Электрические машины конспект лекций

При коротком замыкании синхронного генератора возникает также знакопеременный момент на валу ротора, который образуется в результате взаимодействия неизменного по направлению магнитного поля, создаваемого апериодической составляющей тока якоря с МДС возбуждения. В наиболее неблагоприятных случаях мгновенные значения этого момента достигают 10-кратной величины по сравнению с номинальным значением, что необходимо учитывать при механических расче- тах деталей машины и надежности ее крепления к фундаменту.

Гашение магнитного поля. При коротких замыканиях во внешней цепи срабатывает релейная защита, которая отключает синхронный генератор от присоединенной к нему нагрузки или от сети. Однако при внутренних коротких замыканиях в генераторе отключение его от внешней цепи не ликвидирует режим короткого замыкания, так как в обмотке якоря индуктируется ЭДС и по ней продолжает протекать большой ток. Чтобы устранить режим короткого замыкания в этом случае, необходимо резко уменьшить магнитный поток машины, для чего следует прекратить протекание тока по ее обмотке возбуждения. Операции, необходимые для прекращения протекания тока по обмотке возбуждения синхронной машины при аварийных режимах, называют

гашением магнитного поля.

Гашение поля мало сказывается на характере переходного процесса нарастания тока якоря при коротких замыканиях, так как этот ток достигает максимального значения Ióä примерно че- рез полпериода (при частоте 50 Гц — через 0,01 с), а за это время защита не успевает сработать. Оно лишь уменьшает время, в те- чение которого по обмотке якоря проходит ток короткого замыкания и, следовательно, снижается вероятность повреждения машины этим током.

Резкие изменения нагрузки. При резких изменениях нагрузки синхронной машины, работающей параллельно с сетью, возникают колебания ротора около установившегося значения уг - ла , называемые качаниями. Допустим, что машина работает при некоторой нагрузке и развивает электромагнитный момент M 1 M âí1 , соответствующий углу 1 (рис. 19.3). Если резко увеличить внешний момент, приложенный к валу ротора, до величины Mâí2, при которой возрастает отдаваемая машиной элек-

221

трическая (в генераторе) или механическая (в двигателе) мощность, то угол будет постепенно увеличиваться до величины 2, соответствующей новому значению электромагнитного момента M 2 M âí 2 . Однако из-за инерции ротора угол , увеличиваясь, достигает значения 3 2 , а затем под действием синхронизирующего момента начинает уменьшаться до величины4 2 . В результате возникают колебания угла вокруг установившегося значения 2 , которые сопровождаются колебаниями частоты вращения ротора (качаниями). Опасность таких качаний заключается в том, что из-за инерции ротора уголможет существенно превзойти 90°, и машина выпадет из синхронизма.

Частота собственных колебаний синхронных машин невелика — 0,5–2,0 Гц, что объясняется большим моментом инерции ротора. Изменения угла сопровождаются изменениями мощно-

222

сти машины и тока якоря; на наличие колебаний в машине указывают колебания стрелок приборов (амперметра и вольтметра), включенных в цепь якоря. Собственные колебания в синхронных машинах наблюдаются не только при резких изменениях нагрузки, но и в стационарных режимах, так как у машин, работающих параллельно с сетью, всегда имеются небольшие возмущения. Особенно часто такие колебания возникают при холостом ходе, когда на валу нет внешнего момента. Уменьшения амплитуды качаний и ускорения их затухания достигают применением на роторе короткозамкнутой обмотки, называемой демпферной, или успокоительной. Успокоительное действие демпферной обмотки при качаниях объясняется тем, что в ее стержнях при изменении частоты вращения ротора индуктируется ЭДС, по ним проходит ток и возникают потери энергии. Действие этой обмотки подобно действию механического демпфера, потери на трение в котором успокаивают колебания механизма (например, сельсина).

Колебания ротора синхронной машины могут быть вынужденными, если на него действует периодически изменяющийся внешний момент. Такие колебания образуются в синхронных генераторах, приводимых во вращение от поршневых машин, например от двигателей внутреннего сгорания, а также в синхронных двигателях, служащих для привода поршневых компрессоров. Поэтому для уменьшения неравномерности вращающего момента двигатели внутреннего сгорания, предназначенные для вращения синхронных генераторов, и поршневые компрессоры часто снабжают маховиками. Сами же генераторы и электродвигатели должны в этом случае иметь достаточно мощную демпферную обмотку.

ВОПРОСЫ

19.1.1.Какова причина собственных колебаний в синхронном генераторе?

19.1.2.Почему колебания ротора имеют затухающий ха-

рактер?

19.1.3.Каково назначение и конструкция успокоительной

обмотки?

223

Лекция 20

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

20.1. Общие замечания

Машины постоянного тока хронологически являются первым типом электрических машин, нашедших широкое применение в промышленности. С появлением трехфазного тока и трехфазных машин переменного тока (конец XIX века) машины постоянного тока используются в ограниченном числе случаев (двигатели для привода рабочих машин, требующих длительного, глубокого и плавного регулирования скорости, генераторы для питания этих приводов, электролизных установок и т. д.).

20.2. Устройство машины постоянного тока

Машина постоянного тока (рис. 20.1) 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. На статоре расположены главные полюсы с катушками обмотки возбуждения и добавоч- ные полюсы (на рис. 20.1 не показаны) с соответствующими катушками. Главные полюсы (рис. 20.2) выполняют шихтованными (из стальных штампованных листов), а добавочные — массивными или также шихтованными. Обязательно шихтованными должны быть только наконечники главных полюсов, так как

227

при вращении зубчатого якоря из-за пульсации магнитного потока в воздушном зазоре в них возникают вихревые токи и потери мощности. Однако из технологических соображений чаще всего выполняют шихтованным весь полюс.

Катушки главных и добавочных полюсов изготовляют из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения (рис. 20.3).

Катушки машин малой мощности выполняют из тонкой проволоки; последовательные катушки обмоток возбуждения и добавочных полюсов — из полосовой меди.

Сердечник якоря, также как в синхронной машине, собирают из изолированных листов электротехнической стали (рис. 20.4). Обмотку якоря изготавливают из провода круглого или прямоугольного сечения; обычно она состоит из отдельных якорных катушек (pис. 20.5), которые обматывают изоляционными лентами и укладывают в пазы сердечника якоря.

Обмотку выполняют двухслойной; в каждом пазу укладывают две стороны различных якорных катушек, одну поверх другой. Каждая якорная катушка включает в себя несколько секций,

228

концы которых припаивают к соответствующим коллекторным пластинам; секции могут быть одно- и многовитковыми.

Коллектор представляет собой цилиндр (рис. 20.6), собранный из клинообразных пластин твердотянутой меди; между пластинами располагают изоляционные прокладки из миканита.

В машинах малой и средней мощности широко приме-

лектора скользят щетки, установленные в щеткодержателях. Они

предназначены для соединения коллектора с внешней цепью и прижимаются к поверхности коллектора пружинами (рис. 20.7, à).

Рис. 20.4. Сердечник якоря: à — устройство; á — сборка: 1 è 3 — нажимные шайбы (обмоткодержатели); 2 — выточки для наложения бандажа; 4 — место для запрессовки коллектора, 5 — изоляционная пленка; 6 — стальной лист

229

Рис. 20.5. Якорные катушки: à — устройство; á — расположение в пазах: 1 — якорные катушки; 2 — сердечник якоря; 3 — коллектор; 4 è 5 — верхняя и нижняя стороны якорной катушки

В зависимости от состава, способа изготовления и физиче- ских свойств все щетки (рис. 20.8) делят на шесть основных групп: угольно-графитовые, графитовые, электрографитированные, медно-графитовые, бронзографитовые и серебряно-графи- товые.

Рис. 20.6. Устройство коллектора машины постоянного тока с металлическим и пластмассовым корпусом: 1 — корпус; 2 — нажимной фланец; 3 — изоляционные манжеты; 4 — коллекторные пластины; 5 — изоляционные прокладки; 6 — пластмасса; 7 — втулка

230