Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974

Постоянная времени составляет 0,1—0,25 сек. Для уменьшения замедляю­ щего действия вихревых токов статор изготовляется из листового материала. Форма листа статора приведена на рис. 9-17.

Устойчивость работы усилителя определяется характером электромагнит­ ных связей между обмотками усилителя, имеющими общую ось, например между компенсационной обмоткой, обмоткой якоря по продольной оси и обмоткой воз­ буждения. В коллекторных машинах с подобного рода магнитносвязанными цепями тока могут возникать так называемые свободные электрические колебашш, которые налагаются на основной рабочий режим и нарушают работу усили­ теля. Особенно важное значение имеет степень компенсации реакции якоря по продольной осп. Для регулирования степени компенсации ставится реостат 5, шунтирующий компенсационную обмотку. При недокомпенсацип колебательный процесс затухает, в случае же перекомненсацни возникает устойчивый колеба­ тельный процесс.

Чтобы избежать этого, электромашинный усилитель снабжается стабили­ зирующей обмоткой 6, которая включается через конденсатор пли трансфор­ матор 7 на зажимы двигателя. В стабилизирующую обмотку ток поступает только

9-6. Двигатели со стабилизированной скоростью вращения

Постоянство скорости вращения якоря двигателя малой мощности при изменении нагрузки и напряжения сети достигается установкой контактного центробежного регулятора, который периодически (в зависимости от скорости вращения) вводит п выводит добавочное сопротивление в цепь возбуждения или в цепь якоря двигателя.

Центробежный регулятор, включаемый в цепь возбуждения (рпс. 9-18), собран на диске 1, закрепленном на валу двигателя, и состоит из плоской пру-

жины 2, контактов S и 4 и контактных колец 5 и 6 с установленными на них щетками. Контактное кольцо 5 соединено с пружиной 2, а кольцо 6 — с кон­ тактами 3 и 4.

При неподвижном якоре пружина прижата к пусковому контакту 3. Таким образом, добавочное сопротивленію гв-р выведено н пуск двигателя происходит при большом магнитном потоке. При вращении якоря пружина под действием центробежной силы изгибается, отходит от контакта 3, и сопротивление гв,р включается в цепь возбуждения; это приводит к уменьшению магнитного потока II к увеличению тока в цепи якоря. Вращающий момент двигателя также увели­ чивается и вызывает дополнительное ускорение якоря. При установленной

157

скорости пп пружина соприкасается с контактом 4 и сопротивление гв.р выво­ дится. Так как изменение магнитного потока и тока в цепи якоря происходит не мгновенно, то скорость вращения якоря продолжает увеличиваться, а затем

держивается регулятором за счет изменения тр. Наименьшая нагрузка, при

ния при наличии регулятора показана линией 2 (рис. 9-20); линия 1 соответст­ вует характеристике скорости вращения при сопротивлении цепи возбуждения r B, II линия 3 — при сопротивлении цепи возбуждения гв + гвр.

Вдвигателях с постоянными магнитами центробежный регулятор включается

вцепь якоря.

9-7. Управляемые двигатели

От двигателей, применяемых в различных системах автоматического регу­ лирования, требуется преобразование электрического сигнала (напряжения управления) в пропорциональный величине сигнала вращающий момент двига­ теля (при постоянной скорости вращения) или в пропорциональную величине

магнитном возбуждении ток в обмотке возбуждения поддерживается неизменным. Пусковой ток по формуле (8-11) при неподвижном якоре, сопротивлении

г2 цепи якоря и напряжении Ua на цепи якоря

^2П = UJ r j,

соответствующий ему электромагнитный пусковой момент по формуле (8-12)

158

В этом случае М0 определяется силами трения менаду соприкасающимися неподвижными и подвижными частями двигателя и гистерезисом в сердечнике якоря.

При постоянстве магнитного потока Ф8, момента М0 и сопротивления г2 цепи якоря зависимость между пусковым моментом М2П и напряжением Ua на цепи якоря выражается прямой линией (рис. 9-21).

При больших значениях тока І 2 размагничивающее действие реакции якоря и нагревание обмоток вызывают небольшое отклонение характеристики М2П = = / (Uа) от прямой линии в сторону уменьшения М 2П.

Иногда характеристики строятся от относительной величины напряже­ ния —• коэффициента сигнала аа = Ua/Uatl, причем номинальное напряжение Uан соответствует поминальному пусковому моменту М2ПИ, т. е. пусковому моменту при номинальном токе в цепи якоря и определенному сопротивлению цепи якоря.

Наименьшее напряжение Ua0, вызывающее вращение якоря при отсутствии нагрузки на валу двигателя, называется напряжением трогаыия

жается прямой линией 1 на рис. 9-22. Точки пересечения этой характеристики

159

Для различных значений напряжения Ua механические характеристики располагаются параллельно. Линией 2 показана механическая характеристика для Uа = Uaii/2. Жесткость механических характеристик

dM __ ЬмЬЩ dn г2

по зависит от напряжения Ua.

Из уравнения механической характеристики может быть получено урав­ нение характеристики скорости вращения

При якорном управлешш регулировочная характеристика п = / (Ua) выражается прямой лшшей (рис. 9-23). При М2 = 0 характеристика 1 поресе-

кает ось абсцисс в точке Uа = Uan, при больших значениях нагрузочного момента регулировочные характеристики перемещаются вправо и параллельны характе­ ристике 1.

теристики пускового момента Л/2П = / (Ua) являются положительными особен­ ностями якорного управлешш. Вращающий момент двигателя при отсутствии управляющего сигнала равен нулю, что исключает вращение якоря при нагру­ зочном моменте равном нулю. Мощность управления Ра = UaI 2 равна почти полной мощности, потребляемой двигателем н это приводит к необходимости увеличивать мощность устройства, подающего сигнал па об'мотку якоря.

Применение двигателей с постоянными магнитами позволяет обойтись без источника энергии для возбуждения, их к. п. д. выше, чем двигателей с электро­ магнитным возбуждением и нагревание обмоток меньше.

Б. Полюсное управление. В этом случае цепь якоря (иногда с включенным последовательно балластным сопротивлением) включена в сеть с неизменным напряжением Ua, а напряженно управления Uв подается на обмотку возбуж­

дения.

В соответствии с уравнением (9-1) зависимость вращающего момента Мгп от напряжения управления UB имеет такой же вид, как магнитная характе­ ристика двигателя (рис. 2-7). При отсутствии остаточного магнитного потока характеристика 1 пускового момента пересекает ось абсцисс при напряжении трогания UB0 (рис. 9-24). При наличии остаточного потока (линия 2) возможно вращение якоря и после снятия управляющего сигнала.

160

Механические характеристики описываются ураппеписм (9-2) и при полюс­ ном управлении получаются линейными, однако нх жесткость не остается по­ стоянной, так как при увеличении напряжения UD.пусковой момент увеличи­ вается, а скорость вращения холостого хода уменьшается. При уменьшении UB и малом нагрузочном моменте на валу двигателя скорость вращения якоря может в несколько раз превысить номинальную и вызвать разрушение якоря.

Регулировочные характеристики по уравнению (9-3) при полюсном управ­ лении нелинейны и при малом нагрузочном моменте неоднозначны, т. о. одна II та же скорость вращения получается при двух значениях напряжения UB (рис. 9-25). Это является недостатком полюсного управления и оно применяется только при больших нагрузочных моментах, когда устраняются неоднознач­ ность регулировочных характеристик и возможность значительного увеличе­ ния скорости вращения. Достоинством является малая мощность управления.

Для уменьшения момента инерции применяется немагнитный полый якорь. Постоянный магнит размещается внутри якоря и крепится к подшипниковому щиту. Обмотка якоря укладывается на цилиндрический каркас из изоляцион­ ного материала и заливается эпоксидной смолой, концы секций соединяются с пластинами коллектора как в обычном якоре. Корпус двигателя выполняется в виде стального цилиндра и одновременно служит участком магнитопровода. Кроме малого момента инерции, достоинством полого якоря является отсутст­ вие ферромагнитного окружения секций обмотки, что значительно улучшает условия коммутации н регулировочные характеристики двигателя вследствие уменьшения потока рассеяния и реакции якоря. Неравномерность зазора при вра­ щении якоря не вызывает периодического изменения радиальных сил притяжения между немагнитным якорем и индуктором и исключаются зубцовые пульсации магнитного потока, это обусловливает низкий уровень шума,и небольшую ампли­ туду вибраций двигателя. Недостатком полого якоря является необходимость большой намагничивающей силы индуктора, так как путь магнитного потока по участкам с малой магнитной проницаемостью намного длинее, чем при якоре обычной конструкции.

Уменьшение затрат труда при изготовлении двигателя может быть достиг­ нуто заменой проволочной обмотки якоря так называемой печатной обмоткой, выполненной электрохимическим способом на каркасе. Обмотка получается двухслойной, одна из активных сторон секции расположена на внутренней ци­ линдрической поверхности каркаса, а вторая сторона — на наружной поверх­ ности. Соединения лобовых частей обмотки производятся с помощью заклепок, вставленных в отверстия каркаса. Обычно якорь с печатной обмоткой не имеет отдельного коллектора, его функции выполняют проводники наружного слоя обмотки, по которым скользят серебряно-графитовые щетки с очень малым па­ дением напряжения в скользящем контакте. Достоинством печатной обмотки является хорошее охлаждение, проводники в виде тонкой пленки меди имеют большую поверхность н с трех сторон соприкасаются непосредственно с охлаж­ дающим воздухом, поэтому уменьшение размеров двигателя ограничивается не условиями охлаждения, а необходимым пусковым моментом н к. п. д. Изго­ товление печатной обмотки допускает полную механизацию технологического процесса, способствующую уменьшению стоимости двигателя. Якорь с печатной обмоткой может быть выполнен в форме диска, проводники обмотки в этом случае располагаются радиально на обеих торцевых плоскостях, и магнитный поток в якоре направлен параллельно оси двигателя. Основным достоинством дискового якоря является большая устойчивость к внешним механическим воз­ действиям и возможность выполнения многослойной обмотки для увеличения мощности двигателя.

6 Л, М. Пиотровский

Р а з д е л второй

ТРАНСФОРМАТОРЫ

Г л а в а д е с я та я

ПРИНЦИП РАБОТЫ И ГЛАВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

10-1. Развитие трансформаторостроения

Начальные этапы развития трансформаторостроения были изло­ жены во введении. В 1890 г. М. О. Доливо-Добровольский предло­ жил конструкцию трехфазного трансформатора с симметричным рас­ положением стержней, а затем — в 1891 г. — с расположением стерж­ ней в одной плоскости (обычным в настоящее время).

В 1891 г. Браун (завод «Эрликон» в Швейцарии) построил первый масляный трансформатор на высокое по тому времени напряжение 30 кв. Одновременно фирма «Вестингауз» в США выполнила две транс­ форматорные группы мощностью каждая 3 х 2250 кв-а с внутрен­ ним водяным охлаждением масла.

Дальнейшее развитие основного типа трансформатора — сило­ вого — находится в тесной зависимости от развития электроэнерге­ тических систем. За время с 1905 по 1940 г. потребление электроэнер­ гии в промышленно развитых странах удваивалось примерно каждые 8—10 лет. Это потребовало создания трансформаторов все большей мощности. Уже к 1930 г. был построен трехфазный пятистержневой трансформатор мощностью 100 Мв-а, а к 1936 г. — трехфазный групповой трансформатор мощностью 3 X 65 Мв-а при нормальном охлаждении и 3 X .80 Мв-а при форсированном охлаждении. В на­ стоящее время для Волжской ГЭС имени В. И. Ленина выполнены трансформаторные группы мощностью 3 X 123,5 Мв-а.

В связи с передачей значительных количеств электроэнергии на все большие расстояния~росло рабочее напряжение трансформато­

В процессе роста мощности и рабочего напряжения трансформа­ торов перед трансформаторостроением возник ряд проблем: повыше­ ние к. п. д., совершенствование системы охлаждения, разработка конструкций, устойчивых как в отношении перенапряжений при воз­ никновении высоких напряжений в линии передач, так и механиче­ ских усилий при внезапных коротких замыканиях. Путем примене­

162

Та из обмоток трансформатора, к которой подводится энергия переменного тока, называется первичной обмоткой, другая, от кото­ рой энергия отводится, называется вторичной. В соответствии с на­ званиями обмоток, все величины, относящиеся к первичной обмотке, как, например, напряжение, мощность, ток, сопротивление и т. д., тоже называются первичными, а относящиеся ко вторичной обмотке — вторичными.

Если первичной обмоткой является обмотка высшего напряжения, а вторичной — обмотка низшего напряжения, то такой трансформа­ тор называется понижающим. При вторичном напряжении выше первичного трансформатор называется повышающим.

Соответственно системе тока имеются трансформаторы одно-, трех- и многофазные. Обмоткой многофазного трансформатора яв­ ляется совокупность всех соединенных между собой фазкых обмоток.

Для улучшения охлаждения трансформатора его сердечник вместе с обмотками размещается в баке с жидкостью, обычно трансформа­ торным маслом; такие трансформаторы называются масляными. Трансформаторы с воздушным охлаждением называются сухими.

10-3. Основные типы трансформаторов

Наибольшее распространение получили следующие типы транс­ форматоров:

1)силовые — для передачи и распределения электроэнергии;

2)автотрансформаторы — для преобразования напряжения в не­

больших пределах, для пуска двигателей переменного тока и т. д.;

3)измерительные трансформаторы — для включения в схемы измерительных приборов;

4)трансформаторы специального назначения — сварочные, печ­ ные, испытадельные, импульсные, пиковые, высокочастотные, для ртутных выпрямителей и игнитронов, для преобразования частоты, для автоматических устройств, для медицинских и радиотехнических целей.

Таким образом, область применения трансформаторов чрезвы­ чайно широка, соответственно велико и число конструктивных форм трансформаторов. Но во всех случаях процесс преобразования энер­ гии в трансформаторах и приемы изучения происходящих в них явле­ ний по существу одни и те же. Поэтому в дальнейшем рабочие про­ цессы рассматриваются в основном типе трансформатора — в одно- и трехфазном двухобмоточном силовом трансформаторе.

10-4. Номинальные величины

Величины, характеризующие условия работы, на которые рас­ считан трансформатор, называются номинальными. Основные из них указываются на паспортном щитке. •

Номинальной полезной мощностью трансформатора называется полная мощность трансформатора на зажимах вторичной обмотки. Для двухобмоточных силовых трансформаторов номинальная под­

164

веденная мощность (первичной обмотки) принимается равной номи­ нальной полезной мощности (вторичной обмотки).

Номинальным напряжением обмотки трансформатора, не имеющей ответвлений, называется напряжение между зажимами обмотки при холостом ходе трансформатора. Таким образом, напряжение на вто­ ричной обмотке при номинальной нагрузке немного отличается от номинального. При обмотке с переключаемыми ответвлениями номи­ нальное напряжение относится к основному ответвлению.

Номинальный ток обмотки трансформатора соответствует номи­ нальной мощности и номинальному напряжению.

10-5. Основные части трансформатора

Трансформатор состоит из сердечника, обмоток, бака с маслом (если трансформатор масляный), на котором размещены проходные изоляторы (вводы) и расширитель.

Рис. 10-2. Стержневые трансформаторы: а — однофазный, б — трехфазный

1 — стержень, 2 — ярмо, 3 — обмотка низшего напряжения, 4 — обмотка

высшего напряжения

А. Сердечник трансформатора. В сердечнике трансформатора принято выделять следующие части: стержни, на которых располо­ жены катушки обмотки, и ярма, соединяющие стержни в общую маг­ нитную цепь. Сердечники бывают двух типов: стержневые и броне­ вые. Тип сердечника часто дает пазвание и трансформатору.

165

В стержневом сердечнике стержни и ярма соединены последова­ тельно. В однофазном трансформаторе (рис. 10-2, а) каждая из обмо­ ток располагается на двух стержнях, а в трехфазном (рис. 10-2, б)

на одном стержне. В броневом трансформаторе (рис. 10-3) маг­ нитная цепь имеет две парал­ лельные ветви и значительная часть поверхности обмотки охва­ тывается сердечником. Магнитный поток в ярме вдвое меньше, чем

1 — стержень, 2 — ярмо, 3 — обмотка низшего напряжения, 4 — об­

мотка высшего напряжения

Рис. 10-4. Трансформатор с разветвленной магнитной цепью: а — однофазный, б — трохфазный

в стержне, поэтому их можно выполнять вдвое меньшего сечения, как показано на рис. 10-3,а. В трехфазном броневом трансформаторе (рис. 10-3, б) для уменьшения магнитного потока в ярмах, общих для двух фаз, обе катушки среднего стержня включаются таким образом, чтобы направление магнитной оси этих катушек было про­ тивоположно направлению магнитных осей катушек крайних стерж­ ней.

166