрические свойства и представляет собой зависимость напряжения на зажимах генератора U от его тока нагрузки I при постоянных значениях коэффициента мощности cosφ, скорости вращения ротора n и тока возбуждения Iв.

Чтобы экспериментально получить внешнюю характеристику, нужно сначала нагрузить генератор до номинального тока Iн при номинальном напряжении Uн на зажимах генератора, которое устанавливается путём регулировки тока возбуждения. Затем, поддерживая ток возбуждения и частоту вращения постоянными, постепенно уменьшают ток нагрузки до нуля. Внешние характеристики могут иметь спад (кривая 2) или подъём (кривая 3) в зависимости от характеристики нагрузки и действия реакции якоря.

Номинальный режим нагрузки выбирают так, чтобы при cosφ = 0,8 изменение напряжения ΔU не превышало 35 – 45% от номинального (кривая 1).

56. окз синхронных генераторов

снятия характеристик холостого хода и короткого замыкания синхронного генератора.

Для снятия характеристики короткого замыкания собирают схему, показанную на рис. 169, а. Убеждаются, что синхронный генератор Г вращается с нормальной частотой, шунтовой реостат находится в начальном положении, соответствующем минимальному току возбуждения, а также в том, что лица, участвующие в проведении испытания, находятся на своих местах и готовы к работе. Затем включают автомат гашения поля.

Постепенно увеличивая ток ротора шунтовым реостатом возбудителя, устанавливают поочередно 4—5 значений тока статора (например, 0,25; 0,5; 0,75 и 0,9—1 номинального), при которых снимают показания приборов, измеряющих силу тока в роторе и статоре (во всех трех фазах). По полученным данным строят характеристику короткого замыкания (рис. 169, б) и сравнивают ее с заводской или с соответствующей характеристикой, полученной на однотипной машине при предыдущих испытаниях. Несоответствие характеристики короткого замыкания заводской, особенно если она не исходит из начала координат, свидетельствует о возможной неисправности, например замыкании витков обмотки ротора. При опыте короткого замыкания проверяют все токовые защиты генератора.

Рис. 169. Снятие характеристики короткого замыкания синхронного генератора: а — схема, б — характеристика короткого замыкания

57. Регулировочная характеристика СГ

Регулировочная характеристика синхронного генератора представляет собой зависимость тока возбуждения генератора Iв от тока нагрузки I при
U = Uн =const, n=nН =const и cos ф и const. Эта характеристика показывает, как выбрать ток возбуждения, при котором напряжение на зажимах генератора оставалось бы постоянным при изменениях нагрузки.

Чтобы экспериментально получить регулировоч­ную характеристику, нужно сначала включить ге­нератор и сообщить его ротору номинальную ско­рость вращения Пц при холостом ходе, а потом пу­тем изменения тока возбуждения добиться получе­ния номинального напряжения.

Далее постепенно увеличивают ток нагрузки и снимают характеристику, добиваясь в каждой точ­ке постоянства напряжения на зажимах машины (V = [7„ = сопз1) путем регулирования тока воз­буждения.

На рис. 9.5 изображены регулировочные харак­теристики для различных значений. Мы ви­дим, что при активно-индуктивной нагрузке, когда (р >. О (кривая 2), ток возбуждения необходимо уве­личивать, а при активно-емкостной нагрузке, ког­да ^? < О (кривая 3) - уменьшать. Кривая 1 соответ­ствует оптимальному режиму. Все эти явления обус­ловлены реакцией якоря.

 

58. реакция якоря СГ

При нагрузке синхронного генератора по обмотке статора проходит ток, который создает свой магнитный поток. Последний, вступая во взаимодействие с потоком ротора, образует результирующий магнитный поток машины. Такое действие магнитного потока статора (здесь якоря) на поток полюсов ротора называется реакцией якоря. В дальнейшем изложении магнитным потоком рассеяния статора пренебрегаем.

Реакция якоря оказывает на работу синхронного генератора большое влияние. Рассмотрим три характерных случая:

1. Генератор нагружен на активную нагрузку. Ток I совпадает по фазе с э. д. с, индуктированной в обмотке статора.
Разберем момент, когда обе стороны катушки одной фазной обмотки оказались над серединами полюсов (фиг. 250, а). В этот момент э. д. с. катушки имеет максимальное значение, а так как нагрузка генератора чисто активная, то и ток в катушке будет иметь максимальное значение. Направление магнитных линий вокруг проводников катушки статора определяется по правилу буравчика. Из чертежа видно, что поле статора размагничивает набегавший край полюсов и намагничивает сбегающий край полюсов. Этот случай носит название поперечной реакции якоря.

2. Генератор нагружен на чисто индуктивную нагрузку, при этом ток отстает от э. д. с. на 90° (фиг. 250, б). Максимум тока наступает в момент, когда полюсы проходят за соответствующие проводники расстояние, равное половине полюсного деления. Из чертежа видно, что магнитный поток статора направлен навстречу потоку полюсов вдоль их оси. Этот случай носит название продольно-размагничивающей реакции якоря.
3. Генератор нагружен на чисто емкостную нагрузку. При этом ток опережает э. д. с. на 90° (фиг. 250, в).
Максимум тока наступает в момент, когда полюсы не дойдут до соответствующих проводников на расстояние, равное половине полюсного деления. Из чертежа видно, что магнитный поток статора направлен согласно с потоком полюсов вдоль их оси.

Этот случай носит название продольно-намагничивающей реакции якоря. На фиг. 250 показаны моменты, когда токи в цепи обмотки одной фазы имеют максимальное значение. В любые другие моменты величины токов в обмотке фазы статора будут меньше, и реакция якоря обмотки одной фазы будет соответственно ослаблена. В действительности нагрузка имеет смешанный характер. Поэтому магнитный поток реакции якоря будет иметь как поперечную, так и продольную составляющие. Таким образом, реакция якоря синхронного генератора зависит от характера нагрузки, т. е. от сдвига фаз между индуктированной в статоре э. д. с. и его током.

 

59. Способы возбуждения СМ

В синхронных машинах применяют два способа возбуждения: электромагнитное и возбуждение постоянными магнитами. При электромагнитном возбуждении основной магнитный поток создается посредством обмотки возбуждения. В синхронных генераторах с электромагнитным возбуждением распространение получила электромашинная система возбуждения синхронных машин, при которой источником постоянного тока для питания обмотки возбуждения синхронной машины является генератор постоянного тока, называемый возбудителем.

В зависимости от источника механической энергии для привода возбудителя электромашинную систему возбуждения разделяют на прямую, когда ротор возбудителя механически сопряжен с валом синхронной машины, и косвенную, когда для вращения ротора возбудителя используют специальный двигатель, например, асинхронный.

Преобладающее применение получила прямая электромашинная система возбуждения. При этом в мощных синхронных генераторах в качестве возбудителя используют генератор независимого возбуждения, обмотка возбуждения которого получает питание от другого генератора постоянного тока, называемого подвозбудителем. Такая система возбуждения обеспечивает синхронному генератору более устойчивую работу и лучшие регулировочные свойства. За последние годы все более широкое распространение получают системы самовозбуждения, в которых энергия, необходимая для возбуждения, отбирается от рабочей (статорной) обмотки синхронной машины, преобразуется посредством полупроводниковых или механических выпрямителей и подается в цепь возбуждения синхронной машины.

 

60. Машины постоянного тока специального назначения

По схемам соединения их обмоток, а иногда и по конструкции они отличаются от нормальных машин. Большинство же машин постоянного тока, используемых для специальных целей, от нормальных машин не отличаются.

Рис. 5-69. К пояснению идеи униполярной машины дискового типа

а) Униполярные машины. Идея униполярной машины должна быть понятна из рассмотрения рис. 5-69. Можно себе представить, что изображенный здесь диск состоит из очень большого числа проводников в виде секторов S. Каждый из них при вращении все время будет находиться в поле одной и той же полярности; следовательно наведенная в нем э. д. с. все время будет направлена в одну сторону. При выбранных направлениях поля и вращения она всегда направлена от центра к периферии диска.

При вращении диска на смену одним проводникам будут приходить в соприкосновение со щетками другие проводники и мы будем получать постоянный ток.

По типу этой дисковой униполярной машины проф. Б. И. Угримовым (1906 т.) был спроектирован и построен униполярный генератор на 10000 а, 10 в при 10000 об/мин Однако такой генератор работал неудовлетворительно, так как не удалось преодолеть затруднения, связанные с выполнением надежных контактов щеток с диском на его периферии где скорость доходила до 170 м/сек. К его недостаткам надо также отнести необходимость применения специальных подшипников (например, гребенчатых), которые могли бы удовлетворительно работать при больших осевых усилиях. Последние обусловлены односторонним магнитным притяжением из-за неизбежного различия зазоров между полюсами и вращающимся диском.

Кроме указанной униполярной машины дискового типа, в СССР были построены униполярные машины цилиндрического типа. Одна из них системы инж. Б. В. Костина (1939 г.) показана на рис. 5-70. Здесь также большие затруднения создавались при выполнении надежных щеточных контактов. К тому же машина требовала большой затраты материалов и в этом отношении не имела преимущества по сравнению с коллекторными машинами.

После надлежащих усовершенствований, главным образом в отношении щеточных контактов и их охлаждения, униполярные машины цилиндрического типа могут найти себе применение там, где требуется постоянный ток в десятки тысяч ампер при низких напряжениях— порядка 6—10 в.

Униполярная машина цилиндрического типа системы инж. Б. В. Костина. - чугунный или стальной статор, имеющий форму цилиндра; - полюсы машины; - кольцевые выступы по боим статора; - катушки обмотки возбуждения; - кольцевые выступы на роторе; - цилиндрические части ротора, на которые накладываются щетки.