Лекция 2 - Конспекты (1095368), страница 13

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 13)

Чем медленнее вращается ротор, тем больше должно быть при заданной частоте тока число полюсов. Если, например, ротор вращается с частотой 300 об/мин, то число полюсов генератора, для получениячастоты переменного тока 50 Гц, должно быть 20.Обмотку возбуждения синхронного генератора обычно питают постоянным током от внешнего источника через контактные кольца на валу ротора.Раньше для этого предусматривался специальный генератор постоянного тока(возбудитель), жёстко связанный с валом генератора, а в настоящее время используются более простые и дешёвые полупроводниковые выпрямители.Встречаются и системы возбуждения, встроенные в ротор, в которыхЭДС индуцируется статорной обмоткой.

Если для создания магнитного полявместо электромагнитной системы использовать постоянные магниты, то источник тока возбуждения отпадает и генератор становится значительно прощеи надёжнее, но в то же время и дороже. Поэтому постоянные магниты применяют обычно в относительно маломощных генераторах (мощностью до нескольких сотен киловатт).При работе генератора переменного тока в нём возникают потери энергии, вызванные активным сопротивлением обмоток (потери в меди), вихревымитоками и гистерезисом в активных частях магнитной системы (потери в стали)и трением в подшипниках вращающихся частей (потери на трение).

Несмотряна то, что суммарные потери обычно не превышают 1-2% мощности генератора, отвод тепла, освобождающегося в результате потерь, может оказаться затруднительным. Если упрощённо считать, что масса генератора пропорцио84Электропитание РЭАГлава 2нальна его мощности, то его линейные размеры пропорциональны кубическомукорню мощности, а поверхностные размеры – мощности в степени 2/3.

С увеличением мощности, следовательно, поверхность теплоотвода растёт медленнее, чем номинальная мощность генератора.Номинальное напряжение синхронных генераторов, в зависимости отмощности, находится обычно в пределах от 400 В до 24 кВ. Использовались иболее высокие номинальные напряжения (до 150 кВ), но чрезвычайно редко.Кроме синхронных генераторов сетевой частоты (50 или 60 Гц) выпускаются и высокочастотные генераторы (до 30 кГц) и генераторы пониженной частоты (16,67 или 25 Гц), используемые на электрифицированных железных дорогах некоторых европейских стран.

Также генераторы переменного тока находят применение как резервные источники тока (рисунок 2.32).Рисунок 2.32 – Типовой дизель-генератор переменного токаКроме синхронных генераторов относительно редко и при относительномалых мощностях (до нескольких мегаватт) используют и асинхронные генераторы. В обмотке ротора такого генератора ток индуцируется магнитным полемстатора, если ротор вращается быстрее, чем статорное вращающееся магнитноеполе сетевой частоты. Необходимость в таких генераторах возникает обычнотогда, когда невозможно обеспечить неизменную скорость вращения первичного двигателя (например, ветряной турбины, некоторых малых гидротурбин).85Электропитание РЭАГлава 2У генератора постоянного тока магнитные полюсы вместе с обмоткойвозбуждения располагаются обычно в статоре, а обмотка якоря – в роторе.

Таккак в обмотке ротора при его вращении индуцируется переменная ЭДС, тоякорь необходимо снабжать коллектором (коммутатором), при помощи которого на выходе генератора (на щётках коллектора) получают постоянную ЭДС. Внастоящее время генераторы постоянного тока применяют редко, так как постоянный ток проще получать при помощи полупроводниковых выпрямителей.2.4.2 Трёхфазные системы электроснабженияВ общем случае электромашины переменного тока могут быть как однофазными, так и многофазными. Наибольшее применение находят трёхфазныегенераторы.Трёхфазная система электроснабжения – частный случай многофазныхсистем электрических цепей переменного тока, в которых действуют созданныеобщим источником синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые друготносительно друга во времени на определённый фазовый угол. В трёхфазнойсистеме этот угол равен 120°.Преимуществами трёхфазной системы электроснабжения являются:- экономичность передачи электроэнергии на значительные расстояния;- ме́ ньшая материалоёмкость трёхфазных трансформаторов;- ме́ ньшая материалоёмкость силовых кабелей, так как при одинаковойпотребляемой мощности снижаются токи в фазах (по сравнению с однофазными цепями);- уравновешенность системы (это свойство является одним из важнейших, так как в неуравновешенной системе возникает неравномерная механическая нагрузка на генератор, что значительно снижает срок его службы;- генераторы трёхфазного тока (асинхронные и синхронные) устроеныпроще, чем генераторы постоянного тока, одно- или двухфазные, и имеют высокие показатели экономичности;86Электропитание РЭАГлава 2- возможность получения в одной установке двух рабочих напряжений(фазного и линейного) и двух уровней мощности в зависимости от способа соединения.Благодаря этим преимуществам трёхфазные системы переменного токанаиболее распространены в современной электроэнергетике.Трёхфазная система электроснабжения состоит из трёх основных элементов: трёхфазного генератора, в котором механическая энергия преобразуется вэлектрическую с трёхфазной системой ЭДС; линии передачи; приёмников (потребителей), которые могут быть как трёхфазными, так и однофазными.Если ЭДС одной фазы (например, фазы A ) принять за исходную и считать её начальную фазу равной нулю, то выражения мгновенных значений ЭДСEA, EB, и EC генератора в каждой из фаз можно записать в виде:E A  Em sin t ,(2.14)2 EB  Em sin  t ,3 (2.15)2EC  Em sin  t 3(2.16),где Em – амплитудное значение напряжения фазы, а ω – циклическая частота.Формы ЭДС генератора в каждой из фаз приведены на рисунке 2.33.Рисунок 2.33 – Формы ЭДС в трёхфазном генераторе87Электропитание РЭАГлава 2Из графика на рисунке 2.33 следует, чтоE A  E B  EC  0 .(2.17)Векторная диаграмма трёхфазной системы ЭДС, у которой сопротивления потребителей равны между собой, показана на рисунке 2.33.Рисунок 2.34 – Векторная диаграмма трёхфазной сети с равнымисопротивлениями потребителейНа диаграмме (рисунок 2.34) вектор E A направлен вертикально, так какпри расчёте трёхфазных цепей принято направлять вертикально вверх ось действительных величин.

Из диаграммы также следует, что для трёхфазной системы, у которой сопротивления потребителей равны между собой, геометрическая сумма векторов ЭДС всех фаз равна нулю: E A  E B  EC  0 .Существуют различные способы соединения фаз трёхфазных системэлектроснабжения и трёхфазных потребителей электроэнергии.

Среди них наибольшее распространение получили:- соединение "звездой";- соединение "треугольником".Как правило, наиболее распространено соединение "звездой" с нейтральным проводом (четырёхпроводная схема). Однако следует иметь в виду, что вобщем случае способ соединения фаз источников и фаз потребителей в трёхфазных системах могут быть различными. Фазы источника обычно соединены88Электропитание РЭАГлава 2"звездой", фазы потребителей соединяют либо "звездой", либо "треугольником".Так как на практике нагрузка на разные фазы не является симметричной(подключается разная электрическая мощность или, например, активная нагрузка на одной фазе, а на другой реактивная или ёмкостная), то при соединении без нейтрального провода можно получить такое неприятное явление как"перекос фаз": например, лампы накаливания, подключенные к одной из фаз,слабо светятся, а на другие фазы подаётся чрезмерно большое электрическоенапряжение – и включенные приборы "сгорают".На рисунке 2.35а приведена схема соединения "звездой".

"Звездой" называют такое соединение, когда концы фаз обмоток генератора G соединяют водну общую точку N, называемую нейтральной точкой, или нейтралью. Концыфаз обмоток потребителя M также соединяют в общую точку. Провода, соединяющие начала фаз генератора и потребителя, называют линейными. Провод,соединяющий две нейтрали, называют нейтральным.Трёхфазную цепь, имеющую нейтральный провод, называют четырёхпроводной. Если нейтрального провода нет – трёхпроводной.Напряжение между фазным проводом и нейтралью (UА, UB, UС) называютфазным UФ. Напряжение между двумя фазными проводами (UAB, UBC, UCA) называют линейным UЛ. Если сопротивлением проводов можно пренебречь, тофазное напряжение в приёмнике считают таким же, как и в генераторе(UA = Ua, UB = Ub, UC = Uc). За условно положительные направления фазныхнапряжений принимают направления от начала к концу фаз.По аналогии с фазными и линейными напряжениями различают такжефазные и линейные токи:- фазные (IФ) – это токи в фазах генератора и приёмников;- линейные (IЛ) – это токи в линейных проводах.При соединении в "звезду" фазные и линейные токи равны: I Ф  I Л .89Электропитание РЭАГлава 2а)б)Рисунок 2.35 – Способы соединения трёхфазных систем электроснабжения:"звездой" (а) и "треугольником" (б)По первому закону Кирхгофа для нейтральной точки N имеем в комплексной формеIN  IA  IB  IC ,(2.18)где İA, İB, İC и İN – токи в каждой из фаз и в нейтральном проводе соответственно.В соответствии с выбранными условными положительными направлениями фазных и линейных напряжений можно записать систему уравнения повторому закону Кирхгофа:U AB  U A  U B ,U BC  U B  U C ,U CA  U C  U A .90(2.19)Электропитание РЭАГлава 2Согласно (2.19) на рисунке 2.36 построена векторная диаграмма, из которой видно, что при симметричной системе фазных напряжений система линейных напряжений тоже симметрична: UAB, UBC, UCA (общее обозначение UЛ) равны по величине и сдвинуты по фазе относительно друг друга на 120° и опережают, соответственно, векторы фазных напряжений UA, UB, UC (общее обозначение UФ) на угол 30°.Действующие значения линейных напряжений UЛ можно определитьграфически по векторной диаграмме (рисунок 2.36) как:U Л  2U Ф cos30  3U Ф .(2.20)Рисунок 2.36 – Векторная диаграмма симметричной трёхфазной сетиЗачастую векторную диаграмму удобно выполнить топографической, тогда каждой точке цепи соответствует определённая точка на диаграмме.

Вектор, проведённый между двумя точками топографической диаграммы, выражает по величине и фазе напряжения между одноимёнными точками цепи.Приёмники, включаемые в трёхфазную цепь, могут быть либо однофазными, либо трёхфазными. К однофазным приёмникам относят электрическиелампы накаливания и другие осветительные приборы, различные бытовые приборы, однофазные двигатели и т. д. К трёхфазным приёмникам относят, например, трёхфазные асинхронные двигатели и индукционные печи. Обычно комплексные сопротивления фаз трёхфазных приёмников равны между собой:91Электропитание РЭАГлава 2Z a  Zb  Zc  Ze j .(2.21)Такие приёмники называют симметричными. Если это условие не выполняется, то приёмники называют несимметричными.Для расчета трёхфазной цепи применимы все методы, используемые длярасчёта линейных цепей.

Поэтому токи в каждой фазе можно определить какUUUIa  a , Ib  b , Ic  c .ZaZbZc(2.22)При симметричной системе напряжений и симметричной нагрузке, когда Za = Zb = Zc, т.е. когда Ra = Rb = Rc = RФ и Xa = Xb = Xc = XФ, фазные токи равны по значению и углы сдвига фаз одинаковы:I a  I b  I c  IФ UФ,ZФX a  b  c    arctg  Ф  . RФ (2.23)(2.24)Построив векторную диаграмму токов для симметричного приёмника(рисунок 2.37), легко установить, что геометрическая сумма трёх векторов токаравна нулю: Ia  Ib  Ic  0 . Следовательно, в случае симметричной нагрузкиток в нейтральном проводе I N  0 , поэтому необходимость в нейтральном проводе отпадает.Рисунок 2.37 – Топографическая диаграмма трёхфазной сети ("звезда") присимметричной нагрузке92Электропитание РЭАГлава 2При симметричной системе напряжений и несимметричной нагрузке, тоесть когда Z a  Z b  Z c и  a  b  c , токи в фазах потребителя различны и определяются по закону Ома как в (2.22).Ток в нейтральном проводе İN равен геометрической сумме фазных токов:IN  Ia  Ib  Ic .Напряжения будут иметь вид Ua = UA, Ub = UB, Uc = UC, U Ф UЛблаго3даря нейтральному проводу при ZN = 0.

Характеристики

Список файлов лекций