КОЛЛЕКТОРНЫЕ МАШИНЫ

2.1 Устройство коллекторных машин постоянного тока

В настоящее время электромашиностроительные заводы изготовляют электрические машины постоянного тока, предназначенные для работы в самых различных отраслях промышленности, поэтому отдельные узлы этих машин могут иметь разную конст­рукцию, но общая конструктивная схема машин одинакова. Неподвижная часть машины постоянного тока называется статором, вращающая часть - якорем.

Устройство коллекторной машины представлено на рисунке 5.

Рисунок 5 - Устройство коллекторной машины

Статор состоит из станины 8 и главных полюсов 6. Ста­нина 8 служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода, так как через нее замыкается магнитный поток машины. Станину изготовляют из стали — ма­териала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. В нижней части станин имеются лапы 11 для крепления машины к фундаментной плите. По окружности станины расположены отверстия для крепления сердечников главных полюсов 6. Обычно станину делают цельно из стальной трубы, либо сварной из листовой стали, за исключением машин с весьма большим наружным диаметром, у которых станину делают разъемной, что облегчает транспортировку и мон­таж машины.

ТРАНСФОМАТОРЫ

3.1 Назначение и области применения трансформаторов

Трансформаторомназывают статическое элек­тромагнитное устройство, имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством явления электро­магнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока.

В зависимости от назначения трансформаторы разделяют:

- силовые трансформаторы общего на­значения, применяются в линиях передачи и распределения электроэнергии, а также в различных электроуст­ройствах для получения требуемого напряжения (изме­няют значения переменного напряжения и тока, при этом число фаз, форма кривой напряжения (тока) и частота остаются неизменными);

- трансформаторы специального назначения характе­ризуются разнообразием рабочих свойств и конст­руктивного исполнения (печные и сварочные трансформаторы, трансформаторы для устройств автоматики (пик-трансформаторы, импульсные, умножители частоты и т.п.), испытательные и измерительные трансфор­маторы).

При изучении данного раздела будем иметь в виду силовые трансформаторы общего назначения.

3.2 Принцип действия трансформаторов

Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопро­вода (сердечника), выполненного из ферромагнитного материала (обычно листовая электротехническая сталь), и двух обмоток, рас­положенных на стержнях магнитопровода (рисунок 6). Одна из обмоток, которую называют первичной, присоединена к источнику переменного тока Г на напряжение . К другой обмотке, называемой вторичной, подключен потребитель .Первичная и вто­ричная обмотки трансформатора не имеют электрической связи друг с другом, и мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем. Магнитопровод, на котором располо­жены эти обмотки, служит для усиления индуктивной связи между обмотками.

Рисунок 6 – Электромагнитная схема трансформатора

Действие трансформатора основано на явлении электромаг­нитной индукции. При подключении первичной обмотки к источ­нику переменного тока в витках этой обмотки протекает перемен­ный ток , который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сце­пляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и индуци­рует в них ЭДС:

в первичной обмотке ЭДС самоиндукции , В:

(10)

во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции , В:

(11)

где и — число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

При подключении нагрузки к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС в цепи этой обмотки созда­ется ток , а на выводах вторичной обмотки устанавливается на­пряжение . В повышающих трансформаторах > , а в пони­жающих < .

Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более вы­соким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения(ВН); обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения, — обмоткой низшего напряжения (НН).

На рисунке 7показано изображение однофазного трансфор­матора на принципиальных электрических схемах.

Рисунок 7 – принципиальная схема трансформатора

Трансформаторы обладают свойством обратимости:один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повы­шающего и понижающего. Но обычно трансформатор имеет определенное назначение: либо он повышающий, либо — по­нижающий.

Классифицируют трансформаторы по нескольким признакам:

по назначению — силовые общего и специального на­значения, импульсные, для преобразования частоты и т. д.;

по виду охлаждения — с воздушным (сухие транс­форматоры) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждени­ем;

по числу трансформируемых фаз — однофазные и трехфазные;

по форме магнитопровода — стержневые, броневые, бронестержневые, тороидальные;

по числу обмоток на фазу - двухобмоточные, многообмоточные.

3.3 Устройство трансформаторов

Современный трансформатор состоит из различных конструк­тивных элементов: магнитопровода, обмоток, вводов, бака и др. Магнитопровод с насаженными на его стержни обмотками состав­ляет активную частьтрансформатора. Остальные элементы трансформатора называют неактивными(вспомогательными) час­тями.

a. Автотрансформаторы

Автотрансформатор — это такой вид трансформатора, в кото­ром помимо магнитной связи между обмотками имеется еще электрическая связь (рисунок 8).

Рисунок 8 – Электромагнитная схема однофазного понижающего автотрансформатора

Рассмотрим подробнее работу понижающего автотрансформа­тора. Обмотка одновременно является частью первичной об­мотки и вторичной обмоткой. В этой обмотке проходит ток . Для точки а запишем уравнение токов:

(12)

или

(13)

Проходная мощность автотрансформатора представляет собой всю передаваемую мощность из первичной цепи во вторичную:

(14)

Автотрансформатор по сравнению с трансформатором равной мощ­ности обладает следующими преимущества­ми:

- меньшим расходом активных материалов (медь и электротехническая сталь),

- более высоким КПД,

- меньшими размерами и стоимостью.

У автотрансформаторов большой мощности КПД достигает 99,7%.

Силовые автотрансформаторы широко применяют в линиях пере­дачи и распределения электроэнер­гии для связи сетей смежных на­пряжений, например 110 и 220, 220 и 500 кВ и др. Такие автотрансфор­маторы обычно выполняют на большие мощности (до 500 МВА и выше). Обмотки трехфазных авто­трансформаторов обычно соединя­ют в звезду.

Автотрансформаторы приме­няют в электроприводе переменного тока для уменьшения пусковых токов двигателей значительной мощности, а также для регулировки режимов работы электрометаллургических печей. Автотрансформаторы малой мощности применяют в устройствах радио, связи и автоматики.

Широко распространены автотрансформаторы с перемен­ным коэффициентом трансформации. В этом случае автотрансформатор снабжают устройством, позволяющим регулировать ве­тчину вторичного напряжения путем изменения числа витков. Осуществляется это либо переключателем, либо с помощью скользящего контакта (щетки), перемещаемого непо­средственно по зачищенным от изоляции витками обмотки. Такие автотрансформаторы, называемые регуляторами напряжения, могут быть однофазными и трехфазными.

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

5.1 Принцип действия синхронного генератора

Для изучения принципа действия синхронного генератора воспользуемся упрощенной моделью синхронной машины (рисунок 9).

Рисунок 9 - Упрощенная модель синхронной машины

Неподвижная часть машины, называемая статором,представляет собой полый шихтованный цилиндр 1 (сердечник статора) с двумя продольными пазами на внутренней поверх­ности. В этих пазах расположены стороны витка 2, являющегося обмоткой статора.Во внутренней полости сердечника статора расположена вращаю­щаяся часть машины — ротор,представляющий собой постоянный магнит 4 с полюсами N и S, за­крепленный на валу 3. Вал ротора посредством ре­менной передачи механически связан с приводным двигателем (на рисунке не показан). В реальном синхронном генераторе в качестве приводного дви­гателя может быть использован двигатель внутрен­него сгорания либо турбина. Под действием вра­щающего момента приводного двигателя ротор генератора вращается с частотой против часовой стрелки. При этом в обмотке статора в соответствии с явлением электромагнитной индукции наводится ЭДС, направление которой показано на рисунке стрелками. Так как обмотка статора замкнута на на­грузку 7, то в цепи этой обмотки появится ток I.

В процессе вращения ротора магнитное поле по­стоянного магнита также вращается с частотой , а поэтому каждый из проводников обмотки статора попеременно оказывается то в зоне северного (N) магнитного полюса, то в зоне южного (S) магнитно­го полюса. При этом каждая смена полюсов сопро­вождается изменением направления ЭДС в обмотке статора. Таким образом, в обмотке статора синхрон­ного генератора наводится переменнаяЭДС, а по­этому ток I в этой обмотке и в нагрузке Zтакже пе­ременный.

Частота ЭДС синхронного генератора (Гц) прямо пропор­циональна частоте вращения ротора (об/мин), которую принято называть синхронной частотой вращения:

(15)

Где р — число пар полюсов; в рассматриваемом генераторе

два полюса, т. е. р = 1.

Для получения промышленной частоты ЭДС (50 Гц) ротор та­кого генератора необходимо вращать с частотой об/мин.

В энергетических установках по производству электроэнергии переменного тока в качестве первичных (приводных) двигателей синхронных генераторов применяют в основном три вида двигателей: паровые турбины, гидравлические турбины либо двигатели внутреннего сгорания (дизели). Применение любого из перечисленных двигателей принципиально влияет на конструкцию синхронного генератора.

Если приводным двигателем является гидравлическая турбина, то синхронный генератор называют гидрогенератор. Гидравлическая турбина обычно развивает небольшую частоту вращения (60—500 об/мин), поэтому для получения переменного тока промышленной частоты (50 Гц) в гидрогенераторе применяют ротор с большим числом полюсов.

Паровая турбинаработает при большой частоте вращения, поэтому приводимый ею во вращение генератор, называемый турбогенератором, является быстроходной синхронной машиной. Роторы этих генераторов выполняют либо двухпо­люсными ( об/мин), либо четырехполюсными ( об/мин).

Включение генераторов на параллельную работу

На электрических станциях обычно устанавли­вают несколько синхронных генераторов, включае­мых параллельно для совместной работы (рисунок 10). Наличие нескольких генераторов вместо одного суммарной мощности дает преимущества, объяс­няемые теми же соображениями, которые были изложены применительно к параллельной работе трансформаторов.

Рисунок 10 - Включение синхронных генераторов на параллельную работу

При включении синхронного генератора в сеть на параллельную работу необходимо соблюдать следующие условия: ЭДС генератора в момент подключения его к сети должна быть равна и проти­воположна по фазе напряжению сети ( ), частота ЭДС генератора должна быть равна часто­те переменного напряжения в сети ; порядок следо­вания фаз на выводах генератора должен быть таким же, что и на зажимах сети.

Приведение генератора в состояние, удовлетво­ряющее всем указанным условиям, называют син­хронизацией.Несоблюдение любого из условий син­хронизации приводит к появлению в обмотке статора больших уравнительных токов, чрезмерное значение которых может явиться причиной аварии.

Включить генератор в сеть с параллельно рабо­тающими генераторами можно или способом точной синхронизации, или способом самосинхронизации.

Синхронные компенсаторы применяют также для стабилиза­ции

напряжения в сети при передаче энергии по линиям большой протяженности.

При больших индуктивных нагрузках напряжение в конце линии (у потребителей) оказывается намного меньше, чем в начале; при малых нагрузках, наоборот, под влиянием емкост­ных сопротивлений линии напряжение в конце линии может даже повышаться по сравнению с напряжением в начале. Если же в конце линии (у потребителей) включить СК, работающий при больших нагрузках с перевозбуждением и при малых нагрузках с недовозбуждением, то это позволит поддерживать напряжение в конце линии практически неизменным.

Рисунок 11 – Применение синхронного компенсатора для повышения коэффициента мощности сети

Синхронные компенсаторы — это электрические машины большой мощности: от 10 до 160 тыс. кВА. Выполняют их обыч­но с горизонтальным расположением вала на напряжение от 6,6 до 16 кВ, частотой 50 Гц.

С полным основанием можно считать, что сегодня технический и культурный уровень развития государства определяется количеством электроэнергии, вырабатываемой на душу населения.

Почти вся электрическая энергия (на долю химических источников приходится незначительная часть) вырабатывается электрическими ма­шинами. Но электрические машины могут работать не только в генера­торном режиме, но и в двигательном, преобразуя электрическую энергию в механическую. Обладая высокими энергетическими показателями и меньшими, по сравнению с другими преобразователями энергии, расхо­дами материалов на единицу мощности, экологически чистые электроме­ханические преобразователи имеют в жизни человеческого общества ог­ромное значение.

Особенностью развития электромашиностроения в настоящий пери­од является то, что дальнейшее наращивание выпуска электрических ма­шин происходит с учетом жестких требований экономии материалов, электроэнергии и трудовых ресурсов. Создание более экономичных, ме­нее металлоемких и более технологичных электрических машин является первостепенной задачей.

Основные понятия и определения:

Системой ЭС называют совокупность устройств для производства, передачи и распределения эл. энергии.

Системой ЭС предприятий называют системы для обеспечения работы приемников эл, энергии (освещение, двигатели механизмов, эл. печи, сварка, электролиз и т.д.)

Приемник эл, энергии – устройство, в котором эл. энергия используется в производственных или бытовых целях.

Качество эл. энергии определяется показателями:

1. отклонение частоты от номинала

2. отклонение напряжения от номинала

3. размахом колебания частоты

4. размахом изменения напряжения

5. коэффициентом не симметрии

6. не синусоидальностью напряжения

Таким образом понижение качества эл. энергии приводит к возникновению массового брака или к авариям.

При разработке системы ЭС решаются задачи:

1. Выбор рационального числа ступеней трансформации напряжения

2. Выбор рациональных напряжений

3. Выбор рационального размещения подстанции

4. Выбор рационального числа и мощности трансформатора

5. Выбор рационального сечения проводов и жил кабелей

6. Выбор рациональных средств компенсации реактивной мощности