Электроэнергетические параметры электрических машин

ВНИМАНИЕ! САЙТ ЛЕКЦИИ.ОРГ проводит недельный опрос. ПРИМИТЕ УЧАСТИЕ. ВСЕГО 1 МИНУТА.

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ

Характеристики электрических машин

Основное использование электрических машин состоит в их применении в качестве генераторов или двигателей. В качестве генераторов используются преимущественно синхронные машины большой мощности, составляющие основу электрических станций, а также асинхронные машины и машины постоянного тока, применяемые в энергетических установках малой мощности. Наибольшее количество электрических машин используется как двигатели. Они составляют основу электрических приводов различных промышленных механизмов. Свойства электрических машин описываются математическими формулами и уравнениями, многие из которых можно представить в виде графически выраженных функциональных зависимостей в заданной системе координат. Их используют для анализа работы электрических машин в различных режимах, обеспечения оптимальных условий эксплуатации, поиска неисправностей и т.д. Основные характеристики электрогенераторов [2]:

— внешняя характеристика, это зависимость напряжения на выходе генератора от тока нагрузки при неизменных токе возбуждения ( ) и частоте вращения ;

— характеристика холостого хода, выражающая зависимость напряжения (эдс) на выходе генератора от тока возбуждения в режиме холостого хода и неизменной частоте вращения ( );

— регулировочная характеристика, отображающая зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при неизменных частоте вращения ( ) и напряжении на выходе генератора ( ).

Основными характеристиками электродвигателей являются [2]:

— механическая характеристика, показывающая взаимосвязь частоты вращения от момента нагрузки на валу двигателя (статического момента сопротивления рабочего механизма) при неизменных значениях напряжения питания двигателя, тока возбуждения, сопротивления в цепи рабочей обмотки (обмотки статора и ротора или обмотки якоря);

— электромеханическая характеристика, устанавливающая зависимость частоты вращения от тока нагрузки при неизменных значениях напряжения и сопротивления в цепи рабочей обмотки двигателя;

— регулировочная характеристика, выражающая зависимость частоты вращения от регулирующего параметра (ток возбуждения или напряжение питания);

— рабочие характеристики, отображающие зависимости кпд , коэффициента мощности , рабочего тока , частоты вращения от нагрузки двигателя (полезной мощности) .

Кроме вышеупомянутых зависимостей существуют и ряд других характеристик, используемых для определения недостающих параметров при промышленных испытаниях электрических машин, для оценки регулировочных возможностей электрических приводов в целом и т.д. [19]

При анализе работы сети различают параметры элементов сети и параметры ее режимов. Параметрами элементов электрической сети являются сопротивления к проводимости, коэффициенты трансформации. К параметрам сети также относят электродвижущую силу (э.д.с.) источников и задающие токи (мощности) нагрузок. К параметрам режима относятся: значения частоты, токов в ветвях, напряжений в узлах, фазовых углов, полной, активной и реактивной мощностей электропередачи, а также значения, характеризующие несимметрию трехфазной системы напряжений или токов и несинусоидальность изменения напряжения и токов в течение периода основной частоты.

Под режимом сети понимается ее электрическое состояние.

Рассмотрим возможные режимы работы электрических систем.

При работе в нормальном установившемся режиме значения основных параметров (частоты и напряжения) равны номинальным или находятся в пределах допустимых отклонений от них, значения токов не превышают допустимых по условиям нагревания величин. Нагрузки изменяются медленно, что обеспечивает возможность плавного регулирования работы электростанций и сетей и удержание основных параметров в пределах допустимых норм. Отметим, что нормальным считается режим и при включении и отключении мощных линия или трансформаторов, а также для предельных (ударных) нагрузок. В этих случаях после завершения разрядного процесса, который продолжается доли секунд, устанавливает установившийся нормальный режим, когда значения на режиме в контрольных точках системы оказываются в допустимых пределах.

В переходном неустановившемся режиме система переходит из установившегося нормального состоянии в другое установившееся с резко изменившимися параметрами. Этот режим считается аварийным и наступает при внезапных изменениях в схеме и резких изменениях генераторных и потребляемых мощностей. В частности, это имеет место при авариях на станциях или сетях, например при коротких замыканиях и последующем отключении поврежденных элементов сети, резком падении давления пара или напоров воды и т.д. Во время аварийного переходного режима параметры режима системы в некоторых ее контрольных точках могут резко отклоняться от нормированных значений.

Послеаварийный установившийся режим наступает после локализации аварии в системе. Этот режим чаще всего отличается от нормального, так как в результате аварии один или несколько элементов системы (генератор, трансформатор, линия) будут выведены из работы. При послеаварийных режимах может возникнуть так называемый дефицит мощности, когда мощность генераторов в оставшейся в работе части системы меньше мощности потребителей. Параметры послеаварийного (форсированного) режима могут в той или иной степени отличаться от допустимых значений. Если значения этих параметров во всех контрольных точках системы являются допустимыми, то исход аварии считается благополучным. В противном случае исход аварии неблагополучен и диспетчерская служба системы принимает немедленные меры к тому, чтобы привести параметры послеаварийного режима в соответствие с допустимыми.

Дата добавления: 2016-04-11 ; просмотров: 2038 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Параметры электрических машин — это коэффициенты перед независимыми переменными в уравнениях, описывающих электромеханическое преобразование энергии. Обычно независимые переменные — это токи. Уравнения могут быть как дифференциальными, так и комплексными или алгебраическими. Наиболее строгое описание процессов электромеханического преобразования энергии дают дифференциальные уравнения.

Параметрами электрических машин являются активные и индуктивные сопротивления и момент инерции. Вместо индуктивных сопротивлений удобно применять индуктивности — полные, взаимные и рассеяния. Таким образом, L,

М, L_CT, г обмоток машины и момент инерции J есть параметры машины.

Обычно параметры относят к фазе машины (за исключением момента инерции), что облегчает их опытное определение и запись уравнений преобразования энергии.

Активное сопротивление фазы обмотки определяется по формуле

где /„р — длина проводника; q_np — поперечное сечение проводника; k_r — коэффициент, учитывающий увеличение активного сопротивления за счет неравномерного распределения тока по сечению проводника; р_г, — удельное сопротивление материала проводника, которое зависит от температуры обмоток, поэтому при расчетах сопротивление приводится к расчетной температуре, равной 75°С. В табл. 1.3 приведены значения р_г, для медных и алюминиевых обмоток.

Удельное сопротивление материала обмотки, 10 fi Ом- м, при температуре, °С

Неравномерное распределение переменного тока по сечениям проводников, расположенных в пазу, происходит за счет различного индуктивного сопротивления проводников, лежащих на дне паза и у клина. Неравномерное распределение тока может иметь место в параллельных ветвях катушечных обмоток, не лежащих в пазу, когда параллельные ветви находятся в различных условиях и имеют отличающиеся сопротивления. Чтобы уменьшить k_r, применяют транспозицию витков. Проводники, принадлежащие различным параллельным ветвям обмотки, располагают так, чтобы все параллельные ветви находились в одинаковых

Рис. 1.84. Транспозиция обмотки статора турбогенератора

условиях. Существует несколько способов выполнения транспозиции, которые можно разделить па два вида — с транспозицией проводников в пазовой и в лобовой частях обмотки.

На рис. 1.84 приведен пример выполнения транспозиции в пазовой части обмотки статора турбогенератора. Плетеный стержень состоит из медных проводников сечением 10—20 мм 2 , занимающих попеременно все возможные положения по высоте и длине паза. Транспозиция осуществляется путем выгиба на ребро проводников. Выгибы отдельных проводников смещены относительно друг друга на определенную величину, называемую шагом плетения. Плетеный стержень состоит из двух половин, которые формируются в один стержень.

В большинстве машин стержни обмотки имеют транспозицию, когда каждый элементарный проводник совершает один полный оборот вокруг оси стержня на протяжении длины

активной части. При этом шаг плетения равен t = —, где

2 п
4 — активная длина машины; п — число элементарных проводников. Расстояние между двумя выгибами па ребро рав-
4

На рис. 1.84 показаны сечения стержня обмотки в четырех плоскостях. В исходном сечении 1—1 ив конечном 4—4 положения элементарных проводников совпадают.

В электромашиностроении применяются и другие виды транспозиции, которые рассматриваются в соответствующих главах книги.

Рис. 1.85. К определению сопротивления короткозамкнутой обмотки ротора

При определении сопротивления короткозамкнутых обмоток считают, что число фаз короткозамкнутой обмотки равно числу стержней, т.е. т₂ = = z₂, где т₂ — число фаз ротора; z₂ — число пазов ротора. Обмотка каждой из фаз состоит из одного стержня 1 и двух частей короткозамыкающего кольца 2 (рис. 1.85).

Определение индуктивностей и индуктивных сопротивлений расчетным и опытным путями относится к наиболее важному и трудному разделу теории электрических машин. Наличие многих контуров, насыщение затрудняют определение индуктивностей. При определении индуктивностей следует иметь в виду, что индуктивности относятся к фазе обмотки, а рабочее магнитное поле — общее для машины и создается токами, протекающими во всех фазах обмотки машины. Если по обмотке фазы протекает ток с амплитудным значением VI/, то из выражения (1.94) амплитудное значение МДС обмотки фазы по 1-й гармонике

Эта МДС создает в воздушном зазоре магнитное поле с индукцией

Считая, что ось поля совпадает с осью фазы, найдем по- токосцеиление фазы

где Ф_т — поток 1-й гармоники; В_т — индукция 1-й гармоники в воздушном зазоре машины.

Тогда главная индуктивность фазы

Для многофазной обмотки взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора

Для трехфазной машины

При расчете параметров электрических машин необходимо помнить, для какой модели определяются коэффициенты в уравнениях. В уравнениях машины с постоянными коэффициентами, которые были получены после ряда преобразований, параметры постоянные. Уравнения для установившегося режима, для которых строятся векторные диаграммы и схемы замещения, имеют постоянные коэффициенты.

При вращении поля в воздушном зазоре и перемещении обмоток реальной машины взаимные индуктивности между обмотками фаз статора и ротора изменяются по гармоническому закону, так как изменяется расположение обмоток относительно друг друга. При этом в уравнениях для непре- образованной системы координат взаимная индуктивность между фазами будет

Для трехфазной обмотки угол между фазами обмоток равен 2л/3 и 4тг/3, поэтому амплитудные значения индуктивностей

Как уже отмечалось, поле рассеяния обмотки принято делить на три части — на поле рассеяния пазовой части, лобовой части обмотки и рассеяние за счет высших гармоник (см. параграф 1.7). Индуктивность рассеяния обмоток определяют по формуле

где = Я. + Х_л + А.д — соответственно коэффициенты проводимости пазового, лобового и дифференциального рассеяния для обмотки статора или ротора.

При определении коэффициента магнитной проводимости паза но закону полного тока, принимая для стали р₍. = °о,

рассчитываем индукцию поля рассеяния, а затем потоки рассеяния иотокосцеиления с проводниками катушки. Потокосцепление пазового рассеяния для катушки с числом витков w_K, обтекаемой током z_K, может быть определено из соотношения

Рис. 1.86. Поле пазового рассеяния открытого

Для открытого (рис. 1.86)

где А._п — коэффициент магнитной проводимости рассеяния паза, безразмерная величина, паза с прямоугольными стенками

Направление силовых линий искажается при усложнении формы паза. Параллельность силовых линий особенно искажается вблизи воздушного зазора (см. рис. 1.43). Эффект изменения рассеяния в этой части паза учитывается добавочной составляющей рассеяния, которую называют рассеянием по коронкам зубцов.

Пазовое рассеяние тем больше, чем выше пазы, а ширина их меньше. Пазовое рассеяние в сильной степени определяется степенью раскрытия паза.

Поле лобовых частей имеет сложный вид из-за того, что в лобовых частях секции обмоток, принадлежащих разным фазам, переплетаются и на поле рассеяния лобовых частей обмоток оказывают влияние стальные части машины (маг- нитопровод, подшипниковые щиты, станина).

Коэффициенты и Х_л обычно рассчитываются при достаточно больших допущениях, и в расчетных формулах часто используются полуэмпирические коэффициенты. Расчетные формулы для Я. и Х_л для различных пазов и обмоток приводятся в книгах по проектированию электрических машин [11].

Проводимость дифференциального рассеяния определяется наличием полей высших гармоник в воздушном зазоре. Чем больше кривая поля в зазоре отличается от синусоиды, тем больше дифференциальное рассеяние.

Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния рассчитывается по формуле

где t_z — зубцовое деление; ?, — коэффициент, зависящий от выполнения обмотки, степени раскрытия пазов и влияния вихревых токов, для различных типов машин лежит в пределах 0,4—1.

В асинхронных машинах пазовое, лобовое и дифференциальное рассеяния имеют примерно одинаковую величину. В крупных синхронных машинах дифференциальное рассеяние обычно меньше пазового.

Сумма взаимной индуктивности и индуктивности рассеяния определяет полную индуктивность L = 1ц + L_a. Часто 1_И обозначают как М, а индуктивность рассеяния Z_CT и L = = М + L_a соответственно с индексом «1» для первичной и индексом «2» для вторичной обмоток.

Зная индуктивности обмоток, определяют индуктивные сопротивления обмоток: х = coL — полное индуктивное сопротивление обмотки, Х2 = соМ — сопротивление взаимной индукции и х = соL_a — индуктивное сопротивление рассеяния.

Индуктивное сопротивление взаимной индукции между обмотками статора и ротора

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора

Индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки

Обычно индуктивные сопротивления рассеяния обмоток имеют значение от нескольких процентов до 10—15% сопротивления взаимной индукции. Однако в микромашинах и специальных машинах сопротивления рассеяния могут быть больше этих значений.

При изменении режимов работы, а также в переходных режимах — при пуске, реверсе, повторном включении — активные и индуктивные сопротивления изменяются из-за вытеснения тока в токопроводящих частях и насыщения магнитной системы. Поэтому при исследовании электрических машин рассматривают переходные и установившиеся параметры электрических машин.

Сопротивление взаимной индукции в большей степени зависит от насыщения, чем сопротивление рассеяния, так как поток рассеяния в основном замыкается по воздуху. Однако при коротких замыканиях, когда токи увеличиваются в 10—15 раз, пути потоков рассеяния насыщаются и индуктивное сопротивление рассеяния изменяется.

Расчет и опытное определение параметров электрических машин в динамических режимах осложняются наличием контуров в электрических машинах, которые нельзя разомкнуть (демпферные обмотки, контуры вихревых токов), наличием нескольких обмоток и насыщением. Переходные параметры определяются по результирующим кривым токов.

Момент инерции J является мерой инертности тела и во многом определяет динамические свойства машины. Момент инерции ротора электрической машины равен сумме произведений масс всех его точек на квадраты их расстояний от оси вращения:

где р — расстояние до оси вращения; dV — элемент объема; у — плотность вещества ротора.

Для расчета момента инерции ротор делят на несколько частей, имеющих простую форму и состоящих из одного и того же материала, и определяют для них момент инерции. Общий момент инерции ротора определяется суммой моментов инерции отдельных частей.

При одной и той же массе момент инерции тела с меньшим радиусом меньше, чем при большем радиусе. Поэтому двигатели, работающие в переходных режимах, стремятся делать с малым диаметром ротора и большей длиной. Если требуется при пульсирующей нагрузке получить более равномерную скорость, проектируют двигатель с большим моментом инерции, выбирая ротор с большим диаметром и меньшей длиной. Большой момент инерции в гидрогенераторах улучшает их устойчивость при параллельной работе с сетью.

Точность решения уравнений электромеханического преобразования энергии зависит не только от того, как составлены уравнения, по и от точности определения параметров, входящих в эти уравнения. Поэтому определению параметров в теории электрических машин уделяется большое внимание.