Расчет и анализ установившихся режимов работы электрических машин

Расчет и анализ установившихся режимов работы электрических машин

РЕФЕРАТ

Данная курсовая работа включает в себя:

- изучение конструкций и принципа действия силовых масляных трансформаторов, синхронных турбогенераторов, синхронных явнополюсных двигателей и асинхронных двигателей;

- расчет установившегося режима работы синхронных и асинхронных двигателей, статической нагрузки трансформаторов, линий электропередачи, и синхронного генератора при номинальном напряжении в узле нагрузки;

- расчет установившегося режима работы всех элементов при пониженном напряжении в узле нагрузки, составляющем 90% от номинального значения;

- сопоставление режимных параметров при разном уровне напряжений и оценка работы оборудования при пониженном напряжении;

- выполнение индивидуального задания.

Введение

В условиях научно-технического развития электрификация нашла широкое применение в промышленности, сельском хозяйстве, транспорте и быту. Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях электрическими машинами – генераторами, преобразующими механическую энергию в электрическую. Основная часть электроэнергии (до 80%) вырабатывается на тепловых электростанциях, где при сжигании топлива (уголь, торф, газ) нагревается вода и переводится в пар высокого давления. Последний подается в Трубину, где, расширяясь, приводит ротор турбины во вращение (тепловая энергия в турбине преобразуется в механическую). Вращение ротора турбины передается на вал генератора (турбогенератора). В результате электромагнитных процессов, происходящих в генераторе, механическая энергия преобразуется в электрическую. В процессе потребления электрической энергии, происходит ее преобразование в другие виды энергии (тепловую, механическую, химическую). Около 70% электроэнергии используется для приведения в движение станков, механизмов, транспортных средств, т.е. для преобразования ее в механическую энергию. Это преобразование осуществляется электрическими машинами – электродвигателями.

Электрическую энергию, вырабатываемую на электростанциях, необходимо передать в места ее потребления, прежде всего в крупные промышленные центры страны, которые удалены от мощных электростанций на многие сотни, а иногда и тысячи километров. Но электроэнергию недостаточно передать. Ее необходимо распределить среди множества разнообразных потребителей – промышленных предприятий, транспорта, жилых зданий и т.д. Передачу электроэнергии на большие расстояния осуществляют при высоком напряжении (до 500 кВ и более), чем обеспечиваются минимальные электрические потери в линиях электропередачи. Поэтому в процессе передачи и распределении электрической энергии приходится неоднократно повышать и понижать напряжение. Этот процесс выполняется посредством электромагнитных устройств, называемых трансформаторами.

Наряду с большой энергетикой электрические машины получили широкое применение в системах автоматического управления и бытовой техники в качестве двигателей исполнительных механизмов либо различного рода электромеханических преобразователей и датчиков.

Поэтому знание основ теории электрических машин необходимо каждому специалисту, работающему в любой из сфер производства, распределения или потребления электрической энергии.

1.Описание конструкции и принципа действия силовых элементов сети

1.1 Силовой масляный трансформатор

1.1.1 Принцип действия трансформатора

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения с сохранением частот.

В зависимости от назначения трансформаторы разделяются на силовые трансформаторы общего назначения и трансформаторы специального назначения. Силовые трансформаторы общего назначения применяются в линиях передачи и распределения электроэнергии, а также в различных электроустановках для получения, требуемого напряжения. Трансформаторы специального назначения характеризуются разнообразием рабочих свойств и конструктивного исполнения. К ним относятся печные и сварочные трансформаторы, трансформаторы для устройств автоматики, испытательные и измерительные трансформаторы и т.д.

Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопровода (сердечника), выполненного из ферримагнитного материала (листовая электромагнитная сталь), и двух обмоток, расположенных на стержнях магнитопровода (рис. 1.1, а) Первичная обмотка трансформатора присоединена к источнику переменного тока Г на напряжение U1. К вторичной обмотке подключен потребитель Zн.

Рис. 1.2. Электромагнитная (а) и принципиальная (б) схемы трансформатора

Первичная и вторичная обмотки не имеют электрической связи друг с другом, и мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем. Магнитопровод, на котором расположены эти обмотки, служит для усиления индуктивной связи между обмотками. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает ток I1, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками и индуцирует в них ЭДС:

- В первичной обмотке ЭДС самоиндукции e₁= -w₁(dФ/dt) (1.1)

- Во вторичной обмотке ЭДС самоиндукции e₂= -w₂(dФ/dt) (1.2)

где w₁ и w₂ –число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

При подключении нагрузки Zн к выводам вторичной обмотки под действием ЭДС е₂ в цепи этой обмотки создается ток I2, а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U2. В повышающих трансформаторах U2 > U1,а в понижающих U2 <U1.

Из (1.1) и (1.2) видно, что ЭДС e₁ и e₂, наводимые в обмотках трансформатора, отличаются друг от друга лишь числом витков w₁ и w₂ в обмотках. Поэтому, применяя обмотки с требуемым соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое отношение напряжений.

Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения, - обмоткой низшего напряжения (НН). На рис.1.1,б показано изображение однофазного трансформатора на принципиальных электрических схемах.

Трансформаторы обладают свойством обратимости: один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повышающего и понижающего. Но обычно он имеет определенное назначение: либо он повышающий, либо понижающий.

Трансформатор – это аппарат переменного тока. Если же первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то магнитный поток в магнитопроводе трансформатора также будет постоянным как по величине, так и по направлению, поэтому в обмотках трансформатора не будет наводится ЭДС, а следовательно, электроэнергия не будет передаваться из первичной цепи во вторичную.

Трансформаторы классифицируют по нескольким признакам:

- по назначению – общего и специального назначения, импульсные, для преобразования частоты и т.д.;

- по виду охлаждения – с воздушным и масляным охлаждением;

- по числу трансформируемых фаз – однофазные и трехфазные;

- по форме магнитопровода – стержневые, броневые, бронестержневые, тороидальные;

- по числу обмоток на фазу – двухобмоточные, многообмоточные.

Современный трансформатор состоит из различных конструктивных элементов: магнитопровода, обмоток, вводов, бака и т.д. Магнитопровод с насаженными на его стержни обмотками составляет активную часть трансформатора. Остальные элементы называют неактивными (вспомогательными) частями. Рассмотрим конструкцию основных частей трансформатора.

Магнитопровод выполняет в трансформаторе две функции: во-первых, он составляет магнитную цепь, по которой замыкается основной магнитный поток трансформатора, а во-вторых, он предназначен для установки и крепления обмоток, отводов, переключателей.

Магнитопровод имеет шихтованную конструкцию, т.е. он состоит из тонких стальных пластин, покрытых с двух сторон изолирующим лаком. Такая конструкция магнитопровода обусловлена стремлением ослабить вихревые токи, наводимые в нем переменным магнитным потоком, а следовательно, уменьшить величину потерь энергии в трансформаторе.

Рис. 1.3. Магнитопровод трехфазного трансформатора стержневого типа с обмотками.

В магнитопроводе стержневого типа (рис.1.2, а) вертикальные стержни 1, на которых расположены обмотки 2, сверху и снизу замкнуты ярмами 3. На каждом стержне расположены обмотки соответствующей фазы и проходит магнитный крайних стержнях – потоки Фа и Фс, а в среднем стержне Фв. На рис. 1.2, б показан внешний вид магнитопровода.

Обмотки трансформаторов средней и большой мощности выполняют из обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения, изолированных хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой. Основой обмотки является бумажно-бакелитовый цилиндр, на котором крепятся элементы, обеспечивающие обмотке механическую и электрическую прочность. По взаимному расположению на стержне, обмотки разделяют на концентрические и чередующиеся.

Концентрические обмотки выполняют в виде цилиндров, размещаемых на стержне концентрически: ближе к стержню располагают обмотку НН, а с наружи – обмотку ВН (рис. 1.3, а). Чередующиеся (дисковые) обмотки выполняют в виде отдельных секций (дисков) НН и ВН и располагают на стержне в чередующемся порядке (рис. 1.3, б). Они применяются в трансформаторах специального назначения.

Рис. 1.4. Концентрическая (а) и дисковая (б) обмотки трансформатора.

Концентрические обмотки в конструктивном отношении разделяются на несколько типов:

- цилиндрические однослойные или двухслойные обмотки (рис. 1.4, а);

- винтовые одно- и многоходовые обмотки (рис. 1.4, б);

- непрерывные обмотки (рис.1.4,в).

Рис. 1.5. Конструкция концентрических обмоток.

1.1.2 Устройство масляного трансформатора

В трансформаторах с масляным охлаждением магнитопровод с обмотками помещен в бак, наполненный трансформаторным маслом (рис. 1.5.). Трансформаторное масло, омывая обмотки 2 и 3 и магнитопровод 1, отбирает от них теплоту и, обладая более высокой теплопроводностью, чем воздух, через стенки бака 4 и трубы радиатора 5 отдает ее в окружающую среду. Наличие трансформаторного масла обеспечивает более надежную работу высоковольтных трансформаторов, так как электрическая прочность масла намного выше, чем воздуха. Масляное охлаждение интенсивнее воздушного, поэтому габариты и вес масляных трансформаторов меньше, чем у сухих трансформаторов такой же мощности.

В трансформаторах мощностью до 20—30 кВА применяют баки с гладкими стенками. У более мощных трансформаторов для увеличения охлаждаемой поверхности стенки бака делают ребристыми или же применяют трубчатые баки. Масло, нагреваясь, поднимается вверх, а охлаждаясь, опускается вниз. При этом масло циркулирует в трубах, что способствует более быстрому его охлаждению.

Для компенсации объема масла при изменении температуры, а также для защиты масла от окисления и увлажнения при контакте с воздухом в трансформаторах применяют расширитель 9, представляющий собой цилиндрический сосуд, установленный на крышке бака и сообщающийся с ним. Колебания уровня масла с изменением его температуры происходят не в баке, который всегда заполнен маслом, а в расширителе, сообщающемся с атмосферой.

В процессе работы трансформаторов не исключена возможность возникновения в них явлений, сопровождающихся бурным выделением газов, что ведет к значительному увеличению давления внутри бака, поэтому во избежание повреждения баков трансформаторы мощностью 1000 кВА и выше снабжают выхлопной трубой, которую устанавливают на крышке бака. Нижним концом труба сообщается с баком, а ее верхний конец заканчивается фланцем, на котором укреплен стеклянный диск. При давлении, превышающем безопасное для бака, стеклянный диск лопается и газы выходят наружу.

В трубопровод, соединяющий бак масляного трансформатора расширителем, помещено газовое реле. При возникновении в трансформаторе значительных повреждений, сопровождаемых большим выделением газов (например, при КЗ между витками обмоток), газовое реле срабатывает и замыкает контакты цепи управления выключателя, который отключает трансформатор от сети.

Рис. 1.6. Устройство трансформатора с масляным охлаждением

Обмотки трансформатора с внешней цепью соединяют вводами 7 и 8. В масляных трансформаторах для вводов используют проходные фарфоровые изоляторы. Такой ввод снабжен металлическим фланцем, посредством которого он крепится к крышке или стенке бака. К дну бака прикреплена тележка, позволяющая перемещать трансформатор в пределах подстанции. На крышке бака расположена рукоятка переключателя напряжения 6.

1.2 Синхронный турбогенератор

1.2.1 Принцип действия синхронного генератора

Для изучения принципа действия синхронного генератора воспользуемся упрощенной моделью синхронной машины (рис.1.6.). Неподвижная часть машины, называемая статором, представляет собой полый шихтованный цилиндр / (сердечник статора) с двумя продольными пазами на внутренней поверхности. В этих пазах расположены стороны витка 2, являющегося обмоткой статора. Во внутренней полости сердечника статора расположена вращающаяся часть машины — ротор, представляющий собой постоянный магнит 4 с полюсами N и S, закрепленный на валу 3. Вал ротора посредством ременной передачи механически связан с приводным двигателем (на рисунке не показан). В реальном синхронном генераторе в качестве приводного двигателя может быть использован двигатель внутреннего сгорания либо турбина. Под действием вращающего момента приводного двигателя ротор генератора вращается с частотой n1 против часовой стрелки. При этом в обмотке статора в соответствии с явлением электромагнитной индукции наводится ЭДС, направление которой показано на рисунке стрелками. Так как обмотка статора замкнута на нагрузку Z, то в цепи этой обмотки появится ток i.

В процессе вращения ротора магнитное поле постоянного магнита также вращается с частотой n1, а поэтому каждый из проводников обмотки статора попеременно оказывается то в зоне северного (N) магнитного полюса, то в зоне южного (Ѕ) магнитного полюса. При этом каждая смена полюсов сопровождается изменением направления ЭДС в обмотке статора. Таким образом, в обмотке статора синхронного генератора наводится переменная ЭДС, а поэтому ток i в этой обмотке и в нагрузке Z также переменный.

Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе (В)

e=Bδ2lv= Bδ2lπD1n1/60

где B_δ — магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл; l — активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, м; v = πD1n1/60 — скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с; D1 — внутренний диаметр сердечника статора, м.

Рис. 1.7. Упрощенная модель синхронного генератора

Эта формула показывает, что при неизменной частоте вращения ротора форма кривой переменной ЭДС обмотки якоря определяется исключительно законом распределения магнитной индукции в зазоре. Если бы график магнитной индукции в зазоре представлял собой синусоиду (Bδ = В_тах sin α), то ЭДС генератора была бы синусоидальной. Однако получить синусоидальное распределение индукции в зазоре практически невозможно. Так, если воздушный зазор δ постоянен (рис.1.7.), то магнитная индукция Bδв воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (кривая 1), а следовательно, и график ЭДС генератора представляет собой трапецеидальную кривую. Если края полюсов скосить так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен δ _тах(как это показано на рис.1.7.), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (кривая 2), а следовательно, и график ЭДС, наведенной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде.

Рис. 1.8. Графики распределения магнитной индукции в воздушном зазоре синхронного генератора

Частота ЭДС синхронного генератора f1 (Гц) прямо пропорциональна частоте вращения ротора п1 (об/мин), которую принято называть синхронной частотой вращения:

f1=рп1/60

Здесь р — число пар полюсов; в рассматриваемом генераторе два полюса, т. е. р=1.

Для получения промышленной частоты ЭДС (50 Гц) ротор такого генератора необходимо вращать с частотой п1= 3000 об/мин, тогда f1 = 1·3000/60 = 50 Гц.

Постоянные магниты на роторе применяются лишь в синхронных генераторах весьма малой мощности, в большинстве же синхронных генераторов для получения возбуждающего магнитного поля применяют обмотку возбуждения, располагаемую на роторе. Эта обмотка подключается к источнику постоянного тока через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, располагаемых на валу и изолированных от вала и друг от друга, и двух неподвижных щеток (рис. 1.8.).

Как уже отмечалось, приводной двигатель (ПД) приводит во вращение ротор синхронного генератора с синхронной частотой п1. При этом магнитное поле ротора также вращается с частотой п1 и индуцирует в трехфазной обмотке статора переменные ЭДС Е_А, ЕВ, Ес, которые, будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на ⅓ периода (120 эл. град), образуют трехфазную симметричную систему ЭДС.

С подключением нагрузки в фазах обмотки статора появляются токи 1А, 1В, 1с. При этом трехфазная обмотка статора создает вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора (об/мин): п1 = f160/р.

Рис. 1.9. Электромагнитная схема синхронного генератора

Таким образом, в синхронном генераторе поле статора и ротор вращаются синхронно, отсюда и название — синхронные машины.

1.2.2 Конструкция синхронного турбогенератора

Конструкция мощных синхронных машин в первую очередь определяется частотой вращения. Неявнополюсные синхронные машины турбогенераторы изготовляются с частотой вращения 3000 об/мин двухполюсном исполнении (р = 1) и 1500 об/мин в четырехполюсном исполнении (р = 2). В синхронных машинах с большим числом полюсов -гидрогенераторах — применяется явнополюсная конструкция ротора.

Турбоагрегат состоит из нескольких машин, соединенных между собой муфтами. Ротор турбогенератора соединяется муфтой с ротором паровой турбины. Таким образом, получается единый блок паровая турбина — турбогенератор

Синхронная машина состоит из неподвижной части — статора — и вращающейся части — ротора. Статоры синхронных машин в принципе не отличаются от статоров асинхронных двигателей, т. е. состоят из корпуса, сердечника и обмотки. Конструктивное исполнение статора синхронной машины может быть различным в зависимости от назначения и габаритов машины. Так, в многополюсных машинах большой мощности при наружном диаметре сердечника статора более 900 мм пластины сердечника делают из отдельных сегментов, которые при сборке образуют цилиндр сердечника статора. Корпуса статоров крупногабаритных машин делают разъемными, что необходимо для удобства транспортировки и монтажа этих машин. Роторы синхронных машин могут иметь две принципиально различающиеся конструкции: явнополюсную и неявнополюсную. В энергетических установках по производству электроэнергии переменного тока в качестве первичных (приводных) двигателей синхронных генераторов применяют в основном три вида двигателей: паровые турбины, гидравлические турбины либо двигатели внутреннего сгорания (дизели). Применение любого из перечисленных двигателей принципиально влияет на конструкцию синхронного генератора..

Паровая турбина работает при большой частоте вращения, поэтому приводимый ею во вращение генератор, называемый турбогенератором, является быстроходной синхронной машиной.

Рис. 1.10. Конструкция роторов синхронных машин

а - ротор с явно выраженными полюсами; б—ротор с неявно выраженными полюсами.

Роторы этих генераторов выполняют либо двухполюсными (n1 = 3000 об/мин), либо четырехполюсными (n1 = 1500 об/мин).

В процессе работы турбогенератора на его ротор действуют значительные центробежные силы. Поэтому по условиям механической прочности в турбогенераторах применяют неявнополюсный ротор, имеющий вид удлиненного стального цилиндра с профрезерованными на поверхности продольными пазами для обмотки возбуждения (см. рис. 1.9, б). Сердечник неявнополюсного ротора изготовляют в виде цельной стальной поковки вместе с хвостовиками (концами вала) или же делают сборным. Обмотка возбуждения неявнополюсного ротора занимает лишь ⅔ его поверхности (по периметру). Оставшаяся ⅓ поверхности образует полюсы. Для защиты лобовых частей обмотки ротора от разрушения действием центробежных сил ротор с двух сторон прикрывают стальными бандажными кольцами (каппами), изготовляемыми обычно из немагнитной стали.

Рис. 1.11. Турбогенератор

1 – возбудитель, 2 – корпус, 3 – сердечник статора, 4 – секции водородного охлаждения, 5 - ротор

1.3 Асинхронный двигатель

1.3.1 Принцип действия асинхронного двигателя

Неподвижная часть асинхронного двигателя, статор имеет такую же конструкцию, что и статор синхронного генератора. В расточке статора расположена вращающаяся часть двигателя — ротор, состоящий из вала, сердечника и обмотки (рис. 1.11.). Обмотка ротора представляет собой короткозамкнутую конструкцию состоящую из восьми алюминиевых стержней, расположенных в продольных пазах сердечника ротора, замкнутых с двух сторон по торцам ротора алюминиевыми кольцами (на рисунке эти кольца не показаны). Ротор и статор разделены воздушным зазором. При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле статора, Частота вращения которого n1 определяется выражением п1 = f160/р. Вращающееся поле статора (полюсы N1 и S1) сцепляется как с обмоткой статора, так и с обмоткой ротора - и наводит в них ЭДС. При этом ЭДС обмотки статора, являясь ЭДС самоиндукции, действует встречно приложенному к обмотке напряжению и ограничивает значение тока в обмотке. Обмотка ротора замкнута, поэтому ЭДС ротора создает в стержнях обмотки ротора токи. Взаимодействие этих токов с полем статора создает на роторе электромагнитные силы F₃_M, направление которых определяют по правилу «левой руки». Из рис.1.11. видно, что силы F₃_M стремятся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Совокупность сил F₃_M создает на роторе электромагнитный момент М, приводящий его во вращение с частотой п₂. Вращение ротора посредством вала передается исполнительному механизму. Таким образом, электрическая энергия, поступающая из сети в обмотку статора, преобразуется в механическую энергию вращения ротора двигателя

Направление вращения магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения ротора зависят от порядка следования фаз напряжения, подводимого к обмотке статора. Частота вращения ротора п₂, называемая асинхронной, всегда меньше частоты вращения поля n1, так как только в этом случае происходит наведение ЭДС в обмотке ротора асинхронного двигателя.

Таким образом, статор синхронной машины не отличается от статора асинхронной машины, и выполняют они одинаковую функцию: при появлении в обмотке статора тока возникает вращающееся магнитное поле и в этой обмотке наводится ЭДС. Именно по этой причине изучение принципа выполнения и конструкции обмоток статора, а также изучение электромагнитных процессов, связанных с наведением в обмотке статора ЭДС и возникновением вращающегося магнитного поля, должно предшествовать изучению специфических вопросов теории асинхронных и синхронных машин.

Рис. 1.12. К принципу действия асинхронного двигателя

Конструкция асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей, разделенных воздушным зазором: неподвижного статора и вращающегося ротора. Каждая из этих частей имеет сердечник и обмотку. При этом обмотка статора включается в сеть и является как бы первичной, а обмотка ротора — вторичной, так как энергия в нее поступает из обмотки статора за счет магнитной связи между этими обмотками.

По своей конструкции асинхронные двигатели разделяются на два вида: двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором. Рассмотрим устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (рис. 1.12.). Двигатели этого вида имеют наиболее широкое применение.

Неподвижная часть двигателя — статор — состоит из корпуса 11 и сердечника 10 с трехфазной обмоткой. Корпус двигателя отливают из алюминиевого сплава или из чугуна либо делают сварным. Рассматриваемый двигатель имеет закрытое обдуваемое исполнение. Поэтому поверхность его корпуса имеет ряд продольных ребер, назначение которых состоит в том, чтобы увеличить поверхность охлаждения двигателя.

В корпусе расположен сердечник статора 10, имеющий шихтованную конструкцию: отштампованные листы из тонколистовой электротехнической стали толщиной обычно 0,5 мм; покрыты слоем изоляционного лака, собраны в пакет и, скреплены специальными скобами или продольными сварными швами по наружной поверхности пакета. Такая конструкция сердечника способствует значительному уменьшению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. На внутренней поверхности сердечника статора имеются продольные пазы, в которых расположены пазовые части обмотки статора, соединенные в определенном порядке лобовыми частями, находящимися за пределами сердечника по его торцовым сторонам.

Рис. 1.13. Устройство трехфазного асинхронного двигателя короткозамкнутым ротором:

1 — вал; 2,6 — подшипники; 3,7 — подшипниковые щиты; 4 — коробка выводов; 5 — вентилятор; 8 — кожух вентилятора; 9 — сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой; 10 — сердечник статора с обмоткой; 11 — корпус; 12 — лапы.

В расточке статора расположена вращающаяся часть двигателя — ротор, состоящий из вала 1 и сердечника 9 с короткозамкнутой обмоткой. Такая обмотка, называемая «беличье колесо», представляет собой ряд металлических (алюминиевых или медных) стержней, расположенных в пазах сердечника ротора, замкнутых с двух сторон короткозамыкающими кольцами (рис. 1.13, а). Сердечник ротора также имеет шихтованную конструкцию, но листы ротора не покрыты изоляционным лаком, а имеют на своей поверхности тонкую пленку окисла. Это является достаточной изоляцией, ограничивающей вихревые токи, так как величина их невелика из-за малой частоты перемагничивания сердечника ротора. Например, при частоте сети 50 Гц и номинальном скольжении 6% частота перемагничивания сердечника ротора составляет 3 Гц.

Рис. 1.13, а.

Короткозамкнутая обмотка ротора в большинстве двигателей выполняется заливкой собранного сердечника ротора расплавленным алюминиевым сплавом. При этом одновременно со стержнями обмотки отливаются короткозамыкающие кольца и вентиляционные лопатки. Вал ротора вращается в подшипниках качения 2 и б, расположенных в подшипниковых щитах 3 и 7. Охлаждение двигателя осуществляется методом обдува. Поток воздуха создается центробежным вентилятором 5, прикрытым кожухом 8. На торцовой поверхности этого кожуха имеются отверстия для забора воздуха. Двигатели мощностью 15 кВт и более помимо закрытого делают еще и защищенного исполнения с внутренней самовентиляцией. В подшипниковых щитах этих двигателей имеются отверстия (жалюзи), через которые воздух посредством вентилятора прогоняется через внутреннюю полость двигателя. При этом воздух «омывает» нагретые части (обмотки, сердечники) двигателя и охлаждение получается более эффективным, чем при наружном обдуве. Концы обмоток фаз выводят на зажимы коробки выводов 4. Монтаж двигателя в месте его установки осуществляется либо посредством лап 12 (см. рис. 1.12), либо посредством фланца.

1.4 Синхронный двигатель

1.4.1 Принцип действия синхронного двигателя

Принцип действия синхронной машины был рассмотрен ранее в разделе синхронный генератор.

1.4.2 Устройство синхронного двигателя

Большую группу синхронных машин составляют синхронные двигатели, которые обычно изготовляются мощностью до нескольких тысяч киловатт и предназначены для привода мощных вентиляторов, мельниц, насосов и других устройств, не требующих регулирования частоты вращения. Рассмотрим устройство синхронного двигателя серии СДН2 (рис. 1.13.).

1.4.3 Устройство синхронного двигателя серии СДН2

Двигатели этой серии изготовляются мощностью от 315 до 4000 кВт при частотах вращения от 300 до 1000 об/мин и предназначены для включения в сеть частотой 50 Гц при напряжении 6 Кв.

Сердечник статора 4, запрессованный в стальной корпус, состоит из пакетов-сегментов, собранных из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Для лучшего охлаждения двигателя пакеты разделены радиальными вентиляционными каналами шириной по 10 мм. Обмотка статора 12 двухслойная с укороченным шагом. Сердечники полюсов 11 ротора крепятся к остову 3 шпильками 5. Обмотка ротора состоит из полюсных катушек. Контактные кольца 8 крепятся на конце вала. На роторе имеются лопатки б центробежного вентилятора. Стояковые подшипники скольжения 2 и / установлены на подшипниковых полущитах 1 и 9. Двигатель с торцовых сторон прикрыт стальными щитами 13. В обшивке 10 корпуса имеются вентиляционные окна, прикрытые жалюзи. На боковой поверхности корпуса расположена коробка выводов 14. Возбуждение двигателей осуществляется от тиристорных преобразователей с автоматическим регулированием тока возбуждения при пуске и остановке двигателей.

На рис. 19.8 показано более подробно устройство элемента синхронного двигателя, характерное для большинства конструкций. На вал 1 посажен шихтованный обод 2, на котором посредством Т-образного хвостовика крепится сердечник полюса 3, выполненный заодно с полюсным наконечником.

1.4.4 Полюс синхронного двигателя

Сердечники полюсов изготовлены из штампованных листов конструкционной стали толщиной 1,0 или 1,5 мм. Хвостовик полюса запирается в продольном пазе обода посредством клиньев 9. Возможно также Крепление полюсов к ободу посредством «ласточкина хвоста» (рис. 1.14.) или шпилек. Стальные щеки 4, стягиваемые шпильками, предотвращают распушение пакета полюса ротора. Щеки имеют заплечики, удерживающие полюсную катушку ротора 5. В пазах полюсных наконечников расположены латунные или медные стержни 6 пусковой (успокоительной) обмотки, замкнутые с двух сторон сегментами 7. Между наружной поверхностью полюсного наконечника и внутренней поверхностью сердечника статора 8 имеется воздушный зазор. По оси полюса этот зазор 6 минимален, а на краях — максимален δ _тах. Такая конфигурация полюсного наконечника необходима для синусоидального распределения магнитной индукции в воздушном зазоре. Она достигается тем, что поверхность полюсного наконечника имеет радиус R < (D1 - 2δ)/2, где D1— диаметр расточки сердечника статора.

2. Расчёт установившегося режима силовых элементов сети

2.1 Исходные данные для варианта 18

Таблица 2.1 Состав и мощность силовых элементов сети

Узел нагрузки

Питающая сеть

АД

СД

СН

ТР

СГ

U_вн,

_кВ

U_нн,

_кВ

P_н,

_кВт

n_p,

_об/мин

P_н,

_кВт

I_во,

_А

P_н,

_кВт

Q_н,

_кВАр

S_н,

_кВА

P_н,

_кВт

I_в0,

_А

2500

365

4000

180

10000

2000

40000

360

150

Синхронная частота вращения асинхронного двигателя n_c_АД=375 об/мин, синхронного двигателя n_c_СД=250 об/мин. Схемы соединений обмоток статора АД, СД, СГ-Y, трансформаторов-Y/.

Таблица 2.2 Исходные данные потребителей

АД

СД



cos

M_m/M_н

М_п/М_н

I_п/I_н



cos

x_d

x_q

0,92

0,79

1,8

0,8

5,6

0,91

0,87

1,2

0,9

Таблица 2.3

T_p1, T_p2

СГ

ЛЭП

u_k,%

P₀, кВт

Pк, кВт

I_m,%

cos

x_c, о.е.

l, км

174

0,8

0,86

2,2

Параметры силовых элементов питающей сети

Индивидуальное задание по анализу режимов работы и характеристик силовых элементов сети.

Рассчитать и построить в одних координатных осях кривую к.п.д. в функции нагрузки η=ƒ(β)

Для cosφ=1 при U=1 и U=0.9

Найти оптимальную нагрузку и максимальный к.п.д.

2.2 Расчет параметров и номинальных величин элементов

2.2.1 Параметры трансформаторов

Электрические параметры, приведённые к ВН:

индуктивное сопротивление взаимоиндукции

, где

активное сопротивление, обусловленное магнитными потерями в стали сердечника

активное сопротивление первичной обмотки и активное приведённое сопротивление вторичной обмотки

индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки и индуктивное приведённое сопротивление рассеяния вторичной обмотки

базисные величины:

электрические параметры трансформатора в относительных единицах:

0,008

0,06

0,0022

125

31,3

Рис. 2.2. Полная схема замещения трансформатора.

2,44 Ом

73,1 Ом

0,0043 о.е

0,13 о.е

Рис. 2.3. Упрощённая схема замещения трансформатора

2.2.2 Параметры асинхронного двигателя

Электрические параметры «Г» образной схемы замещения и номинальные величины.

Рис. 2.4. «Г» - образная схема замещения асинхронного двигателя.

0,031

0,191

0,031

-0,799

0,578

0,191

1,54

Неравенство вызвано погрешностью определения токов «Г»-образной схемы замещения, а так же тем, что сопротивление намагничивающего контура принято индуктивным, хотя оно имеет активно-индуктивный характер.

Рис.2.5.Упрощённая векторная диаграмма асинхронного двигателя. Масштаб в 1 см 0,2 о.е.

Базисные величины эквивалентного АД (рис.2.1):

2.2.3 Параметры синхронного двигателя

Электрические параметры и номинальные величины:

Эквивалентная ЭДС явнополюсного двигателя

где

рассчитаем угол _ном между векторами и и угол _ном между векторами и

проекция вектора тока статора на продольную ось

ЭДС холостого хода

ток возбуждения двигателя при нагрузке

x_q=0,9

E_q=1,63

U_c=1

Рис. 2.6. Схема замещения синхронного явнополюсного двигателя

Рис. 2.7. Векторная диаграмма синхронного явнополюсного двигателя.

Масштаб в 1 см 0,2 о.е.

=28,5

=29,5

I_в0=180 А

I_d=0,848

I_вном=338 А

I=1

U_c=1

Ix_d=1.2

I_d(x_d-x_q)=0,25

E₀=1,88

Базисные величины:

Базисные величины эквивалентного СД:

2.2.4 Параметры статической нагрузки

Электрические параметры и номинальные величины:

2.2.5 Параметры синхронного генератора

Электрические параметры и номинальные величины:

ЭДС неявнополюсного генератора

где

7,5 Ом

10 Ом

Рис.2.12. Cхема замещения линии электропередачи

2.3 Расчёт сопротивления связи между шинами генераторного напряжения и шинами узла нагрузки

Сопротивление связи приведённое к напряжению 150 кВ.

;

Для перехода к относительным единицам примем в качестве базисной мощности сети номинальную мощность генератора и разделим на базисное сопротивление , тогда получим:

;

2,2

Рис. 2.13. Схема замещения электроснабжения узла нагрузки

E₀

x_c

r_T1

x_T1

r_T2

x_T2

r_л

x_л

U_Г

U_Т1

U_Т2

U_У

0,005

0,151

0,005

0,151

0,021

0,015

Z_св=0,025+j0,322

При одинаковой базовой мощности генератора и сети x_C генератора в о.е. остаётся неизменным и равным x_C=2,2 о.е..

2.4 Расчёт номинального режима потребителей узла при напряжении узла U_у=1 о.е.

2.4.1 Расчёт режима АД

Рассчитаем механическую характеристику АД по схеме замещения АД.

Расчёт достаточно выполнить до , которому соответствует максимальный момент

Результаты расчёта сведены в таблицу

Таблица 2.4

S, о.е.

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,1

М,о.е.

0,312

0,586

0,809

0,974

1,088

1,158

1,195

1,205

1,202

1,182

М/М_ном

0,42

0,78

1,08

1,30

1,45

1,54

1,59

1,61

1,6

1,58

Построим график.

Рис. 2.14. Зависимость

Из графика, для номинального внешнего момента, величина номинального скольжения:

s_N=0,028. Уточним это значение.

откуда

s_N=0,026 о.е..

Определим величину и фазовый сдвиг тока ротора.

;

Определим величину и фазовый сдвиг тока cтатора.

;

Отличие величины I₁ от единицы при номинальном напряжении объясняется приближённым определением параметров двигателя.

Потребляемая мощность двигателя из сети

;

В именованных единицах для :

;

2.4.2 Расчёт установившегося режима СД

Рассчитаем угловую характеристику СД в диапазоне  от 0 до 90

Для явнополюсной синхронной машины при угловые характеристики

При расчёте угловой характеристики в о.е. P=M

Результаты сведены в таблицу:

Таблица 2.5

, град

М, о.е.

0,320

0,626

0,905

1,145

1,338

1,478

1,562

1,591

1,567

М/М_ном

0,368

0,719

1,040

1,316

1,538

1,699

1,796

1,828

1,801

Построим зависимость и по ней для номинального момента определим угол _N.

Рис. 2.15. Зависимость

Уточнённое значение =28,7, ему соответствует:

активная мощность

Реактивная мощность

В дальнейшем при определении суммарной мощности узла будем учитывать, что реактивная мощность двигателя генерируется в сеть и её нужно суммировать со знаком “-“. Генерирование Q в сеть происходит в режиме перевозбуждения СД, когда i_в>i_в0.

В именованных единицах для :

2.4.3 Расчёт режима статической нагрузки

В именованных единицах для

2.5 Расчёт суммарной мощности узла при напряжении узла U_у=1 о.е.

Приведём к базисной мощности сети :

Ток в узле равен

В относительных единицах

По результатам расчёта режима потребителей построим диаграмму токов. С этой целью сведём данные по токам в таблицу.

Таблица 2.6.

АД

СД

СН

Узел

I, A

1086

875

589

2136

, град

47,3

-28,7

11,3

13,4

13,4

11,3

28,7

47,3

Рис.2.16. Диаграмма токов потребителей. Масштаб в 1см 400 А.

2.6 Расчёт режима питающей сети при напряжении узла U_у=1 о.е.

В соответствии со схемой (Рис. 2.13) определим величину напряжения в разлиных точках питающей сети, взаимные фазовые сдвиги, потоки мощности,Э.Д.С. генератора и его ток возбуждения. Ток во всех элементах питающей сети будет одинаковым и равным току узла.

Трансформатор Тр2

линия электропередачи

трансформатор Тр1

синхронный генератор

Мощность силовых элементов удобнее представить в физических единицах. Умножив их на

Таблица 2.7

Элемент сети

Выходная мощность

Потери мощности

S,кВА

P,кВт

Q,кВАр

S,кВА

P,кВт

Q,кВАр

СГ

40790

36650

18092

Тр1

39069

36511

13674

1720

139

4418

ЛЭП

38045

36092

13069

1024

419

605

Тр2

37006

35978

8662

1039

114

4407

Результаты расчёта режима сети представим в виде диаграммы наряжений, потоков мощности (рис.2.18) и векторной диаграммы (рис.2.17).

2.7 Расчёт номинального режима потребителей узла при напряжении узла U_у=0,9 о.е.

2.7.1 Расчёт режима АД

Рассчитаем механическую характеристику АД по схеме замещения АД.

Расчёт достаточно выполнить до , которому соответствует максимальный момент

Результаты расчёта сведены в таблицу

Таблица 2.8

S, о.е.

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,1

М,о.е.

0,252

0,475

0,655

0,789

0,881

0,938

0,968

0,976

0,974

0,958

М/М_ном

0,348

0,654

0,902

1,087

1,214

1,292

1,333

1,345

1,341

1,319

Построим график.

Рис. 2.19. Зависимость

Из графика, для номинального внешнего момента, величина номинального скольжения:

s_N=0,035. Уточним это значение.

откуда

s_N=0,035 о.е..

Определим величину и фазовый сдвиг тока ротора.

;

Определим величину и фазовый сдвиг тока cтатора.

;

Потребляемая мощность двигателя из сети

;

В именованных единицах для :

;

2.7.2 Расчёт установившегося режима СД

Рассчитаем угловую характеристику СД в диапазоне  от 0 до 90

Для явнополюсной синхронной машины при угловые характеристики

При расчёте угловой характеристики в о.е. P=M

Результаты сведены в таблицу:

Таблица 2.9

, град

М, о.е.

0,282

0,553

0,800

1,015

1,188

1,316

1,396

1,426

1,410

М/М_ном

0,325

0,636

0,920

1,166

1,366

1,513

1,604

1,639

1,621

Построим зависимость и по ней для номинального момента определим угол _N.

Рис. 2.20. Зависимость

Уточнённое значение =33,1, ему соответствует:

активная мощность

Реактивная мощность

В именованных единицах для :

2.7.3 Расчёт режима статической нагрузки

В именованных единицах для

2.8 Расчёт суммарной мощности узла при напряжении узла U_у=1 о.е.

Приведём к базисной мощности сети

Ток в узле равен

В относительных единицах

Таблица 2.10

АД

СД

СН

Узел

I, A

1032

910

589

1893

, град

49,9

-22,3

11,3

15,1

15,1

11,3

22,3

49,9

Рис.2.21. Диаграмма токов потребителей. Масштаб в 1см 400 А.

2.9 Расчёт режима питающей сети при напряжении узла U_у=0,9 о.е.

Трансформатор Тр2

Линия электропередачи

трансформатор Тр1

Синхронный генератор

Мощность силовых элементов удобнее представить в физических единицах. Умножив их на

Таблица 2.11

Элемент сети

Выходная мощность

Потери мощности

S,кВА

P,кВт

Q,кВАр

S,кВА

P,кВт

Q,кВАр

СГ

36743

32325

17581

Тр1

34697

32185

13302

2046

140

4279

ЛЭП

33860

31767

12744

837

418

558

Тр2

32800

31660

8574

1060

107

4170

3. Анализ режимов работы и характеристик силовых элементов сети

Для расчета и построения кривых КПД в функции пользуемся следующими данными: 80 кВт, 174 кВт, 40000 кВА.

3.1 Расчет КПД для при U=1

;

Для расчета КПД используем данную формулу:

Результаты расчетов сведем в таблицу

Таблица

0,2

0,4

0,6

0,8

99,4

99,5

99,4

3.2 Расчет КПД для при U=0,9

;

Для расчета КПД используем аналогичную формулу, полученные результаты занесем в таблицу

Таблица

0,2

0,4

0,6

0,8

98,9

99,3

99,4

99,3

3.3 График зависимости КПД трансформатора

Рис. 3.1 График зависимости

Как видно из графика зависимости при понижении напряжения сети КПД трансформатора уменьшается. При U=1 КПД трансформатора имеет максимальное значение .