- •Глава 1. Устройство и принцип действия
- •1.1. Принцип действия машин постоянного тока
- •Постоянного тока
- •И ток в витке при щетках,
- •1.2. Устройство машины постоянного тока
- •Машины постоянного тока
- •Сердечника якоря машины постоянного тока
- •Обмотки якоря
- •Щеточное устройство
- •1.3. Обмотки якорей машин постоянного тока
- •1.3.1. Принципы построения обмоток
- •Образование простой петлевой обмотки
- •Секции с полным, укороченным и
- •1.3.2. Простая петлевая обмотка
- •Р исунок 1.16 – Развернутая схема простой петлевой обмотки с диаметральным шагом
- •Параллельных ветвей обмотки якоря
- •1.3.3. Сложная петлевая обмотка
- •Образование сложной петлевой обмотки
- •1.3.4. Простая волновая обмотка
- •Р исунок 1.21 – Развернутая схема простой волновой обмотки
- •1.3.5. Сложная волновая обмотка
- •1.4. Электродвижущая сила якоря и электромагнитный момент
- •Магнитной индукции по ширине полюсного деления
- •1.5. Принципы расчета магнитной цепи машины
- •Намагничивания машины постоянного тока
- •1.6. Реакция якоря
- •Постоянного тока при холостом ходе
- •Результирующее магнитное поле машины постоянного тока тока при нагрузке
- •Магнитное поле обмотки якоря
- •Поля реакции якоря при сдвиге щеток с нейтрали
- •1.7. Коммутация в машинах постоянного тока
- •1.7.1. Физические процессы коммутации
- •1.7.2. Причины и степени искрения
- •1.7.3. Средства улучшения коммутации
- •Добавочных полюсов и компенсационной обмотки
- •1.8. Потери мощности и кпд машин постоянного тока
- •1.9. Щетки электрических машин
- •Обозначения выводов и схемы соединений
- •Параллельное возбуждение – двигатель (а), – генератор (б); смешанное возбуждение – двигатель (в), – генератор (г);
- •1.11. Установка щеточной траверсы относительно
- •Параллельного возбуждения (а) и на нейтраль двухякорной машины (б)
- •1.12. Вопросы для самопроверки и контроля знаний
- •Глава 2. Генераторы постоянного тока
- •2.1. Основные соотношения и классификация
- •Последовательного (в), смешанного (г) возбуждения
- •2.2. Уравнения электрического и механического равновесия
- •2.3. Характеристики генераторов независимого
- •Характеристики генератора независимого возбуждения
- •Снятия внешней характеристики
- •Характеристика генератора
- •Короткого замыкания
- •2.4. Генераторы параллельного возбуждения
- •2.4.1. Условия самовозбуждения генератора
- •Самовозбуждения генератора параллельного возбуждения
- •2.4.2. Характеристики генератора параллельного
- •2.5. Генераторы последовательного возбуждения
- •Характеристика генератора последовательного возбуждения
- •2.6. Генераторы смешанного возбуждения
- •Характеристики генератора смешанного возбуждения
- •Характеристики генератора смешанного возбуждения
- •Регулировочные характеристики генератора смешанного возбуждения
- •2.7. Параллельная работа генераторов
- •Характеристики генераторов
- •Смешанного возбуждения
- •2.8. Электромашинные усилители
- •Характеристики эму
- •Компесации;
- •2.9. Серии судовых генераторов постоянного тока
- •2.10. Вопросы для самопроверки и контроля знаний
- •Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
- •3.1. Общие сведения о двигателях постоянного тока
- •Машины постоянного тока
- •Энергетическая диаграмма
- •3.2. Характеристики двигателей параллельного
- •Параллельного возбуждения
- •Характеристики двигателя параллельного возбуждения
- •3.3. Характеристики двигателей последовательного
- •Электродвигателя последовательного возбуждения
- •Характеристики двигателя последовательного возбуждения
- •3.4. Характеристики двигателей смешанного
- •Электродвигателя смешанного возбуждения
- •Характеристики двигателя смешанного возбуждения
- •3.5. Серии судовых электродвигателей постоянного тока
- •3.6. Вопросы для самопроверки и контроля знаний
- •Глава 4. Судовые трансформаторы
- •4.1. Устройство и принцип действия трансформатора
- •4.1.1. Классификация и устройство трансформаторов
- •Простейшего трансформатора
- •Цаемость стали; ℓ и s - длина и поперечное сечение магнитопровода.
- •4.1.3. Напряжения и эдс в трансформаторе при холостом ходе
- •4.2. Режимы работы трансформатора
- •4.2.1. Холостой ход однофазного трансформатора
- •Однофазного трансформатора
- •Диаграмма холостого хода трансформатора
- •4.2.2. Работа трансформатора под нагрузкой
- •Однофазного трансформатора
- •Обмоток трансформатора при нагрузке
- •4.2.3. Режим короткого замыкания
- •4.3. Приведенный трансформатор
- •4.3.1. Приведение вторичной обмотки трансформатора
- •4.3.2. Схема замещения и уравнения электрического
- •Приведенного трансформатора
- •Трансформатора
- •Диаграмма приведенного трансформатора
- •4.3.3. Опытное определение
- •4.3.4. Упрощенная векторная диаграмма приведенного
- •4.4. Рабочие характеристики трансформатора
- •4.4.1. Зависимость вторичного напряжения
- •Трансформатора при различных по характеру нагрузках
- •4.4.2. Внешняя характеристика трансформатора
- •Внешняя характеристика трансформатора
- •4.4.3. Потери в трансформаторе и его кпд
- •Полезного действия трансформатора
- •4.5. Понятие о трехфазных и специальных трансформаторах
- •4.5.1. Трехфазные трансформаторы
- •Трансформаторы
- •4.5.2. Автотрансформатор
- •Понижающего автотрансформатора
- •4.5.3. Сварочные трансформаторы
- •Трансформатор (а) и его внешние характеристики (б)
- •4.5.4. Измерительные трансформаторы
- •4.6. Обозначения выводов и группы соединения
- •4.7. Параллельная работа трансформаторов
- •4.8. Вопросы для самопроверки и контроля знаний
- •5.1.2. Конструктивная схема синхронной машины
- •Синхронной машины:
- •5.1.3. Устройство асинхронного двигателя
- •Р исунок 5.3 - Устройство ад с короткозамкнутым ротором
- •5.2. Трехфазные обмотки электрических машин
- •5.2.1. Принцип построения обмотки
- •А) катушечная секция; б) стержневая; в) катушечная группа
- •Синхронного генератора
- •5.2.2. Параметры обмоток
- •5.2.3. Двухслойные обмотки
- •5.3. Электродвижущая сила в обмотках машин
- •Переменного тока: а,б) – двухполюсная обмотка с диаметральным шагом; в) – двухполюсная обмотка с диаметральным шагом;
- •Укороченным шагом
- •Для определения высших гармоник эдс фазы используют соотношение
- •Результирующая эдс фазы с учетом высших гармония определяется из соотношения
- •5.4. Вращающееся магнитное поле трехфазной обмотки
- •Трехфазной обмотки машин переменного тока
- •Зазоре, содаваемое: а – катушкой с полным шагом; б – катушкой с укороченным шагом; в – катушечной группой
- •Создаваемое: а – катушкой с полным шагом; б – катушкой с укороченным шагом;
- •5.5. Обозначения выводов машин переменного тока
- •5.6. Вопросы для самопроверки и контроля знаний
- •Глава 6. Асинхронные электродвигатели
- •6.I. Принцип действия асинхронного двигателя
- •Асинхронного двигателя
- •6.2. Режимы работы асинхронного двигателя
- •6.2.1. Режим холостого хода при заторможенном роторе
- •Асинхронного двигателя при холостом ходе (а) и коротком замыкании (б)
- •Двигателя и вторичной цепи (б) при неподвижном роторе
- •6.2.2. Режим короткого замыкания ад
- •6.2.3. Рабочий режим асинхронного двигателя
- •6.3. Приведение вращающегося ротора к эквивалентному
- •Двигателя: а – т-образная; б – г-образная
- •Диаграмма приведенного асинхронного двигателя
- •6.4. Энергетическая диаграмма и механическая
- •6.4.I Энергетическая диаграмма. Коэффициент полезного
- •Диаграмма асинхронного двигателя
- •6.4.2. Вращающий момент ад
- •6.4.3 Механическая характеристика ад
- •6.4.4. Зависимость вращающего момента Мэм
- •6.5. Рабочие характеристики асинхронного двигателя
- •Характеристики асинхронного двигателя
- •Характеристика асинхронного двигателя
- •6.6. Проблемные режимы работы судовых асинхронных
- •6.6.1. Проблемы пуска ад
- •При пуске ад
- •Процесса пуска ад
- •6.6.2. Способы пуска судовых ад
- •Ротором: а – схема пуска;
- •6.6.3. Применение ад с улучшенными пусковыми
- •С двухслойным ротором: 1 – рабочий цилиндр; 2 – шихтованный сердечник; 3 – короткозамыкающее кольцо; 4 – вал.
- •Механическиехарактеристики ад с различными роторами:
- •6.6.4. Обрыв фазы обмотки статора
- •6.6.5. Реверс двигателя и работа при «вывернутой» фазе
- •6.7. Регулирование скорости вращения судовых ад
- •6.7.1. Способы регулирования
- •6.7.2. Регулирование изменением подводимого напряжения
- •Двухслойным (массивным) ротором
- •6.7.3. Регулирование изменением активного сопротивления
- •Характеристики ад при изменении активного сопротивления ротора
- •6.7.4. Регулирование изменением частоты питающей сети
- •Характеристики ад при различной частоте
- •6.7.5. Регулирование изменением числа пар полюсов
- •Числе полюсов
- •6.8. Реверсирование и электрическое торможение ад
- •Реверсирования ад
- •Генераторного торможения ад
- •6.9. Однофазные асинхронные двигатели
- •6.9.1 Принцип действия однофазного ад
- •Механическая характеристика (б) однофазного двигателя с пусковой обмоткой
- •6.9.2. Схемы включения ад в однофазную сеть
- •Имеющего три (а,б) или шесть ( в,г) выводов обмотки статора
- •6.10. Экранированные асинхронные двигатели
- •6.11 Серии судовых асинхронных двигателей
- •6.12. Вопросы для самопроверки и контроля знаний
- •Глава 7. Синхронные машины
- •7.1. Принцип действия, устройство
- •7.1.1. Общие сведения о синхронных машинах
- •7.1.2. Принцип действия синхронного генератора
- •7.1.3. Классификация синхронных машин
- •7.1.4. Устройство синхронных машин
- •7.1.5. Особенности устройства бесщеточного
- •Бесщеточного сг
- •7.2. Реакция якоря в синхронном генераторе
- •7.2.1. Общее представление о реакции якоря
- •7.2.2. Реакция якоря в сг при различных по характеру нагрузках
- •7.3. Параметры сг в установившемся режиме работы
- •7.3.1 Составляющие магнитных потоков
- •7.3.2. Индуктивное сопротивление рассеяния
- •7.3.3. Индуктивное сопротивление реакции якоря
- •7.3.4. Активное сопротивление фазы статора
- •7.3.5. Схема замещения неявнополюсного сг
- •7.3.6. Система относительных единиц
- •7.4. Уравнения электрического равновесия
- •7.4.1. Неявнополюсный сг
- •Генератора
- •При работе: а) на активно – индуктивную нагрузку; б) на активно – емкостную нагрузку
- •7.4.2. Явнополюсный сг
- •7.4.4. Изменение напряжения сг при изменении нагрузки
- •7.4.5. Определение изменения напряжения сг
- •Изменения напряжения неявнополюсного сг при изменении нагрузки
- •При изменении нагрузки
- •7.5. Характеристики синхронных генераторов
- •7.5.1. Общие определения характеристик
- •7.5.2. Основные характеристики сг
- •Холостого хода (1) и нагрузочная характеристика (2) синхронного генератора
- •1 Однофазное;
- •7.6. Определение параметров сг
- •Насыщенного значения синхронного индуктивного сопротивления
- •7.7. Потери и к.П.Д. Синхронных машин
- •7.8. Схемы возбуждения синхронных генераторов
- •7.8.1. Принцип построения систем возбуждения сг
- •7.8.2. Процесс самовозбуждения сг
- •В процессе самовозбуждения сг
- •7.8.3. Особенности возбуждения бесщеточных сг
- •Бесщеточного синхронного генератора
- •7.9. Вопросы для самопроверки и контроля знаний
- •Глава 8. Параллельная работа
- •8.1. Преимущества и недостатки параллельной
- •8.2. Включение судовых синхронных генераторов
- •8.2.1. Особенности работы сг на сеть большой мощности
- •8.2.2. Условия включения сг на параллельную работу
- •Диграммы одно- и трехфазного сг для включения на параллельную работу
- •8.2.3. Физические процессы в сг
- •К сети перевозбужденного (а) и недовозбужденного (б) синхронного генератора
- •И напряжения
- •8.2.4. Способы синхронизации
- •И соответствующие векторные диаграммы
- •8.3. Регулирование активной мощности при работе
- •Включенный на параллельную работу с сетью
- •Диаграммы сг при увеличении активной нагрузки
- •8.4. Угловая характеристика неявнополюсного
- •Неявнополюсного синхронного генератора
- •8.5. Статическая и динамическая устойчивость
- •Р исунок 8.11 – к пояснению динамической устойчивости параллельной работы сг с сетью при отклонении активной мощности (а) и тока возбуждения (б)
- •8.6. Угловая характеристика явнополюсного
- •Реактивного момента явнополюсного синхронного генератора
- •8.7. Регулирование реактивной мощности сг
- •Постоянной активной нагрузке
- •Характеристики и зависимости
- •Работе сг с сетью
- •8.8. Перевод синхронной машины в двигательный
- •При изменении момента сопротивления на валу (а) и тока возбуждения (б)
- •8.9. Особенности параллельной работы генераторов
- •При параллельной работе сг соизмеримой мощности
- •8.10. Вопросы для самопрверки и контроля знаний
- •Глава 9. Переходные процессы
- •9.1. Общее описание переходных процессов
- •9.1.1. Сущность переходных процессов
- •9.1.2. Общее описание переходных процессов
- •9.1.3. Короткое замыкание в цепи (r – l)
- •9.2. Переходные процессы в судовых трансформаторах
- •9.2.1. Переходные процессы
- •При включении в режиме холостого хода
- •Намагничивания трансформатора при резком возрастании магнитного потока
- •9.2.2. Изменение тока включения трансформатора
- •9.2.3. Внезапное короткое замыкание трансформатора
- •При коротком замыкании
- •Трансформатора
- •9.2.4. Действие токов короткого замыкания
- •Замыкании
- •9.2.5. Витковое короткое замыкание в обмотках трансформатора
- •9.3. Переходные процессы в асинхронных двигателях
- •9.3.1.Общие представления о переходных процессах
- •9.3.2. Пуск асинхронного двигателя в ход
- •9.4. Переходные процессы в синхронном генераторе
- •9.4.1. О постоянстве потокосцеплений
- •В сверхпроводящем контуре
- •Начальных условиях
- •9.4.2. Симметричное внезапное короткое замыкание сг
- •9.4.3. Апериодическое внезапное короткое замыкание сг
- •9.4.4. Переходные и сверхпереходные индуктивные
- •Коротком замыкании
- •9.4.5. Величина токов внезапного короткого замыкания сг
- •9.5. Вопросы для самопроверки и контроля знаний
- •Глава 1. Устройство и принцип действия машин постоянного тока. Физика основных взаимодействий………………………………………6
- •Глава 2. Генераторы постоянного тока……………………………………53
- •Глава 3. Электродвигатели постоянного тока……………...…………78
- •Глава 4. Судовые трансформаторы……………………………………91
- •Глава 5. Общие вопросы теории машин переменного тока……..…120
- •5.1. Основные элементы конструкции электрических машин
- •5.3. Электродвижущая сила в обмотках машин переменного
- •Глава 6. Асинхронные электродвигатели……………………………146
- •6.1. Принцип действия асинхронного двигателя…………146
- •6.2. Режимы работы асинхронного двигателя……………149
- •Глава 7. Синхронные машины…………………………………….…194
- •Глава 8. Параллельная работа судовых синхронных генераторов...241
- •Глава 9. Переходные процессы в судовых электрических машинах переменного тока………………………………………………275
7.1.3. Классификация синхронных машин
Синхронные машины классифицируются по следующим признакам:
а) по назначению — синхронные генераторы, синхронные двигатели, синхронные компенсаторы;
б) по числу фазных обмоток на статоре — однофазные, трехфазные, многофазные;
в) по конструкции ротора — явнополюсные, неявнополюсные;
г) по способу возбуждения – с независимым возбуждением, с самовозбуждением, с контактными кольцами и бесщеточные;
д) по типу первичного двигателя — турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы;
е) по номинальным данным — мощность, частота, скорость вращения, напряжение;
ж) по способу охлаждения – с воздушным, с газовым (водород, гелий), с водяным, криогенные.
В последующем изложении мы будем иметь в виду трехфазные СМ (с указанием назначения), явнополюсные и неявнополюсные (с указанием на это при необходимости) и безотносительно к остальным классификационным признакам.
7.1.4. Устройство синхронных машин
Конструктивно синхронная машина, подобно другим электрическим машинам, состоит из двух частей – якоря, несущего обмотку, и индуктора, на котором располагаются полюсы для создания магнитного поля возбуждения. В обмотке якоря индуктируется ЭДС и протекает ток нагрузки, то есть именно в этой части происходит преобразование энергии. В общем случае неподвижная часть машины переменного тока называется статором, а вращающаяся часть – ротором. Каждая из этих двух основных частей содержит по нескольку конструктивных элементов.
На рисунке 7.1 показано устройство судового СГ серии МСС с обозначением основных элементов. Корпус вместе с торцевыми щитами является несущей конструкцией для всех частей машины. Корпус судового синхронного генератора выполняется брызгонепроницаемым или брызгозащищенным. К корпусу крепятся воздуховоды для подвода и отвода охлаждающего воздуха. Для машин морского исполнения корпус, подшипниковые щиты или стояки выполняются стальными. В случае применения подшипников качения подшипниковые щиты и корпусы подшипников исполняются разъемными, что допускает промывку подшипников и замену консистентной смазки без съема подшипников с вала и разборки машины. Все внешние кабели подводятся к выводным зажимам через сальники.
Сердечник статора закрепляется в корпусе машины и служит магнитопроводом для основного магнитного потока. Сердечник набирается из отдельных листов электротехнической стали, имеющих на внутренней окружности пазы. Эти листы штампуются из листов толщиной 0,5 мм и покрываются с обеих сторон изоляционным лаком.
Т акая конструкция сердечника необходима для уменьшения потерь от вихревых токов, индуктируемых переменным (вращающимся) магнитным полем.
В пазы сердечника укладывается трехфазная обмотка, которая в современных машинах выполняется двухслойной. Обмотка целиком пропитывается специальным лаком и просушивается в печах при определенных температурах, что повышает электрическую прочность, теплопроводность, изоляции и уменьшает ее гигроскопичность, а также скрепляет элементы изоляции, повышая ее механическую прочность. В крупных машинах пропитываются отдельные стержни обмотки. Для этой же цели применяется пропитка компаундами, причем ввиду отсутствия в них летучих растворителей заполнение пор изоляции при компаундировании получается более совершенным. Поверхность изоляции обмоток покрывается изоляционными эмалями
Как отмечалось в главе 5 по конструкции ротора в зависимости от скорости вращения синхронные машины разделяются на два основных типа: явнополюсные, т. е. машины с явно выраженными полюсами, и неявнополюсные. Если машина имеет одну пару полюсов р = 1, то для получения стандартной частоты f= 50 гц скорость вращения ротора должна быть 3000 об/мин. При такой скорости вращения машин большой мощности с большим диаметром ротора окружная скорость на поверхности ротора достигает в судовых турбогенераторах 90…100 м/сек, а стационарных 160 м/сек. Развивающиеся при этих скоростях центробежные силы создают в отдельных частях ротора весьма большие механические напряжения, поэтому изготовление для таких скоростей явнополюсных роторов с достаточной механической прочностью невозможно. Для таких скоростей применяются неявнополюсные роторы, изготовленные из цельной цилиндрической стальной поковки высокой прочности, в которой для снятия внутренних напряжений и контроля качества по всей длине ротора просверливают центральное отверстие.
На цилиндрической поверхности такого ротора в радиальном направлении фрезеруются пазы, в которые укладывается обмотка возбуждения и закрепляется в пазах при помощи металлических клиньев, изготовляемых из немагнитных сплавов.
Лобовые части обмотки ротора, на которые также воздействуют большие центробежные силы, крепятся стальными массивными бандажами.
Обмотка возбуждения распределяется не по всей окружности цилиндрического ротора, примерно третья часть окружности остается свободной от пазов, образуя так называемый большой зуб. Такое расположение обмотки возбуждения обусловливает практически синусоидальное распределение магнитного поля ротора, и вследствие этого достигается синусоидальное изменение во времени ЭДС обмотки статора.
Явнополюсные машины проще в изготовлении, поэтому при числе пар полюсов р ≥ 2 синхронные машины стремятся выполнять с явнополюсным ротором. Полюс у роторов, как правило, набирается из отдельных штампованных листов конструкционной стали толщиной 1…2 мм. Листы стягиваются в пакет шпильками. Полюсы крепятся к остову ротора Т-образными хвостами и клиньями. Очертание полюсного башмака обеспечивает синусоидальное распределение МДС ротора (см.главу 5).
Обмотка возбуждения явнополюсных роторов выполняется в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения. Катушки обмотки возбуждения размещены на сердечниках полюсов и укреплены полюсными наконечниками. В машинах большой мощности катушки наматываются из полосовой меди на ребро, отдельные витки обмотки изолируются друг от друга. Мощность, необходимая для возбуждения генератора, составляет обычно 3…5% от его номинальной мощности.
Питание обмотки возбуждения может осуществляться от любого источника постоянного тока, обычно для этой цели используются генераторы постоянного тока малой мощности, которые размешаются на одном валу с синхронным генератором.
В настоящее время широкое применение находят генераторы с самовозбуждением серий МСС, МСК, БСГ, у которых обмотка возбуждения питается от обмотки статора через полупроводниковые выпрямители. Явнополюсные роторы кроме обмоток возбуждения имеют, как правило, успокоительную (демпферную) обмотку, назначением которой является гашение колебаний ротора при переходных процессах и при режимах несимметричной нагрузки генератора. Успокоительная обмотка выполняется из медных стержней, которые закладываются в пазы полюсных наконечников и по торцам замкнуты кольцами, в результате чего получается короткозамкнутая обмотка в виде «беличьей клетки».
В неявнополюсных машинах функции успокоительной обмотки наполняет массивный сердечник ротора и массивные бандажи на лобовых частях обмотки возбуждения.
К другим важным элементам конструкции СМ относятся:
- подшипниковые щиты, которые присоединяются к торцам станины на болтах и служат для размещения подшипников, и в которых
вращается вал ротора;
- щеточное устройство, необходимое для обеспечения подвода постоянного тока к вращающейся обмотке возбуждения, уложенной на роторе;
- клеммная коробка, в которой размещены шесть выводов от трех фаз обмотки статора (они обозначены: С1 — С4, С2 — С5, С3— С6) и два вывода обмотки ротора (обозначены р1, р2), в ней осуществляется соответствующее соединение фазных обмоток и соединение СМ с внешними сетями переменного и постоянного тока.