Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

РГР Проектирование синхронной машины - файл 1.doc


РГР Проектирование синхронной машины
скачать (1448.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc1449kb.15.12.2011 21:00скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...



1.Синхронные машины ______

      1.1. Принцип действия синхронной машины ______

      1.2. Устройство синхронной машины ______

      1.3. Особенности конструкции машин большой мощности ______

2. Синхронные машины. Область применения. ______


    1. Общие сведения ______

    2. Генераторы. Область применения. ______

    3. Двигатели. Область применения. ______

    4. Преимущества и недостатки синхронных двигателей ______

  1. Обзор литературы по теме РГР ______

    1. Учебные издания ______

    2. Периодические издания ______

  2. Патенты и изобретения. ______

  3. ГОСТы. ______

  4. Рассчеты. ______

    1. Главные размеры ______

    2. Расчет магнитной системы ______

  5. Список использованной литературы ______


^

1. Синхронные машины

      1.1 Принцип действия синхронной машины



Статор 1 синхронной машины (рис. 1.1, а) выполнен так же, как и асинхронной: на нем расположена трехфазная (в общем случае многофазная) обмотка 3. Обмотку ротора 4, которая питается от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, так как она создает в машине магнитный поток возбуждения.


Рис. 1.1 – Электромагнитная схема синхронной машины (а) и схема ее включения (б):

1 – статор, 2 – ротор, 3-обмотка якоря, 4 – обмотка возбуждения,

5 – контактные кольца, 6 – щетки
Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец 5 и щеток 6. При вращении ротора 2 с некоторой частотой n2 поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в ее фазах переменную э. д. с. E (рис. 1.1, б), изменяющуюся с частотой
f1=pn2/60 (1.1)
Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то протекающий по этой обмотке многофазный ток Ia создаст вращающееся магнитное поле, частота вращения которого
n1=60f1/p. (1.2)
Из (1.1) и (1.2) следует, что n1 = n2, т.е. ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. По этой причине рассматриваемую машину называют синхронной. В такой машине результирующий магнитный поток Фрез создается совместным действием м. д. с. обмотки возбуждения и обмотки статора и результирующее магнитное поле вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор.

В синхронной машине обмотку, в которой индуктируется э. д. с. и протекает ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения, – индуктором. Следовательно, в машине, выполненной по конструктивной схеме, представленной на рис. 1.1, статор является якорем, а ротор – индуктором. С точки зрения принципа действия и теории работы машины безразлично, вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной конструктивной схемой: обмотка якоря, к которой подключена нагрузка, расположена на роторе, а обмотка возбуждения, питаемая постоянным током, – на статоре.

Синхронная машина может работать автономно в качестве генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, или параллельно с сетью, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т.е. работать генератором или двигателем. При подключении обмотки статора к сети с напряжением Uс и частотой f1 протекающий по обмотке ток создает, так же как в асинхронной машине, вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется по (1.2). В результате взаимодействия этого поля с током Iв, протекающим по обмотке ротора, создается электромагнитный момент М, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а при работе в генераторном режиме–тормозным. Таким образом, в рассматриваемой машине в отличие от асинхронной поток возбуждения (холостого хода) создается обмоткой постоянного тока, расположенной на роторе. Поэтому в установившихся режимах ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается вместе с ним с частотой вращения n= n2, независимо от механической нагрузки на валу ротора или электрической нагрузки.

Таким образом, синхронная машина имеет следующие особенности, характерные для установившихся режимов работы:

а) ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной частотой, равной частоте вращающегося магнитного поля, т.е. n2 = n1;

б) частота изменения э. д. с. Е, индуктируемой в обмотке якоря, пропорциональна частоте вращения ротора;

в) в обмотке ротора э. д. с. не индуктируется, а ее м. д. с. определяется только током возбуждения и не зависит от режима работы.
      ^

      1.2 Устройство синхронной машины



Конструктивная схема машины. Синхронные машины выполняют с неподвижным или вращающимся якорем. Машины большой мощности для удобства отвода электрической энергии со статора или подвода ее выполняют с неподвижным якорем (рис. 1.2, а)

Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3–3%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух колец не вызывает особых затруднений. Синхронные машины небольшой мощности выполняют как с неподвижным, так и с вращающимся якорем.



Рис. 1.2 – Конструктивная схема синхронной машины

с неподвижным и вращающимся якорем:

1 – якорь, 2 – обмотка якоря, 3 – полюсы индуктора,

4 – обмотка возбуждения, 5 – кольца и щетки
Синхронную, машину с вращающимся якорем и неподвижным индуктором (рис. 1.2, б) называют обращенной.



Рис. 1.3 – Роторы синхронной явнополюсной (а) и неявнополюсной (6) машин: 1 – сердечник ротора, 2 – обмотка возбуждения
Конструкция ротора. В машине с неподвижным якорем применяют две конструкции ротора: явнополюсную – с явно выраженными полюсами (рис. 1.3, а) и неявнополюсную – с неявно выраженными полюсами (рис. 1.3, б). Явнополюсный ротор обычно используют в машинах с четырьмя и большим числом полюсов. Обмотку возбуждения выполняют в этом случае в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках полюсов и укрепляют при помощи полюсных наконечников. Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготовляют из стали. Двух- и четырехполюсные машины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1500 и 3000 об/мин, изготовляют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения необходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотку возбуждения в такой машине размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки, и укрепляют немагнитными клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят при помощи стальных массивных бандажей. Для получения распределения магнитной индукции, близкого к синусоидальному, обмотку возбуждения укладывают в пазы, занимающие 2/3 каждого полюсного деления.


Рис. 1.4 – Устройство явнополюсной машины:

1 – корпус, 2 – сердечник статора, 3 – обмотка статора, 4 – ротор,

5 – вентилятор, 6 – выводы обмотки статора, 7 – контактные кольца, 8 – щетки, 9 – возбудитель
На рис. 1–4 показано устройство явнополюсной синхронной машины. Сердечник статора собран из изолированных листов электротехнической стали и на нем расположена трехфазная обмотка якоря. На роторе размещена обмотка возбуждения.

Полюсным наконечникам в явнополюсных машинах обычно придают такой профиль, чтобы воздушный зазор между полюсным наконечником и статором был минимальным под серединой полюса и максимальным у его краев, благодаря чему кривая распределения индукции в воздушном зазоре приближается к синусоиде.

В синхронных двигателях с явнополюсным ротором в полюсных наконечниках размещают стержни пусковой обмотки (рис. 1–5), выполненной из материала с повышенным удельным сопротивлением (латуни и др.). Такую же обмотку (типа «беличья клетка»), состоящую из медных стержней, применяют и в синхронных генераторах; ее называют успокоительной или демпферной обмоткой, так как она обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих при переходных режимах работы синхронной машины. Если синхронная машина выполнена с массивными полюсами, то в этих полюсах при пуске и переходных режимах возникают вихревые токи, действие которых эквивалентно действию тока в короткозамкну-тых обмотках. Затухание колебаний ротора при переходных процессах обеспечивается в этом случае вихревыми токами, замыкающимися в массивном роторе.

Возбуждение синхронной машины. В зависимости от способа питания обмотки возбуждения различают системы независимого возбуждения и самовозбуждения. При независимом возбуждении в качестве источника для питания обмотки возбуждения служит генератор постоянного тока (возбудитель), установленный на валу ротора синхронной машины (рис. 1.6, а), или же отдельный вспомогательный генератор, приводимый во вращение синхронным или асинхронным двигателем.

При самовозбуждении обмотка возбуждения питается от обмотки якоря через управляемый или неуправляемый выпрямитель – полупроводниковый или ионный (рис. 1.6, б). Мощность, необходимая для возбуждения, невелика и составляет 0,3–3% от мощности синхронной машины.

В мощных генераторах иногда кроме возбудителя применяют подвозбудитель – небольшой генератор постоянного тока, служащий для возбуждения основного возбудителя. В качестве основного возбудителя в этом случае может быть использован синхронный генератор совместно с полупроводниковым выпрямителем. В настоящее время питание обмотки возбуждения через полупроводниковый выпрямитель, собранный на диодах или на тиристорах, все более широко применяют как в двигателях и генераторах небольшой и средней мощности, так и в мощных турбо- и гидрогенераторах (тиристорная система возбуждения). Регулирование тока возбуждения Iв осуществляется автоматически специальными регуляторами возбуждения, хотя в машинах небольшой мощности применяется регулирование и вручную реостатом, включенным в цепь обмотки возбуждения.

В последнее время в мощных синхронных генераторах начали применять так называемую бесщеточную систему возбуждения (рис. 1.6, в). При этой системе в качестве возбудителя используют синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу.



Рис. 1.5 – Размещение пусковой обмотки в синхронных двигателях:

1-полюсы ротора, 2-короткозамыкающие кольца, 3 – стержни беличьей клетки, 4 – полюсные наконечники
Обмотка возбуждения возбудителя получает питание от подвозбудителя через регулятор напряжения. При таком способе возбуждения в цепи питания обмотки возбуждения генератора отсутствуют скользящие контакты, что существенно повышает надежность системы возбуждения. При необходимости форсирования возбуждения генератора повышают напряжение возбудителя и увеличивают выходное напряжение выпрямителя.

      ^

      1.3 Особенности конструкции машин большой мощности



Синхронные машины большой мощности являются весьма напряженными в конструктивном отношении: отдельные части машины имеют очень большие механические и электромагнитные нагрузки; по интенсивности нагрузок они превосходят все другие электрические машины. Поэтому в них выделяется большое количество тепла, что потребовало применения весьма интенсивного охлаждения.

Стремление получить максимальную мощность в заданных габаритах или минимальные габариты при заданной мощности, характерное для проектирования всех электрических машин, в синхронных машинах привело к появлению своеобразных конструкций, сильно отличающихся друг от друга и определяемых в основном типом первичного двигателя.

По конструкции крупные синхронные машины подразделяют на турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы, синхронные компенсаторы и синхронные двигатели.



Рис. 1.6 – Схемы возбуждения синхронной машины:

1 – обмотка якоря генератора, 2 – ротор генератора, 3 – обмотка возбуждения, 4 – кольца, 5 – щетки, 6 – регулятор напряжэния, 7 – возбудитель, 8 – выпрямитель, 9 – ротор возбудителя, 10 – обмотка якоря возбудителя, 11 – обмотка возбуждения возбудителя, 12 – под-возбудитель, 13 – обмотка возбуждения подвозбудителя
^ 2. Синхронные машины. Области применения
2.1 Общие сведения
Название «синхронные» имеют электрические машины переменного тока, в которых ротор и магнитное поле токов статора вращаются синхронно, т. е. с одной и той же скоростью. Если частота токов стато­ра постоянна, то и ротор вращается со строго постоянной угловой ско­ростью.

Как все электрические машины, синхронные машины обратимы: они могут работать в режимах и генератора и двигателя. В настоящее время и в ближайшие десятилетия основными источниками электро­энергии останутся синхронные генераторы на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях (ТЭС, АЭС, ГЭС).

^ 2.2 Генераторы. Области применения
Трехфазные синхронные генераторы — самые мощные электричес­кие машины. Технический прогресс в энергетике характеризуется коп-цен грацией мощностей электростанций и энергоагрегатов, их блочной компоновкой.

В энергоблок ТЭС кроме турбины и генератора входят также паро­генератор (со своим водяным и топливным оборудованием), трансфор­матор, повышающий напряжение до уровня, соответствующего напря­жению линии электропередачи (ЛЭП), выключатель, насосно-вентиляционное оборудование систем охлаждения и помещения для всех агрегатов. С применением более мощных энергоблоков снижается удель­ный расход топлива, металла (объем и масса энергоблоков возрастают медленнее мощности), уменьшается стоимость оборудования, строительства и эксплуатации агрегатов. Повышение единичной мощ­ности машины дает большой экономический эффект.

Единичная мощность синхронных генераторов, устанавливаемых в настоящее время на ГЭС, достигла 640 МВт, а на ТЭС – 1200 МВт.

Особенностью синхронной машины, работающей в энергосистеме, является возможность регулирования ее коэффициента мощности по значению и характеру. Поэтому для улучшения cosφ крупных электроустановок, а также для регулирования напряжения в сетях на электрических подстанциях устанавливают специальные синхронные двигатели, работающие в режиме холостого хода и потребляющие опере­жающий по фазе ток. Их называют компенсаторами реактивной мощ­ности. Мощность крупных синхронных компенсаторов составляет 50, 100, 160 Мвар.

Разумеется, выпускаются синхронные генераторы и двигатели и значительно меньших номинальных мощностей. Синхронные генера­торы мощностью до десятков или сотен киловатт (рис. 2.1) исполь­зуют как автономные источники питания с приводом от двигателей внутреннего сгорания.
^ 2.3 Двигатели. Области применения
Синхронные электродвигатели в основном применяют в при­водах средней и большой мощности в тех случаях, когда режим работы длительный и регулирования скорости не требуется: воздуходувки, эксгаустеры, компрессоры кислородных станций, мощные вентиляторы и насосы, дробилки, мельницы, приводы черновых клетей прокатных станов, ножниц и т. п. В последние годы в связи с развитием полупроводниковой преобразователь­ной техники наметилась тенденция к использованию синхрон­ных двигателей с частотным управлением и в регулируемых электроприводах. Достоинством этих двигателей является про­стота конструкции, надежность, высокие значения cos φ и к. п. д., большая номинальная мощность и др.

Трехфазные синхронные двигатели также являются самыми мощ­ными среди всех электродвигателей. Так, единичная мощность синх­ронных двигателей для крупных насосов, компрессоров, воздуходу­вок достигает нескольких десятков мегаватт.

Схема синхронного двигателя приведена на рис. 2.2. На ро­торе расположены две обмотки: короткозамкнутая (пусковая) ОП и возбуждения постоянного тока ОВ. Обмотка возбуждения двигателя при пуске замыкается на разрядный резистор Rp, ко­торый предохраняет ее от пробоя. При скорости, близкой к син­хронной (ω≥0,95ω0), обмотка возбуждения автоматически подключается к источнику постоянного тока на полное напря­жение (контакты КМ замыкаются). При этом двигатель входит в синхронизм. Для нормального вхождения в синхронизм необ­ходимо, чтобы входной момент был больше статического мо­мента на валу Мвхс.

Механическая характеристика синхронного двигателя пред­ставляет собой прямую, параллельную оси моментов. Незави­симо от нагрузки на валу скорость двигателя остается неизмен­ной, равной скорости поля статора.

При изменении нагрузки на валу изменяется положение осей магнитных полей статора и ротора, которые характери­зуются углом θ сдвига фаз между векторами э. д. с. в обмотке статора и напряжения сети. Зависимость момента М двигателя от угла θ называется угловой характеристикой, которая пред­ставляет собой синусоиду

(2.1)

где Uс — фазное напряжение сети; Е — фазная э. д. с, наво­димая в обмотке статора полем в обмотке возбуждения ротора; x —продольное синхронное индуктивное сопротивление статора; Мmax—максимальный момент.

Из уравнения (2.1) видно, что вращающий момент синхрон­ного двигателя пропорционален напряжению сети и э. д. с. Е, которая зависит от тока возбуждения двигателя. При холостом ходе угол θ=0, в двигательном режиме θ>0. С увеличением угла θ вращающий момент возрастает и при θ = π/2 достигает максимального значения. Работа при углах θ<π/2 будет неустойчивой, поскольку вращающий момент будет снижаться и это может привести к выпадению двигателя из синхронизма. Номинальной нагрузке на валу соответствует угол θ = 20÷30°.

Перегрузочная способность двигателей λ=Mmax/Mн= 2÷3. Поскольку вращающий момент двигателя пропорционален э. д. с. Е, то перегрузочная способность двигателя может быть повышена путем увеличения тока возбуждения. Это позволяет обеспечить устойчивую работу двигателя при значительных толчках нагрузки, а также при колебаниях напряжения сети.

Синхронный двигатель имеет два тормозных режима: реку­перативный и динамический. Рекуперативный режим возможен при частоте вращения ротора выше синхронной. При этом из­меняется знак угла θ, электромагнитный момент становится тормозным. При динамическом торможении возбуждение дви­гателя сохраняется, как и в двигательном режиме, а обмотка статора отключается от сети и замыкается на тормозной рези­стор. Механические характеристики синхронного двигателя в этом режиме подобны характеристикам асинхронного двига­теля при динамическом торможении.

Особенностью синхронного двигателя является то, что пу­тем изменения тока возбуждения можно регулировать потреб­ляемую из сети реактивную мощность. Это свойство синхрон­ного двигателя широко используют для компенсации реактив­ных нагрузок металлургических цехов или всего завода.

В процессе изменения тока возбуждения вектор тока дви­гателя может совпадать с вектором напряжения сети, отставать от него или опережать его. В случае совпадения векторов тока и напряжения двигатель потребляет из сети только активную мощность. Когда вектор тока двигателя опережает вектор на­пряжения сети, двигатель отдает в сеть реактивную мощность. Таким образом, синхронный электродвигатель выполняет, по­мимо основной функции, также функцию синхронного компен­сатора, что дает большой экономический эффект. Потребляе­мую из сети и выдаваемую в сеть реактивную энергию рассчи­тывают по формуле



где xd — поперечное индуктивное сопротивление статора. Положительное значение соответствует потреблению реактивной энергии из сети, отрицательное — выдаче реактивной энергии в сеть.
^ 2.4 Преимущества и недостатки синх­ронных двигателей
Преимущество синхронных двигателей перед асинхронными состоит в том, что благодаря возбуж­дению от независимого источника постоянного тока они работают при высоком коэффициенте мощности (до соsφ = 1) и даже с опережающим током. Это обстоятельство по­зволяет увеличивать cosφ всей сети. Кроме того, работа двигателя с высоким cosφ обеспечивает уменьшение потреб­ляемого тока и потерь в синхронном двигателе по сравне­нию с асинхронным той же мощности и, следовательно, бо­лее высокий КПД. Наконец, вращающий момент синхрон­ного двигателя пропорционален напряжению сети Uc в первой степени, в то время как у асинхронного дви­гателя он пропорционален U2c. Поэтому при понижении на­пряжения в сети синхронный двигатель сохраняет большую перегрузочную способность, чем асинхронный, и, следова­тельно, обладает большей надежностью.

Вместе с тем синхронный двигатель сложнее по конст­рукции, чем асинхронный той же мощности, и поэтому до­роже. Синхронные двигатели должны иметь источник по­стоянного тока (специальный возбудитель или выпрями­тель), пуск у них протекает сложнее, чем у асинхронных. Частотное регулирование является единственным способом регулирования угловой частоты вращения ротора синхрон­ного двигателя.

Тем не менее преимущества синхронных двигателей на­столько велики, что при мощностях свыше 100 кВт их це­лесообразно применять всюду, где не требуется часто оста­навливать и пускать механизмы или регулировать их ско­рость. В настоящее время они применяются для привода преобразовательных агрегатов, компрессоров, насосов, вен­тиляторов, мельниц, дробилок, нерегулируемых прокатных станов и т. п.

Отечественная промышленность выпускает трехфазные синхронные двигатели мощностью от 20 кВт до нескольких десятков тысяч киловатт при частотах вращения от 100 до 1000 об/мин в явнополюсном исполнении и при 1500, 3000 об/мин — в неявнополюсном, с различным исполнением по способу защиты от внешних воздействии (открытое, защищенное, закрытое и т. д.), с различным рабочим положением вала (горизонтальные, вертикальные) и с различными системами возбуждения: от генератора постоянного тока, расположенного на одном валу с двигателем, от тиристор-ных выпрямителей и т. д.

Рис. 2.1. Устройство синхронной машины небольшой мощности:

1 – корпус; 2 – сердечник статора; 3 – обмотка статора; 4­ ­– ротор;

5 – вентилятор; 6 – выводы обмотки статора; 7 – контактные кольца;

8 – щетки; 9 – возбудитель


Рис. 2.2. Схема синхронного двигателя


^ 3. Обзор литературы по теме РГР.
3.1 Учебные издания.

1. Введение  в   конструирование    электромеханических пре-образователей   энергии: учеб. пособие / Ф.Р. Исмагилов, Ю.В. Афанасьев,  А.В. Стыскин.– М.:   Изд-во МАИ, 2006. –130с.: ил.

  Даются общие вопросы конструирования и сведения о конструировании основных элементов электромеханических преобразователей с примерами расчета. Приведены теоретические сведения, задания и примеры расчета размерных цепей.
2. Расчет и конструирование электрических машин: Кацман М.М.- . М. : Энергоатомиздат, 1984.- 360 с.: ил.

Изложены вопросы электромагнитного, механического, теплового и вентиляционного расчетов и основы конструирования асинхронных и синхронных машин и машин постоянного тока общего назначения. Приведены расчетные формулы и необходимые для практических расчетов вспомогательные материалы.
3. Ускоренные испытания на надежность обмоток статора и ротора синхронных генераторов / З. А. Беллуян // Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ] / Томский политехнический университет (ТПУ) . — 2004 . — Т. 307, № 2 .

Предложена методика выбора параметров форсированного режима и обоснованы верхние границы факторов при проведении ускоренных испытаний обмоток статора и ротора синхронных генераторов. Приведены результаты ускоренных испытаний конкретных генераторов и получено уравнение регрессии. Методика может быть использована для любых электротехнических изделий при соответствующих планах испытаний
4. Динамические характеристики синхронного гибридного электродвигателя / О. П. Муравлев, А. И. Верхотуров, В. В. Големгрейн // Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ] / Томский политехнический университет (ТПУ) . — 2005 . — Т. 308, № 7 .

Проведено математическое моделирование переходных электромеханических процессов. Оценено влияние параметров двигателя на динамические характеристики. Приведены рекомендации по разработке и созданию синхронных гибридных двигателей, обладающих высокой динамической устойчивостью работы
5. Адаптируемая математическая модель систем возбуждения синхронных машин / А. С. Гусев, С. В. Свечкарев, И. Л. Плодистый // Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ] / Томский политехнический университет (ТПУ) . — 2005 . — Т. 308, № 7.

Представлены результаты синтеза адаптируемой математической модели систем возбуждения синхронных машин, позволяющей адекватно воспроизводить разнообразные системы возбуждения с различными законами регулирования. Приведены сведения о практической проверке математической модели

    1. Обзор статей из периодических изданий.




  1. «Электричество», 2010-12

^ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО И ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЕЙ СИНХРОННОГО ВЕТРОГЕНЕРАТОРА МОЩНОСТЬЮ 1,5 МВТ С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ

Исследовано три варианта конструкции синхронного ветрогенератора мощностью 1,5 МВт с возбуждением от постоянных магнитов и полупрямой передачей. Методом конечных элементов решена двухмерная задача распределения магнитного поля в режимах холостого хода и нагрузки, определен гармонический состав радиальной составляющей магнитной индукции в воздушном зазоре, установлено влияние размеров ротора и постоянных магнитов на магнитную индукцию в воздушном зазоре. Выполнены расчет и анализ теплового состояния обмотки статора, корпуса и ротора для трех вариантов конструкции ветрогенератора. Представлены расчетные и экспериментальные данные исследования электромагнитного и температурного полей опытного образца ветрогенератора аналогичной конструкции малой мощности. Сделаны аргументированные выводы о применимости предлагаемого метода для расчета синхронных ветрогенераторов мегаваттного класса.


  1. «Электричество», 2009-1

^ ФУНКЦИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ С УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПОПЕРЕЧНОЙ ОБМОТКОЙ НА РОТОРЕ

Рассмотрен подход и определены требования к автоматическому регулированию возбуждения (АРВ) как средству принужденного изменения электромагнитных параметров синхронной машины с емкостным сопротивлением в цепи статора, требуемого для предотвращения развития емкостного самовозбуждения. Получены аналитические выражения возможных для подавления самовозбуждения функций АРВ по продольной (APB-d) и поперечной (APB-q) осям синхронной машины. Для синхронной машины с управляющей поперечной обмоткой на роторе приведены результаты расчетов на АВМ по оценке эффективности отдельных из них для устранения асинхронного и репульсионно-синхронного самовозбуждения.


  1. «Электричество», 2009-3

^ РАСЧЕТНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТЫ СИНХРОННЫХ МАШИН С РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ МАГНИТАМИ

Расчетные коэффициенты, необходимые для про ектирования синхронных машин с тангенциальными и радиальными редкоземельными магнитами, получены в результате анализа магнитных полей методом гар монического анализа сложных активных зон электро механических преобразователей энергии. Представле ны зависимости расчетных коэффициентов от гео метрических размеров активных зон. Результаты аналитических исследований сопоставлены с данными конечно элементного анализа.


  1. «Электротехника»2010-3

^ СИНХРОННЫЕ РЕАКТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ С ПОНИЖЕННОЙ МАГНИТНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ ПО ПОПЕРЕЧНОЙ ОСИ

Определены основные энергетические харак теристики синхронных реактивных двигателей (СРД) со слоистыми роторами, характеризу ющимисяпониженной магнитной проводимо стью по поперечной оси, с использованием нели нейных каскадных схем замещения. Отмечено, что данные СРД характеризуютсяболее высоки ми энергетическими показателями, чем асин хронные двигатели сопоставимого габарита.

  1. «Электротехника»2009-7

^ НЕКОТОРЫЕ ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧНОСТИ И НАДЁЖНОСТИ СИСТЕМ ВОЗБУЖДЕНИЯ КРУПНЫХ СИНХРОННЫХ МАШИН

Предложена замена двухобмоточного трансформатора системы возбуждения синхронной машины с вентильной обмоткой на полное форсировочное напряжение и номинальный ток трёхобмоточным трансформатором с двумя вентильными обмотками: рабочей и форсировочной, каждая из них включена на свой преобразовательный мост, напряжения которых на время форсировки суммируются, что позволяет: - уменьшить мощность преобразовательного трансформатора, - улучшить формы кривых тока и напряжения на входе и выходе преобразователей, - снизить потери в трансформаторе и пиковые напряжения на роторе и обратные напряжения на тиристорах и др.


  1. Патенты и изобретения.




  1. ^ УСТРОЙСТВО ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ МАШИН

Имя изобретателя: Галиновский А.М.,

Ленская Е.А.,

Жирнов А.В.,

Ивко А.Т.,

Матросов В.И.

Имя патентообладателя: П "Сургутгазпром"

Дата начала действия патента: 18.04.1996

Использование: устройство относится к электротехнике, а именно к системам возбуждения, и может быть использовано для обеспечения устойчивости синхронных электрических машин путем форсирования тока возбуждения, Сущность: в устройстве возбуждения синхронной машины для уменьшения расчетной мощности, уменьшения потерь источника питания обмотка возбуждения разделена на две независимые параллельные ветви, каждая из которых через мостовую схему выпрямления подсоединена к m-фазному источнику питания, причем катодная группа одного мостового выпрямителя через два встречно включенных вентиля соединена с анодной группой другого мостового выпрямителя, а точка соединения анода и катода встречно включенных вентилей соединена с нулевой точкой источника питания.

  1. ^

    УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТОРМОЖЕНИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ


Патент Российской Федерации

Суть изобретения: Изобретение предназначено для применения в высокоскоростных электроприводах с большим моментом инерции механизма, например в приводах лентопротяжных механизмов, центрифуг. Технический результат - повышение эффективности тормозного режима. В нулевой провод статорных обмоток двигателя подключены катушка механического тормоза и конденсатор, а между концами статорных обмоток - симистор с блоком управления. Предложенная схема позволяет обеспечить двухступенчатое торможение, включающее режим противовключения и механического торможения. Кроме того, наличие механического тормоза исключает возможность реверса по окончании режима торможения. 1 ил.

Номер патента: 2152123 Класс(ы) патента: H02P3/26 Номер заявки: 96121746/09 Дата подачи заявки: 12.11.1996 Дата публикации: 27.06.2000 Заявитель(и): Ульяновский государственный технический университет Автор(ы): Дмитриев В.Н. Патентообладатель(и): Ульяновский государственный технический университет.

  1. ГОСТы.




  1. ГОСТ 18200-90. Машины электрические вращающиеся мощностью свыше 200 КВа. Двигатели синхронные. Общие технические условия.



2. ГОСТ 21558-2000. Системы возбуждения турбогенераторов, гидрогенеоаторов и синхронных компенсаторов. Общие технические условия.

Настоящий стандарт распространяется на системы возбуждения, предназначенные для возбуждения автоматически регулируемым постоянным током в нормальных и аварийных режимах турбогенераторов, гидрогенеоаторов и генеоаторов-двигателей и синхронных компенсаторов, изготовляемых по ГОСТ 533,ГОСТ 609 и ГОСТ 5616.

6. Рассчеты.

6.1. Главные размеры

К главным размерам электрических машин переменного тока относят внутренний диаметр D1 и длину 1 сердечника статора; к главным размерам машин постоянного тока — наружный диаметр Dн2 и длину 2 сердечника якоря. Указанные размеры называются главными, так как они определяют прочие размеры машин. От главных размеров зависят габариты, масса и другие технико-эко­номические показатели машин.

Определим связь главных размеров с частотой вращения, элек­тромагнитными нагрузками (линейной нагрузкой и магнитной ин­дукцией в воздушном зазоре), а также с другими параметрами машин. У машины переменного тока расчетная (внутренняя) мощ­ность (В·А)

= (1-1)

где m1 число фаз обмотки статора; E1 — ЭДС фазы обмотки статора асинхронных двигателей, у синхронных машин Е1 = Е, т. е. ЭДС, индуктированной в фазе обмотки статора результирую­щим магнитным потоком воздушного зазора; 1— ток фазы об­мотки статора.

Учитывая, что

= (1-2)

(1-3)

(1-4)

(1-5)

(1-7)

Здесь kФ — коэффициент формы кривой поля, представляющий отношение действующего значения ЭДС к среднему; f — частота тока в сети, Гц; kобм1 — коэффициент обмотки статора основной гармонической кривой ЭДС; — число последовательно соеди­ненных витков фазы обмотки статора; Ф — магнитный поток, Вб; p — число пар полюсов машины; n1—синхронная частота враще­ния, об/мин; а' — расчетное отношение среднего значения индук­ции в воздушном зазоре к ее максимальному значению; — рас­четная длина сердечника статора, мм; В6 — максимальное значе­ние магнитной индукции в воздушном зазоре, Тл; A1—линейная нагрузка обмотки статора, А/см; D1 — диаметр, мм.

Зависимость (1-7) может быть представлена в виде

(1-8)

Здесь

(1-9)

—машинная постоянная Арнольда, мм3, (об/мин) /(В -А).

Величину Кд, обратную машинной постоянной СА, называют коэффициентом использования машины [В-А/(мм3-об/.мин)]

(1-10)

Величины СА и КА характеризуют уровень использования ак­тивных материалов, к которым относятся медь и алюминий обмо­ток, а также сталь магнитопровода машин.

Расчетная мощность (В·А) для двигателей перемен­ного тока

(1-11)

для генераторов переменного тока

(1-12)

Здесь U1— номинальное фазное напряжение, В; P1 — подводимая мощность, В-А; Р2 — отдаваемая мощность, Вт; и cos — КПД и коэффициент мощности при номинальной нагрузке, о. е

Для асинхронных двигателей kн1/U1, для синхронных ма­шин

У асинхронных двигателей для удобства расчета принимаем значение магнитного потока основной гармоники индукции; соот­ветственно коэффициент формы поля для синусоиды , а а'=2/, тогда (1-7), (1-9) и (1-10) примут следующий вид:

(1-13)

(1-14)

(1-15)

Расчетная мощность (Вт) у машин постоянного тока

(1-16)

где Е2 и I2- ЭДС и ток якоря.

Учитывая, что

(1-17)

(1-18)

(1-19)

(1-20)

расчетная мощность

(1-21)

Здесь p- число пар полюсов; а- число пар параллельных ветвей обмотки якоря; n-частота вращения при номинальной нагрузке, об/мин; - общее число витков обмотки якоря; Ф- магнитный поток в якоре, Вб; - расчетный коэффициент полюсной дуги, равный отношению расчетной полюсной дуги к полюсному делению; - расчетная длина сердечника якоря, мм; Dн2 – диаметр, мм; А2- линейная нагрузка обмотки якоря, А/см.

Зависимость (1-21) может быть представлена в виде

(1-22)

где

(1-23)

- машина постоянная, мм3· (об/мин) / Вт;

(1-24)

-коэффициент использования машины, Вт/ (мм3·об/мин).

Расчетная мощность (Вт) для двигателей постоянного тока

(1-25)

для генераторов постоянного тока

(1-26)

Здесь U и I- напряжение (В) и ток (А) сети; k=E2/U; k=.

Отношение /n пропорционально расчетному вращающему моменту Следовательно, машинная постоянная СА в (1-9), (1-14) и (1-23) пропорциональна объему сердечника, приходящемуся на единицу момента вращения, а коэффициент использования КА в (1-10), (1-15) и (1-24) – расчетному моменту вращения, приходящемуся на единицу объема сердечника. Чем меньше значения СА или чем больше значение КА , тем меньше размеры сердечника статора или якоря и тем выше использование машины.

Значения kобм1 для машин переменного тока и для машин постоянного тока изменяются в достаточно узких пределах, поэтому при заданных мощности и частоте вращения объем сердечника машины зависит в основном от электромагнитных нагрузок. Чем больше А и , тем меньше главные размеры и выше использование активных материалов в машине. Однако увеличение электромагнитных нагрузок, сопровождаемое повышением температуры активных частей машины, ограничивается классом нагревостойкости изоляции. При выборе электромагнитных нагрузок следует также учитывать, что отношение А/ должно быть в определенных пределах, так как его значение влияет на технико-экономические показатели машин переменного тока – КПД, cos, пусковые характеристики и массу, а в машинах постоянного тока – КПД, регулировочные свойства, коммутационные показатели и массу машины.

Одно и тоже значение для машин переменного тока или для машин постоянного тока может быть получено при разных значениях и , а следовательно, при разных отношениях . Отношение влияет на массу, динамический момент инерции вращающейся части, энергетические и другие технико-экономические показатели машины.

Влияние это может быть различным и порой противоречивым, например, при увеличении , т. е. при уменьшении и увеличении падает динамический момент инерции, ускоряется процесс пуска и торможения двигателя и соответственно, снижаются потери, возникающие при этом процессе. При увеличении уменьшаются масса лобовых частей обмоток и потери в них. Следовательно, у машин с большими значениями масса, приходящаяся на единицу мощности или момента вращения, снижается, а КПД растет.

Вместе с тем у вентилируемых машин с большими значениями ухудшаются условия охлаждения и может возникнуть необходимость в увеличении диаметра вала для обеспечения его достаточной жесткости и прочности. При достижении больших значений может возрасти трудоемкость изготовления, а следовательно, и себестоимость машины.

Выбор отношения не является однозначной задачей; ее решению содействуют установленные практикой рациональные пределы максимальных значений .

Так как ряд высот оси вращения h стандартизован, то проектирование производится двумя способами.

^ Способ первый. С применением (при выбранном h) максимального допускаемого диаметра сердечника Dn max , такая машина может не быть оптимальной по своим технико-экономическим показателям, но зато будет иметь предельно допускаемую мощность при выбранном h. В практике современного электромашиностроения наблюдается тенденция максимального снижения высоты оси вращения электродвигателей h при заданных мощности Р2 , частоте вращения n. Основной причиной этого являются большие удобства потребителей при соединении электродвигателей с приводимыми механизмами, имеющими меньшие габариты, чем электродвигатели, а также при встраивании электродвигателей в станки и другие механизмы. Понижение высоты оси вращения уменьшает механическую инерционность роторов и якорей, а, следовательно, повышает динамические свойства двигателей. Указанная тенденция снижения и распространяется также на генератор

Учитывая, что снижение h при заданных значениях Р2 и n увеличивает длину машины, причем может выйти за допустимые рациональные пределы, следует при выбранной стандартной высоте оси вращения h проектировать машины с наибольшим допустимым наружным диаметром корпуса Dкорп, обеспечивающим минимально допустимое расстояние h1 от нижней части корпуса машины до опорной плоскости лап (рис. 6.1).


Рис. 6.1. К определению Dкорп и Dн1 машин переменного и постоянного

тока с шихтованным сердечником статора.

Если при этом значение будет мало, следует переходить на ближайшую меньшую, а при высоких значениях —на ближайшую большую стандартную величину h. Этот способ проектирования не требует расчетных вариантов.

^ Способ второй. С применением (при выбранном h) диаметра сердечника , обеспечивающим оптимальные технико-экономические показатели машины (см. гл. 7 и 8), такой способ проектирования требует расчета либо на ЭВМ, либо «ручного» расчета ряда вариантов с различными значениями . При расчетах должно обеспечиваться условие . Расчеты показали, что разница в технико-экономических показателях оптимального варианта и машины с относительно невелика. Поэтому в настоящей книге рассматривается как основной вариант расчета машин с .

Максимально допустимый наружный диаметр корпуса (мм)

(1-27)

Для машин переменного тока, у которых сердечник статора заключен в литую станину, максимально допустимый наружный диаметр сердечника статора (мм)

(1-28)

где h2 — высота (толщина) стенки станины, мм [ при радиальной системе вентиляции размер h2 представляет собой сумму несколько уменьшенной высоты стенки станины и высоты ребра, к которому примыкает наружная поверхность сердечника].

Для машин постоянного тока с монолитной станиной (рис. 6.2), являющейся частью магнитопровода, максимально допустимый наружный диаметр (мм)

(1-29)


Рис.6.2. К определению Dкорп и Dн1 машин Постоянного тока с монолитной станиной.

При выполнении машин постоянного тока с шихтованной станиной наружный диаметр определяют по (1-28). Значения h1 и h2=f(h) приведены на рис 6.3.

Рис. 6.3. Значения h1 и h2=f(h).
Внутренний диаметр сердечника статора D1 и наружный диаметр сердечника якоря Dн2 находятся в определенных соотношениях с Dн1, зависящих от числа главных полюсов машины 2р и диаметра Dн1 .

После выбора D1 или Dн2 определяют из (1-13) расчетную длину сердечника статора асинхронного двигателя (мм)

(1-30)

из (1-7) расчетную длину сердечника синхронной машины (мм)

(1-31)

а из (1-21) расчетную длину сердечника якоря машины постоянного тока (мм)

(1-32)

Конструктивную длину сердечника статора или сердечника якоря при отсутствии в сердечнике радиальных вентиляционных каналов принимают равными расчетным длинам или . При наличии радиальных вентиляционных каналов

(1-33)

(1-34)

где nk и - число и длина (ширина) каналов.


^ 6.2 Расчет магнитной системы

Расчет магнитной цепи вращающихся электрических машин основан на тех же принципах, что и расчет магнитной цепи трансформатора; его цель — найти связь между значениями магнитного потока и тока обмотки, которая создает этот поток.

Различие между магнитными расчетами трансформатора и вращающейся машины определяется разницей в конструкциях; в машине имеется воздушный зазор между статором и ротором, главным образом и определяющий магнитное сопротивление; кроме того, машина имеет более сложную конфигурацию отдельных частей магнитопровода (зубцов ротора и статора и т. д.).

Принцип расчета. Магнитный поток в электрических машинах может создаваться обмотками, по которым проходит переменный ток (асинхронные машины) или постоянный ток (синхронные машины и машины постоянного тока). Эти обмотки могут быть сосредоточенными или распределенными по окружности статора или ротора. Соответственно различают машины с явно выраженными (рис. 6.4, а) и неявно выраженными (рис. 6.4, б) полюсами.

Рис. 6.4. Магнитные поля электрических машин с явно выраженными (а) и неявно выраженными (б) полюсами


Рис. 6.5. Расчетные схемы магнитной системы электрической машины


При холостом ходе магнитное поле многополюсной машины симметрично, т. е. магнитные потоки всех полюсов одинаковы, и их магнитные линии проходят через одинаковые участки магнитной цепи. Это позволяет вести расчет на пару полюсов.

Расчет магнитной системы машин переменного и постоянного тока проводят по одной и той же методике на основании закона полного тока. Магнитодвижущие силы обмотки, создающей магнитный поток возбуждения, определяют для части магнитной системы, ограниченной двумя осями симметрии полюсов.
Машины с явно выраженными полюсами (рис. 6.4, а) характеризуются тем, что магнитную цепь разбивают на характерные участки: воздушный зазор, зубцовый слой, сердечники полюсов, ярма статора и ротора. В данном случае закон полного тока имеет вид


где FB — МДС (на пару полюсов) обмотки, создающей магнитный поток возбуждения; Fδ, Fz, Fm, Fa1, Fa2 — магнитные напряжения соответственно в воздушном зазоре, зубцовом слое, сердечниках полюсов, ярмах статора и ротора.

Машины с неявно выраженными полюсами характеризуются тем, что в магнитной системе отсутствуют сердечники полюсов, но имеются два зубцовых слоя на статоре и роторе (рис. 6.5, б). При этом


где Fzl и Fz2 — магнитные напряжения в зубцовых слоях статора и ротора.

Ниже приведена методика определения магнитных напряжений на каждом из участков магнитной цепи.



Рис. 6.6. Кривые распределения магнитной индукции в воздушном зазоре при гладком (а) и зубчатом (б) якорях
Магнитное напряжение в воздушном зазоре. При неизменном воздушном зазоре между ротором (или статором) и сердечником полюса (что характерно для многих синхронных машин и машин постоянного тока) распределение индукции в воздушном зазоре имеет вид криволинейной трапеции 1 (рис. 6.6, а). При определении магнитного напряжения в зазоре действительное распределение индукции заменяют прямоугольным 2, предполагая индукцию неизменной на некоторой теоретической дуге bi. Дуга bi должна быть выбрана так, чтобы поток полюса, пропорциональный площади, ограничиваемой кривой индукции, остался неизменным. Обычно bi мало отличается от конструктивной длины полюсной дуги bпд: при равномерном воздушном зазоре можно считать, что bi = bпд + 2δ (где δ — воздушный зазор), а при полюсном наконечнике со скошенными краями bi≈bпд. Отношение α=bj/τ называют коэффициентом полюсного (магнитного) перекрытия.

Магнитное напряжение в воздушном зазоре определяют по значению потока, проходящего через зазор из статора в ротор (или наоборот):

где lt — продольная расчетная (активная) длина воздушного зазора; Βδ — индукция в воздушном зазоре (при номинальном режиме Вδ изменяется от 0,6 до 1,1 Тл, причем большие значения соответствуют машинам большей мощности).
Из (4.30) следует, что при заданной индукции Вδ в воздушном зазоре с увеличением коэффициента полюсного перекрытия αi, возрастает и магнитный поток Ф. Однако при значительном увеличении af сильно возрастает поток рассеяния Φδ, который замыкается через ярмо и сердечники полюсов, минуя якорь (см. рис. 6.5, а). Обычно αi = 0,6...0,8, причем меньшие значения соответствуют машинам меньшей мощности.
Напряженность магнитного поля в воздушном зазоре


а магнитное напряжение (на два воздушных зазора)

где Φδ = δi —длина отрезка расчетной магнитной линии в воздушном зазоре.
При наличии зубцов на роторе или статоре длина расчетной магнитной линии в зазоре δi больше расстояния δ между ротором и статором, так как магнитные линии в зазоре искривлены (рис. 6.6, б). Это обстоятельство учитывается путем введения в расчет некоторого коэффициента kδ, называемого коэффициентом воздушного зазора или коэффициентом Картера (по имени английского ученого, впервые установившего количественную связь между средней длиной магнитной линии в зазоре и конфигурацией зубцового слоя), поэтому δi = kδδ.
Значение kδ при наличии зубцов только на роторе или статоре машины можно определить по формуле kδ = =t1/(t1-γδ), где t1 зубцовое деление; γ = (b0/δ)2/(5+b0/δ) при b0/δ>1; b0 — ширина шлица паза (при полузакрытых и полуоткрытых пазах); при открытых пазах bо принимают равным ширине паза bп.

Если зубцы имеются на роторе и статоре (асинхронные машины, машины постоянного тока с компенсационной обмоткой, синхронные машины с успокоительной обмоткой), то

где kδ1 и kδ2 — коэффициенты воздушного зазора для ротора и статора.



Рис. 6.7. Кривые распределения магнитной индукции в воздушном зазоре у краев ротора и статора (а) и при наличии радиальных вентиляционных каналов (б)

При определении индукции Вδ и напряженности Нδ магнитного поля в воздушном зазоре расчетную (активную) длину зазора следует вычислять с учетом различных конструктивных длин статора lа1 и ротора lа2 (рис. 6.7, а) и наличия радиальных вентиляционных каналов (рис. 6.7, б). Обычно принимают, что расчетная длина li=0,5(lа1 + lа2)· При наличии в роторе или статоре пк





Рис. 6.8. Зубцовые слои ротора и статора (а...в)

вентиляционных каналов шириной bк за эквивалентную длину соответствующей части машины принимают , где l—конструктивная длина этой части.

Зависимость величины Fδ от индукции Вδ (или от Ф) является линейной, так как μο = const. Обычно при номинальном режиме работы машины Fδ = (0,7...0,9)FB.

Магнитное напряжение в зубцовом слое. В зубцах ротора и статора индукция значительно больше, чем в воздушном зазоре. В слое, прилегающем к воздушному зазору,

где γ = 0,9...0,93 — коэффициент заполнения объема якоря сталью, учитывающий наличие изоляции между листами; bz — ширина зубца в данном месте.

При полузакрытых пазах овальной или трапецеидальной формы (рис. 6.8, а) зубцы имеют параллельные стенки, вследствие чего индукция Βz неизменна по всей высоте зубца. В таком зубце постоянна и напряженность магнитного поля Hz, которая определяется по подсчитанному значению Βz на основании кривой намагничивания для данной марки стали.

При прямоугольных пазах зубцы приобретают клинообразную форму, при которой индукция в зубцах увеличивается по мере приближения к основанию паза ротора (рис. 6.8, б) и к головке зубца статора (рис. 6.8, в).

При определении магнитного напряжения в зубцовом слое, когда индукция в зубцах превышает 1,8 Тл, следует учитывать, что поток Фt зубцового деления (рис. 6.9, а) из-за большого магнитного насыщения зубцов делится на две части, одна из которых (зубцовый поток Φz) проходит через зубец, а вторая (пазовый поток Фп) — через паз. При этом для любого сечения зубцового слоя на расстоянии x от дна паза



Рис. 6.9. Кривые распределения магнитных потоков в зубцовом слое (а) и построение зависимостей (б):
Bz=f(Hz) и Вz=f(Нz)

Разделим обе части (4.30) на площадь Szx поперечного сечения зубца в данном месте (за вычетом площади изоляционных прокладок между листами): Φt/Szx=Фzx/Szx+Фпх/Szx. При этом Φzx и Фпx изменяются по высоте зубца с изменением площади Szx и условий насыщения.

Величину Φt/Szx = Β'zx можно рассматривать как некоторую фиктивную (расчетную) индукцию в зубце. Действительная индукция в зубце Βzx=Φzx/Szx, а индукция в пазу Bпх=Фпх/Sпx; следовательно,

где kz = Snx/Szx — зубцовый коэффициент, зависящий от геометрических размеров зубца и паза в данном сечении; Нпх — напряженность магнитного поля в пазу на расстоянии x от дна.

Таким образом,


Практически напряженность магнитного поля в пазу мало изменяется по ширине паза, и, следовательно, можно принять, что на любом расстоянии x от дна паза напряженности магнитного поля в пазу Нпх и в зубце Ηzx одинаковы. Это допущение позволяет весьма просто получить зависимость между расчетной индукцией и напряженностью магнитного поля в зубцах (рис. 6.9, б). Задаваясь напряженностью магнитного поля в зубце Hzx, по кривой намагничивания стали можно построить график действительной индукции в зубце Bz=f(Hz), а затем по формуле (4.36) —график расчетной индукции Bz=f(Hz) для некоторого постоянного значения kz.

Практически напряженность поля в зубцах Hz определяют по номограмме (рис. 6.10), построенной для изотропной стали для всех встречающихся на практике значений kz.


Рис. 6.10. Номограмма для определения напряженности Hz магнитного

поля в зубцах, выполненных из электротехнической стали по значению расчетной индукции В'z.

Чтобы найти магнитное напряжение в зубцовом слое, зубец разделяют по высоте на несколько участков величиной Δ/hz и для каждого участка вычисляют индукцию Β'z и напряженность Ηz. Затем строят кривую изменения напряженности поля Ηz вдоль высоты зубца (рис. 6.9, а) и вычисляют магнитное напряжение


При расчете Fz за величину Szx принимают только площадь, приходящуюся на стальные листы (не учитывая изоляционные прокладки между ними). При клинообразных зубцах на различных участках зубца из-за изменения Szx изменяется не только расчетная индукция B'z, но и коэффициент kz.

Часто используют упрощенный прием, при котором в качестве расчетной эквивалентной напряженности магнитного поля в зубце Hzэкв принимают ее значение, вычисленное по формуле Симпсона для трех сечений (верхнего, нижнего и среднего):

При этом

В ряде случаев за эквивалентную расчетную величину напряженности магнитного поля в зубце Нzэкв принимают ее значение для сечения зубца, расположенного на 1/3 его высоты (считая от наиболее узкого места). Этот способ менее точен.

Обычно для машин переменного тока общепромышленного исполнения при номинальном режиме индукция в зубцах с параллельными стенками Bz= 1,4... 1,8 Тл; в клиновидных зубцах Bzmax = 2,0...2,2 Тл. В машинах постоянного тока эти значения обычно выше на 5... 10%.

Магнитное напряжение в полюсах, ярмах ротора и статора. В машинах с явновыраженными полюсами расчетный магнитный поток в ярмах ротора и статора может иметь различные значения в зависимости от места установки полюсов. Если полюсы расположены на роторе (обычно у синхронных машин), через низ и ярмо ротора замыкается не только полезный поток Ф, но и поток рассеяния Φσ. Поэтому для полюсов и ярма ротора расчетным потоком является суммарный поток:

где σ=1+Φσ/Φ — коэффициент магнитного рассеяния.

Для ярма статора (якоря) расчетным потоком является поток Ф.

Если полюсы расположены на статоре (обычно у машин постоянного тока), расчетным потоком для них и ярма статора является поток σΦ, а для ярма ротора — поток Ф. Определение потока рассеяния Φσ в явнополюсных машинах является весьма сложной задачей, которая решается достаточно точно путем построения картины магнитного поля. Обычно коэффициент рассеяния σ= 1,1... 1,2.

Чтобы найти магнитные напряжения Fal и Fа2 в ярмах статора и ротора, необходимо построить для них картины магнитного поля, так как магнитный поток, проходящий через различные сечения вдоль средней магнитной линии ярма, в общем случае неодинаков. Например, при распределенной обмотке (в асинхронных двигателях) наибольший поток в ярмах статора и ротора имеется в среднем сечении 1—1 (рис. 6.11, а). Такое же распределение потока характерно для статоров синхронных машин и роторов машин постоянного тока. В статорах машин постоянного тока и роторах явнополюсных синхронных машин поток по длине средней линии ярма изменяется мало.


Рис. 6.11. Магнитные поля в ярмах статора и ротора (а) и в полюсе (б)
При практических расчетах часто пренебрегают неравномерностью распределения магнитного поля в ярмах статора и ротора и принимают, что индукция в них постоянна по всему сечению и неизменна вдоль средней магнитной линии ярма. В этом случае магнитные напряжения Fa1 и Fa2 определяют путем вычисления магнитных индукции Ва1 и Ва2 и установления расчетных длин средних магнитных линий Lal и La2 для этих частей машины (они определяются по геометрическим размерам статора и ротора без учета поперечного сечения вала):

где На1 и На2 — напряженности магнитного поля в ярмах статора и ротора, которые принимаются постоянными.

Некоторая неточность при определении магнитных напряжений Fal и Fa2 без построения картин поля мало влияет на МДС FB, так как индукция в ярмах ротора и статора невелика. Обычно она равна 1,2... 1,4 Тл, а магнитное напряжение в них составляет 5... 10% от значения FB.
Магнитное поле в сердечнике полюса также распределено довольно равномерно (рис. 6.11,6), и можно считать, что индукция Вт и напряженность в нем магнитного поля Нт постоянны вдоль высоты hm, а расчетная длина магнитной линии равна hm. При этом

При номинальном режиме индукции в сердечниках полюсов составляют Bm=1,3...1,6 Тл. Однако в некоторых случаях в полюсных наконечниках могут иметься значительные насыщения, влияющие на распределение магнитного потока в воздушном зазоре под краями полюсов.

Ток возбуждения и намагничивающий ток. Если магнитный поток машины создается обмоткой возбуждения, питаемой постоянным током, то необходимый ток возбуждения определяется по известному значению МДС величины FB на пару полюсов:

где wB — число витков обмотки возбуждения.

При создании магнитного потока многофазной обмоткой, питаемой переменным током, амплитуда намагничивающего тока в фазе


Рис. 6.12. Магнитные характеристики электрических машин

где wф и kоб.ф — число витков в фазе и обмоточный коэффициент данной обмотки; т — число фаз.
Действующее значение намагничивающего тока

где kμ — коэффициент, зависящий от степени насыщения магнитной системы (при ненасыщенной машине kμ = 0,707; по мере насыщения коэффициент уменьшается до значений kμ = 0,5...0,4).

Магнитная характеристика. На рис. 6.12, а приведена типичная магнитная характеристика Ф=f(FB) в относительных единицах для электрических машин с явновыраженными полюсами (синхронных машин и машин постоянного тока). Ее можно построить по результатам расчета магнитной системы машины при различных значениях магнитного потока. На магнитной характеристике резко выражен начальный прямолинейный участок, что обусловлено наличием сравнительно большого воздушного зазора, для которого характерна линейная зависимость магнитного напряжения от магнитного потока Ф. При сравнительно малых значениях магнитного потока, а следовательно, и магнитной индукции в ферромагнитных участках магнитной системы магнитными напряжениями на этих участках можно пренебречь и считать, что FB≈Fδ. По мере увеличения магнитного потока магнитные сопротивления стальных участков возрастают, особенно сильно зубцового слоя. При индукции в зубцах, примерно равной 1,6 Тл, зависимость Ф=f(FB) начинает отклоняться от прямолинейной.

В большинстве электрических машин точку a, соответствующую номинальному режиму, выбирают на криволинейном участке магнитной характеристики. При работе на линейном участке (т. е. при небольшой магнитной индукции) плохо используется сталь магнитной системы, а при больших насыщениях резко возрастает МДС обмотки, создающей магнитный поток, следовательно, число витков этой обмотки и поперечное сечение провода. Таким образом, ненасыщенная машина и машина с большим насыщением магнитной системы требуют повышенного расхода активных материалов.

Количественно степень насыщения магнитной системы характеризуется коэффициентом насыщения kнас, которых можно найти из магнитной характеристики (рис. 6.12, а) как отношение отрезка ab, соответствующего МДС Fв.ном, к отрезку be, отсекаемому продолжением прямолинейного участка магнитной характеристики. Для машин переменного тока kнас= 1,1...1,3; для машин постоянного тока kнac = 1,4...1,8. Применение несколько меньших коэффициентов насыщения в синхронных машинах по сравнению с машинами постоянного тока объясняется стремлением уменьшить магнитные потери в стали якоря и сократить число витков обмотки возбуждения.

Магнитные характеристики различных машин с одинаковыми коэффициентами насыщения, выраженные в относительных единицах, практически совпадают. Это означает, что все многообразие магнитных характеристик можно свести к одной кривой, выраженной в некоторых условных единицах. Такая универсальная кривая, полученная из магнитной характеристики реальной машины, изображена на рис. 6.12,б и соответствует приведенным ниже цифрам:

Если требуется построить магнитную характеристику для машины, имеющей, например, kнас=1,5, то поступают следующим образом. На универсальной магнитной характеристике (рис. 6.12, б) из начала координат проводят вспомогательную прямую, образующую с осью ординат угол γ2, тангенс которого в 1,5 раза больше тангенса угла γ1, образуемого прямолинейной частью универсальной магнитной характеристики с той же осью. Вспомогательная прямая пересекает универсальную характеристику в точке а, которая и соответствует номинальному режиму, т. е. в данном случае Ф*ном=12,3 (точка b) и F*в.ном= 11,85 (точка d).

В соответствии с полученными значениями Φ*ном и F*в.ном можно перестроить универсальную магнитную характеристику в характеристику, выраженную в относительных единицах с kнас=1,5, используя формулы Ф/Фв.ном= Ф*/Фв.ном и Fв/Fв.ном= F*в/F*в.ном. Построенные таким способом расчетные кривые дают погрешность не более 3%.
^

7.Список использованной литературы





  1. Гольдберг О.Д, Гурин Я.С, Свириденко И.С. "Проектирование электрических машин". Москва: "Высшая школа" 2001г.

  2. Алиев И.И. «Справочник по электротехнике и электрооборудованию». Ростов-на-Дону: «Феникс» 2003г.

  3. Электрические машины и микромашины: Учеб. для электротехн. спец. вузов/Д. Э. Брускин, А. Е. Зорохович, В. С. Хвостов. - 3-е изд., перераб. доп. - М.: Высш. шк., 1990. - 528 с.: ил.

  4. Материалы сети интернет.






Скачать файл (1448.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru