Принципы действия электрической машины постоянного тока

Уменьшение э.д.с. якоря  при положении щеток на геометрической нейтрали также вызвано смещением физической нейтрали, так как при этом и параллельные ветви будут входить проводники с обратными э.д.с. (см. рис. 15,в, где крестами и черточками внутри якоря показаны направления э.д.с., наведенных в проводниках).

В машинах мощностью от 0,3 кВт и выше обычно применяются дополнительные полюсы. Они помещаются между главными полюсами (рис. 1), оси их совпадают с геометрическими нейтралями машины. Их обмотка соединяется последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы ее н.с. действовала против н.с. обмотки якоря. Действие н.с. дополнительных полюсов ограничивается сравнительно неширокой зоной поверхности якоря, где находятся проводники замыкаемых щетками секций. Щетки при наличии дополнительных полюсов должны стоять на геометрической нейтрали.

В небольших машинах, не имеющих дополнительных полюсов, щетки нужно сдвинуть вслед за физической нейтралью: в генераторе — по вращению, в двигателе —  против вращения.

В этом случае для определения  влияния реакции якоря его  н.с. F_a, действующую по линии щеток, заменяют двумя н.с. F_q и F_d, действующими по продольной и поперечной осям машины и в сумме равным F_a (рис. 17,а и б; на рис. 17,а стрелки показывают направления н.с.).

Рис. 17. Разложение н.с. якоря F_а на поперечную F_q и продольную F_d н.с. 

Поперечная н.с. F_q реакции якоря практически действует так же, как н.с. якоря F_a при положении щеток на геометрической нейтрали, т. е. искажает поле под главными полюсами и несколько уменьшает полезный поток Ф (рис. 16).

Продольная н.с. F_d реакции якоря действует против н.с. обмотки возбуждения и, следовательно, уменьшает полезный поток Ф. При сдвиге щеток в обратную сторону от геометрической нейтрали мы получили бы продольную н. с. F_d, действующую согласно с н.с. обмотки возбуждения и, следовательно, увеличивающую полезный поток Ф. Однако такой сдвиг для нормальных машин недопустим из-за возникающего при этом искрения под щетками.

Поперечная н.с. якоря, как мы видели искажает поле под  главными полюсами и вместе с этим уменьшает полезный поток Ф, которым определяется э.д.с. якоря Е_а при данной скорости вращения. Мы можем пренебречь действием н.с. якоря вне полюсной дуги и считать, что поле под полюсами искажается вследствие действия н.с. якоря, равной на полюс b_dА; здесь b_d — длина полюсной дуги (обычно b_d » 0,68t [см]), А/см;

 ,           (10)

есть линейная нагрузка, условно показывающая нагрузку в  амперах, приходящуюся на 1 см длины  окружности якоря (I_а/2а — ток в проводнике обмотки).

Рассматриваемая н.с. b_dА действует по обходу, включающему воздушные зазоры, зубцы якоря, пути по ярму якоря и поперек полюса. Последними двумя магнитными сопротивлениями можно пренебречь и считать, что поперечная  н.с. якоря изменяет лишь магнитные напряжения воздушных зазоров и зубцов. Поэтому используется "переходная" характеристика (рис. 18), представляющая собой зависимость

B_d = f [0,5(F_d + F_z)],          (11)

где B_d = Ф/ b_d l_d — индукция в воздушном зазоре (расчетная длина по оси , где l_m — длина полюса; l — длина якоря за вычетом радиальных вентиляционных каналов).

Под каждой половиной  полюса действует н.с. якоря 0,5b_dA. Отложим 0,5b_dA вправо и влево от н.с., соответствующей индукции B_dE. Последняя определяется по э.д.с. якоря

.          (12)

Здесь обозначают: U — напряжение на зажимах машины, I_a — ток якоря;Sr_x — сумму сопротивлений внутренней цепи якоря; 2DU_щ —падение напряжения в переходных контактах щеток, которое практически можно принять постоянным при изменении тока якоря в пределах 0,2—1,5 I_н и приближенно равным 2 В при угольных и графитных щетках. В формуле (12) нужно взять знак плюс для генератора, знак минус для двигателя.

Из рис  видим, что  поток, который при холостом ходе можно принять пропорциональным площади прямоугольника ACHF, при нагрузке уменьшается, так как теперь он будет определяться площадью криволинейного четырехугольника ABGF. Уменьшение потока под одной половиной полюса будет больше, чем увеличение потока под другой половиной полюса. При этом мы принимаем, что при холостом ходе машины индукция в воздушном зазоре по длине дуги якоря b_d (практически равной длине дуги полюсного наконечника) распределена равномерно, а при нагрузке она распределена соответственно кривой BEG.

Рис. 18. Переходная характеристика (к определению размагничивающей н.с. F_qd обусловленной поперечной реакцией якоря). 

Для того чтобы поток  при нагрузке остался неизменным, необходимо н.с. обмотки возбуждения  увеличить на некоторую величину F_qd, которая находится следующим образом.

Передвинем отрезок   вправо настолько, чтобы заштрихованные площади были равны между собой. При этом мы получаем площадь криволинейного четырехугольника A₁B₁G₁F₁ равной площади прямоугольника ACHF. Найденная указанным способом F_qd и представляет собою ту н.с., которую должна добавочно создать обмотка возбуждения, чтобы скомпенсировать размагничивающее действие поперечной н.с. якоря.

Значение нс. F_qd будет, очевидно, зависеть от насыщения машины, т. е. от положения точки Е на переходной характеристике, и от тока якоря I_а. Обе эти зависимости имеют сложный характер и не могут быть точно выражены аналитически. Если принять, что машина (как это обычно бывает) работает при насыщении, соответствующем точке E на переходной характеристике, то можно допустить, что при небольшом отклонении от этой точки, вызванном изменением Е_а из-за изменения внутреннего падения напряжения, н.с F_qd зависит только от I_a. Как показывают опыт и расчеты, для машин, у которых поперечная реакция якоря резко проявляется, зависимость F_qd от I_а может быть приближенно представлена следующим уравнением:

,          (13)

где k — постоянный коэффициент; a » 1,5 ÷ 2 для тока якоря I_а = (0,6 ÷ 1,5) I_н.

Величина F_qd будет относительно тем больше, чем меньше воздушный зазор машины Действительно, при уменьшении воздушного зазора будет уменьшаться F_d и, следовательно, будет уменьшаться масштаб m_а (A/мм) для н.с. на оси абсцисс рис 18. Тогда отрезки и , равные 0,5b_dA/m_a [мм], будут увеличиваться, что приведет к возрастанию F_qd.

Для небольших машин (до 30 ÷ 40 кВт) иногда при I_а = I_н отрезок  получается несколько больше отрезка . В этом случае под одним краем полюсного наконечника будет иметь место "опрокидывание" поля, т. е. изменение его направления. Для машин средней и большой мощности (примерно свыше 50 кВт) воздушный зазор обычно выбирается таким образом, чтобы при номинальной нагрузке не было опрокидывания поля под одним из краев полюсного наконечника (  < ).

При отсутствии дополнительных полюсов, когда для улучшения  коммутации  приходится щетки смешать  с геометрической нейтрали, необходимо учесть размагничивающую продольную н.с. якоря F_d, которая равна (на один полюс)

F_d = cA,          (14)

где с (см) — сдвиг щеток относительно геометрической нейтрали (рис 17,а). Для малых машин (< 0,5 кВт) можно принять:

c » 0,4 (t-b_d).

Таким образом, размагничивающая реакция якоря (на пару полюсов)

F_р.я. = 2 (F_qd + F_d)          (15)

и н.с. обмотки возбуждения  при нагрузке

F_в = F_E + F_р.я.          (16)

где F_E — н.с , соответствующая э.д.с. Е_а при нагрузке (определяется по характеристике холостого хода)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1  Регулирование  активной мощности СГ.

        

        После включения генератора в  сеть его напряжение U равно напряжению сети U . Относительно внешней нагрузки напряжения U и U совпадают по фазе, а по контуру генератор – сеть находится в противофазе, т. е. U= -U (рис 1). При точном  выполнение указанных трех условий, необходимых для синхронизации генератора, его ток I  после подключения машины к сети равняется нулю, т. е. U = E.

          Рассмотрим, какими способами можно  регулировать ток I  при работе генератора параллельно с сетью на примере неявнополюсного генератора. Ток, проходящий по обмотке якоря неявнополюсного генератора, можно определить из уравнения (1), пренебрегая падением напряжения в малом активном сопротивлении фазы якоря,

 

 

           Поскольку U = U =const, то ток I  можно изменять только двумя способами – изменяя ЭДС E  по величине или по фазе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.Регулирование активной мощности:

а – векторная диаграмма  синхронного генератора при работе без нагрузки;

б и в – то же, при ускорении и торможении ротора соответственно.

          Если к валу генератора приложить  внешний момент, превышающий момент, необходимый для компенсации  магнитных потерь мощности в  стали и механических потерь, то ротор приобретает ускорение  (т. е. ω > ω ), вследствие чего вектор E  в комплексной плоскости начнет соответственно перемещаться быстрее вектора U  и опередит его на некоторый угол θ в направлении вращения векторов (см. рис.1б ). При этом в контуре каждой фазы возникает некоторая ЭДС   Е = Е + U ,приводящая к появлению тока I . С увеличением приложенного внешнего момента будут увеличиваться угол  θ , ∆Е , и I . Вектор тока I  отстает от вектора ∆Е  на 90 , поскольку его величина и направление определяются индуктивным сопротивлением X  . Угол между векторами Е и I (угол ψ) будет небольшим, и генератор начнет отдавать в сеть активную мощность P = mЕ I cos ψ. При этом на валу генератора возникнет электромагнитный тормозной момент, который будет препятствовать дальнейшему ускорению вращения ротора, вследствие чего частота вращения ротора вернется к синхронной (т. е. ω  = ω ). Чем больше внешний момент, приложенный к валу генератора, тем больше угол θ ,а следовательно, ток и мощность, отдаваемые генератором в сеть.

        Если произойдет торможение ротора, то вектор Е  будет отставать от вектора напряжения U  на угол θ (рис. 1в). При этом ЭДС ∆Е изменит свою фазу и ток I , вектор которого отстает от вектора ∆Е  на 90 ,будет сдвинут относительно ЭДС на угол ψ, близкий к 180 . Поскольку угол ψ > 90 (cos ψ <0), активная мощность генератора станет отрицательной. Следовательно, в рассматриваемом режиме активная мощность P забирается из сети  и машина работает двигателем, создавая электромагнитный вращающий момент, который уравновешивает внешний тормозной момент;  частота вращения ротора при этом снова остается неизменной. Причем с увеличением торможения ротора увеличивается угол θ, ∆Е  и I  . Отсюда следует, что синхронная машина, работая параллельно с сетью бесконечно большой мощности, автоматически стремиться  поддержать синхронную частоту своего вращения.

        Таким образом, для увеличения  нагрузки генератора необходимо  увеличить приложенный к его  валу внешний момент (т.е. вращающий  момент первичного двигателя), а  для уменьшения нагрузки –  уменьшать этот момент. При изменении направления внешнего момента (если вал ротора не вращать, а тормозить) машина автоматически переходит из генераторного режима  в двигательный.

 

 

2.2  Угловые  характеристики активной мощности  синхронного генератора.

 

Рассмотрим схему рис. 1.  Предположим, что у генератора отсутствует система регулирования напряжения. Построим векторную диаграмму рассматриваемой системы, выделив в ней напряжение на шинах генератора U_G (рис.2.) Оно зависит от падения напряжения во внешнем сопротивлении системы:

U_G= U+Ix_вн,

где x_вн – внешнее сопротивление, определяемое как сумма сопротивлений трансформаторов и линий (x_вн= x_т1+x_L1//x_L2+x_т2).

Вектор напряжения на шинах генератора делит вектор падения напряжения Ix_d∑ на две части, пропорциональные индуктивным сопротивлением x_d и x_вн. Увеличиваем передаваемую активную мощность на ∆Р и тем самым угол δ на ∆δ. Это вызовет изменение реактивной мощности, передаваемой в систему. Для получения получения зависимости реактивной мощности от угла  δ запишем выражение, следующее из векторной диаграммы, показанной на рис.2,в:

U+I_px_d∑=Ecos δ.

Умножая левую и правую части этого выражения на U, получим U²+Qx_d∑=EUcosδ.  Выражая отсюда Q, запишем зависимость реактивной мощности, выдаваемой генератором, от угла δ

Этому выражению соответствует  кривая, изображенная на рис.2,б.

Увеличение угла δ (рис.2,а) вызовет уменьшение реактивной мощности, а следовательно, поворот вектора тока I_C в сторону уменьшения угла φ. Новое положение вектора тока показано на диаграмме пунктирной линией (предполагая, что мощность Q изменила знак и ток стал опережать напряжение U). Этому току соответствует новое положение вектора ЭДС Е, показанное также пунктирной линией. Новое значение напряжения на шинах генератора найдем, поделив падение напряжения в сопротивлении x_d∑ в той же пропорции, как и в предыдущем случае.

Из диаграммы следует, что увеличение угла δ вызывает уменьшение напряжения на шинах генератора.

Предположим, что генератор снабжен автоматическим регулятором возбуждения, который контролирует напряжение U_G. Значение же ЭДС Е до тех пор, пока не восстановит прежнее значение напряжения.

Рассматривая установившиеся режимы работы генератора с АРВ при  различных значениях угла δ, часто исходят из постоянства напряжения U_G. Значение же ЭДС генератора при этом будет возрастать с увеличением угла δ.  На рис.2,в. показано семейство характеристик Р=f(δ), построенных для различных значений ЭДС. Если принять за исходную точку нормального режима точку а , то при увеличении мощности Р₀ (сопровождающемся увеличением угла δ) точки новых установившихся режимов будут определяться переходом с одной характеристики на другую в соответствии с секторной диаграммой (рис.2,а). Соединив м/у собой точки установившихся режимов при разных уровнях возбуждения, получим внешнюю характеристику генератора. Она возрастает даже в области углов δ>90⁰, и ее максимум достигается при угле δ_G=90⁰, где δ_G – угол вектора напряжения на шинах генератора U_G. Но возможность работы в области углов больше 90⁰ зависит от типа регулятора возбуждения.