Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974

Для увеличения вращающего момента на статоре делаются не два полюса, а столько же, сколько и на роторе. Тогда силы магнитного притяжения действуют одновременно между всеми полюсами. Обычно такие двигатели выполняются на небольшие скорости вращения; только в этом случае удается обеспечить равномерность вращения. Подобные двигатели применялись для электропроигрывателей мощ­ ностью 0,8 вт при скорости вращения 78 об/мин.

Недостатками двигателей являются: отсутствие пускового момен­ та, склонность к качаниям и низкие к. и. д. и cos ф.

В настоящее время разработаны синхронные двигатели, в кото­ рых скорость вращения ротора составляет определенную (сравни­ тельно небольшую) часть скорости вращающегося магнитного поля. На рис. 39-11 представлена магнитная система такого двигателя.

В общем случае обмотка статора может иметь р пар полюсов;

П= —-г;— ---- Д об мин.

Р

В таком исполнении получается сочетание двигателя, у которого скорость вращения поля n1 = Q0f/p и редуктора с передаточным числом Z2/(Z2 — Zx).

Достоинством двигателя является постоянство скорости в тече­ ние одного оборота, т. е. равномерность вращения.

Для значительного уменьшения скорости вращения или для-полу- чения двух различных скоростей вращения ротор может быть выпол­ нен в виде кольца с внутренними зубцами и с обмоткой, внутри ко­ торого помещается еще один зубчатый ротор.

467

39-10. Гистерезисные двигатели

Если внутри статора, обмотка которого создает вращающееся магнитное поле, поместить цилиндр из магнитного материала, то такой ротор будет вращаться и сможет преодолевать нагрузочный мо­ мент на валу. Вращение ротора с синхронной скоростью происходит под действием гистерезисного момента, природу которого можно по­ яснить следующим образом. Пусть в рассматриваемый момент вре­ мени поле двухполюсного статора направлено по вертикальному диаметру и ротор вращается без нагрузки и трения в подшипниках. Тогда элементарные магнитики ротора ориентированы так, как по­ казано на рис. 39-12, а, и между статором и ротором существуют толь­ ко радиальные силы F магнитного притяжения. На поверхности ро­ тора появляется зафиксированная полярность, и перемагничивание материала ротора не происходит.

Рис. 39-12. Гистерезисный двигатель: а — при холостом ходе, 6 — при нагрузке

Если теперь приложить к ротору нагрузочный момент, то для про­ должения вращения ротора с синхронной скоростью должна поя­ виться касательная составляющая FKсил магнитного притяжения, т. е. магнитная ось ротора должна отстать от поля статора на угол 0 (рис. 39-12, б). Это возможно в том случае, когда под влиянием коэр­ цитивной силы будет сохраняться намагниченность ротора (прежняя ориентация элементарных магнитиков). По мере роста нагрузки на валу угол 0 будет увеличиваться, так как М = М тsin Ѳ.

Величина наибольшего вращающего момента М т зависит от ма­ териала ротора (ширины петли гистерезиса), магнитной индукции в зазоре и не зависит от скорости вращения (скольжения). Гистере­ зисная петля обычной электротехнической стали узкая (1 на рис. 39-13) и поэтому гистерезисный момент незначителен, хотя иногда под влиянием этого момента наблюдается вращение ротора асинхронного двигателя при разомкнутой фазной обмотке. Для уве­ личения гистерезисного момента применяются в роторе специальные сплавы с широкой гистерезисной петлей (2 на рис. 39-13), например викаллой.

468

Внастоящее время гистерезисные двигатели выпускаются с двумя типами роторов: массивным и шихтованным. С целью экономии активная часть ротора выполняется в виде тонкостенного цилиндра, насаженного на втулку.

Вдвигателях с массивным ротором, кроме гистерезисного момента Мг, при скорости вращения, отличной от синхронной, возникает также асинхронный момент Ма в результате взаимодействия вращаю­ щегося поля с вихревыми токами в материале ротора. Вследствие большого удельного сопротивления материала ротора этот момент достигает максимума при неподвижном роторе или даже в области sm > 1, а при синхронной скорости он равен нулю и становится отри­

цательным при скорости выше синхронной. Приближенно можно

считать, что этот момент в режиме двигателя пропорционален сколь­ жению, т. е.

смассивным ротором

М= Мг + Ма = Мг + Ma.us.

Двигатель с массивным ротором может также работать и в асин­ хронном режиме; однако вследствие перемагничивания ротора по­ лучаются довольно значительные потери, особенно при больших скольжениях; поэтому в асинхронном режиме гистерезисные двига­ тели используются редко.

Положительными качествами гистерезисных двигателей являются большой пусковой момент и момент входа в синхронизм, плавность входа в синхронизм, сравнительно высокий к. п. д., низкий уровень шума и возможность изменения скорости вращения путем переклю­ чения числа пар полюсов обмотки статора.

К недостаткам гистерезисных двигателей следует отнести низкий коэффициент мощности и склонность к качаниям.

Наибольший вращающий момент, коэффициент мощности cos ф и к. п. д. т) могут быть значительно повышены в результате кратко­

469

временного (на два — три периода) дополнительного намагничивания при синхронной скорости. Это может быть произведено за счет крат­ ковременного (на 2—3 периода) повышения напряжения, приложен­ ного к обмотке статора.

На рис. 39-14 приведены рабочие характеристики гистерезисного двигателя с ротором из листового викаллоя.

39-11. Синхронные компенсаторы

Синхронным компенсатором называется синхронный двигатель, работающий в режиме холостого хода при изменяющемся токе воз­ буждения / в. В перевозбужденных синхронных двигателях ток Іг опережает напряжение сети Uc, т. е. является по отношению к этому напряжению емкостным, а в недовозбуждешшх — индуктивным (§ 39-7). Таким образом, синхронные компенсаторы являются гене­ раторами реактивной мощности.

Обычно в сетях, питаемых синхронными генераторами, преобла­ дает индуктивная нагрузка, так как трансформаторы и широко рас­ пространенные асинхронные двигатели потребляют намагничивающие (индуктивные) токи. Но работа генератора на длинную линию пере­ дачи или широко развитую кабельную сеть обусловлива­ ет иногда значительные ем­ костные эффекты. Если / а — активная составляющая тока в сети, а IL — его реактивная составляющая, то весь ток в

сети

і= Ѵ Т І + К .

туры. Поэтому вопрос разгрузки линий, трансформаторов и генера­ торов от слишком больших реактивных токов — весьма актуален.

В большинстве случаев синхронные компенсаторы работают в ре­ жиме перевозбуждения и служат для компенсации индуктивных то­ ков в линии и генераторах с целью улучшения cos ф.

І = У І \ + І І = У WOO2 + lOOO2 = 1414 a\ cos cp = / a// = 1000 : 1414 = 0,71.

Для разгрузки генератора и линии от индуктивного тока у потребителя энергии поставлен синхронный компенсатор СК, который при некотором возбу-

470

жденпп берет из сети емкостный ток / 0 = 600 а. В этом случае индуктивный ток

находится между синхронным генератором и компенсатором. Во­ прос об улучшении cos ф приемников, находящихся вне данного участка, решается особо.

Как видно из примера, ток в генераторе и линии уменьшился на 1414—1077 = 337а, что потребовало выработки синхронным компен сатором 600 а.

Дальнейшее улучшение cos ф потребует еще относительно боль­ шего увеличения мощности компенсаторов; так, чтобы полностью освободить генератор и линию от индуктивных токов, т. е. сделать cos ф = 1, потребуется выработка компенсатором еще 400 а, причем ток в линии уменьшится лишь на 1077—1000 = 77 а. Как видно, в этой зоне улучшение cos ф обходится дорого, поэтому и не стре­ мятся доводить его до единицы.

В крупных сетях с линиями большой длины синхронные компен­ саторы применяются для регулирования напряжения у потребителей. При большой индуктивной нагрузке напряжение у потребителя зна­ чительно меньше напряжения генераторов; при малой нагрузке напряжение у потребителя может даже повыситься, так как длинные линии обладают емкостью. Поэтому в этих случаях иногда приме­ няют синхронные компенсаторы, которые при большой индуктивной нагрузке работают с перевозбуждением и тем самым освобождают линию от реактивных токов; при этом уменьшается падение напря­ жения в линии. При малых нагрузках у потребителя синхронный компенсатор работает с недовозбуждением, забирая из сети индук­ тивные токи, компенсирующие действие емкостных токов в линии.

Синхронные компенсаторы работают только в режиме U-образных характеристик, главным образом при перевозбуждении, т. е. в зоне емкостных токов, но он должен иметь возможность работать и при иедовозбуждении, т. е. в зоне отстающих токов.

Мощность компенсатора при отстающем токе составляет 0,5— 0,66 мощности при опережающем токе, принимаемой за номиналь­ ную мощность машины.

Пуск в ход синхронных компенсаторов производится так же, как синхронных двигателей. Главное значение имеет асинхронный способ пуска (§ 39-4). Пусковые токи обычно составляют 1,0—1,5 номиналь­ ного тока компенсатора при пониженном напряжении до 0,25—0,3 номинального. Время пуска обычно не превышает 40—90 сек.

Синхронные компенсаторы выполняются как машины явнополюс­ ного типа с горизонтальным валом. Но в связи с развитием мощных электроэнергетических систем поставлен вопрос о значительном уве­ личении мощности синхронных компенсаторов — до 500 Мв-а и

471

выше. Одним из возможных вариантов решения этой задачи является разработка тихоходных синхронных компенсаторов с вертикальным валом в исполнении, аналогичном исполнению мощных тихоходных синхронных генераторов.

39-12. Одноякорный преобразователь

Одиоякорным преобразователем называется машина, преобразующая в одном якоре переменный ток в постоянный, или наоборот.

Одноякорный преобразователь конструктивно представляет собой машину постоянного тока с дополнением в виде контактных колец 1, насаженных на вал якоря 2 со стороны, обратной коллектору 3 (рис. 39-16).

Для примера на рис. 39-17 приведено условное изображение якорной об­ мотки двухполюсного трехфазного преобразователя. Так как в данном случае число пар ветвей обмотки якоря а — 1, то имеются три точки а — b — с, сдви-

нутые взаимно на 120° и присоединенные к трем кольцам Кг — К2 — К3. Со стороны постоянного тока на коллекторе по нейтрали расположены две щетки

А и В.

Если при возбужденных полюсах привести во вращение посторонним дви­ гателем якорь преобразователя, то в обмотке якоря будет наводиться переменная э. д. с., которую можно снять с колец. На щетках, расположенных на коллек­ торе, будет постоянная э. д. с., как в машинах постоянного тока. В этом случае с одного якоря можно получить постоянный и переменный ток. Такая машина называется генератором двойного тока.

Можно подвести постоянный ток к якорю, тогда машина со стороны коллек­ тора будет работать двигателем, а со стороны колец — генератором переменного тока. Энергия постоянного тока преобразуется в механическую, а механическая энергия — в электрическую энергию переменного тока.

Если к контактным кольцам подвести переменный ток, то машина будет работать со стороны переменного тока двигателем, а со стороны постоянного — генератором, т. е. будет происходить процесс преобразования энергии перемен­ ного тока в энергию постоянного тока в одном якоре.

Для возможности взаимодействия вращающееся поле якоря должно быть неподвижно относительно поля полюсов. В рассматриваемом преобразователе (рис. 39-16) поле полюсов неподвижно в пространстве; следовательно, поле якоря и якорь вращаются в противоположные стороны с одинаковой скоростью.

Вобычном преобразователе кольца и коллектор присоединяются к одной II той же обмотке, поэтому э. д. с. на них находится в определенном соотношении,

зависящем от числа фаз преобразователя. Так как отдельные секции соединены

472

между собой последовательно, то при обходе обмотки необходимо отдельные лучи звезды пазовых э. д. с. складывать геометрически.

В результате для каждой пары параллельных ветвей обмотки получается правильный многоугольник э. д. с., который при большом числе секций пре­ вращается в окружность (рис. 39-18).

Напряжение между щетками разной полярности на коллекторе равно сумме мгновенных значений э. д. с. секций одной параллельной ветви, т. е. равно

диаметру окружности AB.

Если число фаз преобразователя равно т, то имеется т точек присоединения обмотки к т кольцам (для однофазной обмотки число колец и точек присоединения равно двум). Тогда амплитуда э. д. с. будет выражаться

хордой между соседними точками присоединения колец к обмотке. Угол меж­ ду двумя соседними лучами OB и OF равен 2л/m и амплитуда m-фазной пе­ ременной э. д. с.

Для однофазного преобразователя нужно подставить т = 2; тогда

При определении соотношений между величинами постоянного и перемен­ ного тока не учитывают потери в преобразователе.

Мощность со стороны колец Рт = тЕфІф cos cp. Мощность со стороны коллектора Рп = Еа1ц- При сделанном допущении

тЕф cos ф

т sin — cos го in т

Так как обмотка якоря, преобразователя соединена многоугольником, то фазная и линейная э. д. с. равны между собой, а линейный ток равен геометри­ ческой разности двух фазных токов (рис. 39-19):

/л = 2/фяш ,

поело подстановки из формулы (39-3) значения /ф

2 V2

синусоиде. Так как со стороны переменного тока машина работает в режиме

при работе машины синхронным двигателем.

Для улучшения коммутации в преобразователе, так же как и в машинах постоянного тока, применяются добавочные полюсы.

Преобразователь переменно-постоянного тока имеет характеристики, ана­ логичные рабочим характеристикам синхронного двигателя. На рис. 39-21 показаны зависимости / л; ц; cos ф и Un от тока І п. Вследствие малой реак­ ции якоря напряжение Un и cos ф почти не зависят от нагрузки. Изменяя воз­ буждение, можно получить для преобразователя U-образные характеристики, аналогичные U-образиым характеристикам синхронного двигателя (§ 39-7). Свойством преобразователя работать с опережающим или отстающим током пользуются для регулирования его напряжения Ua на стороне постоянного тока и улучшения cos ф каскадов.

474

где С — постоянная, устанавливаемая опытным путем; е — основа­ ние натуральных логарифмов.

Из этой формулы следует, что повышение температуры на каждые 8° С сокращает время износа изоляции tm вдвое. Если установить по данным практики предельную температуру ^ пр, при которой изоли­ рующий материал надежно работает приемлемый с эксплуатационной точки зрения отрезок времени (обычно 16—20 лет), то но формуле (40-1) можно определить срок работы этого материала и при другой рабочей температуре. Так, например, хлопчатобумажная изоляция, пропитанная или погруженная в масло, может длительно работать в течение 16—20 лет, находясь при температуре й я« 90° С. Но уже

Соответствующие температуры для изолирующих материалов из неорганических веществ: слюда, асбест, стекло и другие, которые сами по себе обладают высокой теплостойкостью, зависят главным образом от свойств лаков, применяемых для пропитки изоляции. Но электроизоляционные лаки обладали относительно низкой тепло­ стойкостью, соответственно чему рабочая температура изолирующих материалов с пропиткой такими лаками не превышала 130° С.

В1937 г. были предложены теплостойкие лаки, главным образом

всвязи с применением стеклянного волокна для изоляции электри­ ческих машин и сухих трансформаторов.

Внастоящее время наибольшее значение имеют кремнийорганические соединения различных составов и свойств, известные под об­ щим названием силиконов. Комбинация стекловолокнистых материа­ лов с силиконами дала возможность создать новый класс теплостой­ кой изоляции, которая позволяет эксплуатировать машины при вы­ сокой рабочей температуре и, кроме того, обладает значительной влагостойкостью.

Произведенные исследования (в некоторых случаях температура испытуемых машин доходила до 400—500° С, причем машины интен-. сивно обливались водой) дают основание считать, что для изолирую­

щих материалов этого класса может быть допущена длительная рабо­ чая температура обмоток Фщ, = 180° С. Такая высокая температура позволяет резко снизить габариты и массу машины.

Но при этом следует иметь в виду, что, например, при больших плотностях тока растут потери в обмотках и, следовательно, к. п. д. машины уменьшается.

Очевидно, что при прочих равных условиях нагревание машины будет тем сильнее, чем хуже охлаждается машина, и наоборот. Поэтому с вопросами срока службы машины неразрывно связаны во­ просы ее охлаждения, в частности вопросы вентиляции. В последнее время эти вопросы приобрели весьма важное значение, так как при современном развитии электромашиностроения лучшее использование активных материалов машины может дать по электроэнергосистеме в целом значительный народнохозяйственный эффект.

476