Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Принцип действия машины постоянного тока

Рис. 11.2

Рассмотрим работу машины постоянного тока на модели рис. 11.2,

где 1 – полюсы индуктора, 2 – якорь, 3 – проводники, 4 – контактные щетки.

Проводники якорной обмотки расположены на поверхности якоря. Очистим внешние поверхности проводников от изоляции и наложим на проводники неподвижные контактные щетки.

Контактные щетки размещены на линии геометрической нейтрали, проведенной посредине между полюсами.

Приведем якорь машины во вращение в направлении, указанном стрелкой.

Определим направление ЭДС, индуктированных в проводниках якорной обмотки по правилу правой руки.

На рис. 11.2 крестиком обозначены ЭДС, направленные от нас, точками – ЭДС, направленные к нам. Соединим проводники между собой так, чтобы ЭДС в них складывались. Для этого соединяют последовательно конец проводника, расположенного в зоне одного полюса с концом проводника, расположенного в зоне полюса противоположной полярности (рис. 11.3)

Два проводника, соединенные последовательно, образуют один виток или одну катушку. ЭДС проводников, расположенных в зоне одного полюса, различны по величине. Наибольшая ЭДС индуктируется в проводнике, расположенном под срединой полюса, ЭДС, равная нулю, – в проводнике, расположенном на линии геометрической нейтрали.

Если соединить все проводники обмотки по определенному правилу последовательно, то результирующая ЭДС якорной обмотки равна нулю, ток в обмотке отсутствует. Контактные щетки делят якорную обмотку на две параллельные ветви. В верхней параллельной ветви индуктируется ЭДС одного направления, в нижней параллельной ветви – противоположного направления. ЭДС, снимаемая контактными щетками, равна сумме электродвижущих сил проводников, расположенных между щетками.

На рис. 11.4 представлена схема замещения якорной обмотки.

Рис. 11.4

В параллельных ветвях действуют одинаковые ЭДС, направленные встречно друг другу. При подключении к якорной обмотке сопротивления в параллельных ветвях возникают одинаковые токи , через сопротивление RH протекает ток IЯ.

ЭДС якорной обмотки пропорциональна частоте вращения якоря n2 и магнитному потоку индуктора Ф

 (11.1)

где Се – константа.

В реальных электрических машинах постоянного тока используется специальное контактное устройство – коллектор. Коллектор устанавливается на одном валу с сердечником якоря и состоит из отдельных изолированных друг от друга и от вала якоря медных пластин. Каждая из пластин соединена с одним или несколькими проводниками якорной обмотки. На коллектор накладываются неподвижные контактные щетки. С помощью контактных щеток вращающаяся якорная обмотка соединяется с сетью постоянного тока или с нагрузкой.

Работа электрической машины постоянного тока в режиме генератора

Любая электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. может работать в режиме генератора или двигателя. Если к зажимам приведенного во вращение якоря генератора присоединить сопротивление нагрузки, то под действием ЭДС якорной обмотки в цепи возникает ток

где U – напряжение на зажимах генератора;

Rя – сопротивление обмотки якоря.

 (11.2)

Уравнение (11.2) называется основным уравнением генератора. С появлением тока в проводниках обмотки возникнут электромагнитные силы.

На рис. 11.5 схематично изображен генератор постоянного тока, показаны направления токов в проводниках якорной обмотки.

Рис. 11.5

Воспользовавшись правилом левой руки, видим, что электромагнитные силы создают электромагнитный момент Мэм, препятствующий вращению якоря генератора.

Чтобы машина работала в качестве генератора, необходимо первичным двигателем вращать ее якорь, преодолевая тормозной электромагнитный момент.

Генераторы с независимым возбуждением. Характеристики генераторов

Магнитное поле генератора с независимым возбуждением создается током, подаваемым от постороннего источника энергии в обмотку возбуждения полюсов.

Схема генератора с независимым возбуждением показана на рис. 11.6.

Магнитное поле генераторов с независимым возбуждением может создаваться от постоянных магнитов (рис. 11.7).

                   Рис. 11.6                       Рис. 11.7

Зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения называется характеристикой холостого хода E = Uхх = f (Iв).

Характеристику холостого хода получают при разомкнутой внешней цепи (Iя) и при постоянной частоте вращения (n2 = const)

Характеристика холостого хода генератора показана на рис. 11.8.

Из-за остаточного магнитного потока ЭДС генератора не равна нулю при токе возбуждения, равном нулю.

При увеличении тока возбуждения ЭДС генератора сначала возрастает пропорционально.

Соответствующая часть характеристики холостого хода будет прямолинейна. Но при дальнейшем увеличении тока возбуждения происходит магнитное насыщение машины, отчего кривая будет иметь изгиб. При последующем возрастании тока возбуждения ЭДС генератора почти не меняется. Если уменьшать ток возбуждения, кривая размагничивания не совпадает с кривой намагничивания из-за явления гистерезиса.

Зависимость напряжения на внешних зажимах машины от величины тока нагрузки.

U = f (I) при токе возбуждения Iв = const называют внешней характеристикой генератора.

Внешняя характеристика генератора изображена на рис. 11.9.

Рис. 11.8                                          Рис. 11.9

С ростом тока нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается из-за увеличения падения напряжения в якорной обмотке.

Генераторы с самовозбуждением. Принцип самовозбуждения генератора с параллельным возбуждением

Недостатком генератора с независимым возбуждением является необходимость иметь отдельный источник питания. Но при определенных условиях обмотку возбуждения можно питать током якоря генератора.

Самовозбуждающиеся генераторы имеют одну из трех схем: с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. На рис. 11.10 изображен генератор с параллельным возбуждением.

Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке. В цепь возбуждения включен реостат Rв. Генератор работает в режиме холостого хода.

Чтобы генератор самовозбудился, необходимо выполнение определенных условий.

Первым из этих условий является наличие остаточного магнитного потока между полюсами. При вращении якоря остаточный магнитный поток индуцирует в якорной обмотке небольшую остаточную ЭДС.

Вторым условием является согласное включение обмотки возбуждения. Обмотки возбуждения и якоря должны быть соединены таким образом, чтобы ЭДС якоря создавала ток, усиливающий остаточный магнитный поток. Усиление магнитного потока приведет к увеличению ЭДС. Машина самовозбуждается и начинает устойчиво работать с каким-то током возбуждения Iв = const и ЭДС Е = const, зависящими от сопротивления Rв в цепи возбуждения.

Третьим условием является то, что сопротивление цепи возбуждения при данной частоте вращения должно быть меньше критического. Изобразим на рис. 11.11 характеристику холостого хода генератора E = f (Iв) (кривая 1) и вольт – амперную характеристику сопротивления цепи возбуждения Uв = Rв·Iв, где Uв – падение напряжения в цепи возбуждения. Эта характеристика представляет собой прямую линию 2, наклоненную к оси абсцисс под углом γ (tg γ ~ Rв).

Ток обмотки возбуждения увеличивает магнитный поток полюсов при согласном включении обмотки возбуждения. ЭДС, индуцированная в якоре, возрастает, что приводит к дальнейшему увеличению тока обмотки возбуждения, магнитного потока и ЭДС. Рост ЭДС от тока возбуждения замедляется при насыщении магнитной цепи машины.

Падение напряжения в цепи возбуждения пропорционально росту тока. В точке пересечения характеристики холостого хода машины 1 с прямой 2 процесс самовозбуждения заканчивается. Машина работает в устойчивом режиме.

Если увеличим сопротивление цепи обмотки возбуждения, угол наклона прямой 2 к оси тока возрастает. Точка пересечения прямой с характеристикой холостого хода смещается к началу координат. При некотором значении сопротивления цепи возбуждения Rкр, когда
γ = γкр, самовозбуждение становится невозможным. При критическом сопротивлении вольт – амперная характеристика цепи возбуждения становится касательной к прямолинейной части характеристики холостого хода, а в якоре появляется небольшая ЭДС.

7–3 Автоматическое включение резерва (АВР): назначение, условие включения

Выписка из ПУЭ:

3.3.30. Устройства АВР должны предусматриваться для восстановления питания потребителей путем автоматического присоединения резервного источника питания при отключении рабочего источника питания, приводящем к обесточению электроустановок потребителя. Устройства АВР должны предусматриваться также для автоматического включения резервного оборудования при отключении рабочего оборудования, приводящем к нарушению нормального технологического процесса.

Устройства АВР также рекомендуется предусматривать, если при их применении возможно упрощение релейной защиты, снижение токов КЗ и удешевление аппаратуры за счет замены кольцевых сетей радиально-секционированными и т.п.

Устройства АВР могут устанавливаться на трансформаторах, линиях, секционных и шиносоединительных выключателях, электродвигателях и т.п.

3.3.31. Устройство АВР, как правило, должно обеспечивать возможность его действия при исчезновении напряжения на шинах питаемого элемента, вызванном любой причиной, в том числе КЗ на этих шинах (последнее – при отсутствии АПВ шин, см. также 3.3.42).

3.3.32. Устройство АВР при отключении выключателя рабочего источника питания должно включать, как правило, без дополнительной выдержки времени, выключатель резервного источника питания (см. также 3.3.41). При этом должна быть обеспечена однократность действия устройства.

3.3.33. Для обеспечения действия АВР при обесточении питаемого элемента в связи с исчезновением напряжения со стороны питания рабочего источника, а также при отключении выключателя с приемной стороны (например, для случаев, когда релейная защита рабочего элемента действует только на отключение выключателей со стороны питания) в схеме АВР в дополнение к указанному в 3.3.32 должен предусматриваться пусковой орган напряжения. Указанный пусковой орган при исчезновении напряжения на питаемом элементе и при наличии напряжения со стороны питания резервного источника должен действовать с выдержкой времени на отключение выключателя рабочего источника питания с приемной стороны. Пусковой орган напряжения АВР не должен предусматриваться, если рабочий и резервный элементы имеют один источник питания.

3.3.34. Для трансформаторов и линий малой протяженности с целью ускорения действия АВР целесообразно выполнять релейную защиту с действием на отключение не только выключателя со стороны питания, но и выключателя с приемной стороны. С этой же целью в наиболее ответственных случаях (например, на собственных нуждах электростанций) при отключении по каким-либо причинам выключателя только со стороны питания должно быть обеспечено немедленное отключение выключателя с приемной стороны по цепи блокировки.

3.3.35. Минимальный элемент напряжения пускового органа АВР, реагирующий на исчезновение напряжения рабочего источника, должен быть отстроен от режима самозапуска электродвигателей и от снижения напряжения при удаленных КЗ. Напряжение срабатывания элемента контроля напряжения на шинах резервного источника пускового органа АВР должно выбираться по возможности, исходя из условия самозапуска электродвигателей. Время действия пускового органа АВР должно быть больше времени отключения внешних КЗ, при которых снижение напряжения вызывает срабатывание элемента минимального напряжения пускового органа, и, как правило, больше времени действия АПВ со стороны питания.

Минимальный элемент напряжения пускового органа АВР, как правило, должен быть выполнен так, чтобы исключалась его ложная работа при перегорании одного из предохранителей трансформатора напряжения со стороны обмотки высшего или низшего напряжения; при защите обмотки низшего напряжения автоматическим выключателем при его отключении действие пускового органа должно блокироваться. Допускается не учитывать данное требование при выполнении устройств АВР в распределительных сетях 6–10 кВ, если для этого требуется специальная установка трансформатора напряжения.

3.3.36. Если при использовании пуска АВР по напряжению время его действия может оказаться недопустимо большим (например, при наличии в составе нагрузки значительной доли синхронных электродвигателей), рекомендуется применять в дополнение к пусковому органу напряжения пусковые органы других типов (например, реагирующие на исчезновение тока, снижение частоты, изменение направления мощности и т.п.).

В случае применения пускового органа частоты последний при снижении частоты со стороны рабочего источника питания до заданного значения и при нормальной частоте со стороны резервного питания должен действовать с выдержкой времени на отключение выключателя рабочего источника питания.

При технологической необходимости может выполняться пуск устройства автоматического включения резервного оборудования от различных специальных датчиков (давления, уровня и т.п.).

3.3.37. Схема устройства АВР источников питания собственных нужд электростанций после включения резервного источника питания взамен одного из отключающихся рабочих источников должна сохранять возможность действия при отключении других рабочих источников питания.

3.3.38. При выполнении устройств АВР следует проверять условия перегрузки резервного источника питания и самозапуска электродвигателей и, если имеет место чрезмерная перегрузка или не обеспечивается самозапуск, выполнять разгрузку при действии АВР (например, отключение неответственных, а в некоторых случаях и части ответственных электродвигателей; для последних рекомендуется применение АПВ).

3.3.39. При выполнении АВР должна учитываться недопустимость его действия на включение потребителей, отключенных устройствами АЧР. С этой целью должны применяться специальные мероприятия (например, блокировка по частоте); в отдельных случаях при специальном обосновании невозможности выполнения указанных мероприятий допускается не предусматривать АВР.

3.3.40. При действии устройства АВР, когда возможно включение выключателя на КЗ, как правило, должно предусматриваться ускорение действия защиты этого выключателя (см. также 3.3.4). При этом должны быть приняты меры для предотвращения отключений резервного питания по цепи ускорения защиты за счет бросков тока включения.

С этой целью на выключателях источников резервного питания собственных нужд электростанций ускорение защиты должно предусматриваться только в случае, если ее выдержка времени превышает 1–1,2 с; при этом в цепь ускорения должна быть введена выдержка времени около 0,5 с. Для прочих электроустановок значения выдержек времени принимаются, исходя из конкретных условий.

3.3.41. В случаях, если в результате действия АВР возможно несинхронное включение синхронных компенсаторов или синхронных электродвигателей и если оно для них недопустимо, а также для исключения подпитки от этих машин места повреждения следует при исчезновении питания автоматически отключать синхронные машины или переводить их в асинхронный режим отключением АГП с последующим автоматическим включением или ресинхронизацией после восстановления напряжения в результате успешного АВР.

Для предотвращения включения резервного источника от АВР до отключения синхронных машин допускается применять замедление АВР. Если последнее недопустимо для остальной нагрузки, допускается при специальном обосновании отключать от пускового органа АВР линию, связывающую шины рабочего питания с нагрузкой, содержащей синхронные электродвигатели.

Для подстанций с синхронными компенсаторами или синхронными электродвигателями должны применяться меры, предотвращающие неправильную работу АЧР при действии АВР (см. 3.3.79).

3.3.42. С целью предотвращения включения резервного источника питания на КЗ при неявном резерве, предотвращения его перегрузки, облегчения самозапуска, а также восстановления наиболее простыми средствами нормальной схемы электроустановки после аварийного отключения и действия устройства автоматики рекомендуется применять сочетание устройств АВР и АПВ. Устройства АВР должны действовать при внутренних повреждениях рабочего источника, АПВ – при прочих повреждениях.

После успешного действия устройств АПВ или АВР должно, как правило, обеспечиваться возможно более полное автоматическое восстановление схемы доаварийного режима (например, для подстанций с упрощенными схемами электрических соединений со стороны высшего напряжения – отключение включенного при действии АВР секционного выключателя на стороне низшего напряжения после успешного АПВ питающей линии).

7.4 Схема управления АД с тиристорным преобразователем

Тиристорный преобразователь с пассивными фильтрами (рис. 1) содержит три пары встречно-параллельно соединенных тиристоров, подключенных между питающей сетью и нагрузкой. Схема обладает структурной симметрией и осуществляет ступен-чатый переход от работы на пониженной частоте к частоте питающей сети, то есть к работе АД на естественной механической характеристике. Высокая надежность данного тиристорного преобразователя обусловлена схемотехнической простотой и естественной коммутацией вентилей.

В преобразователе используется квазичастотное управление (КЧУ), совмещающее особенности параметрического и частотного регулирования. Выходная частота преобразователя изменяется в соответствии с сигналами модуляции (прямоугольными, трапецеидальными, треугольными, синусоидальными и др.). Регулирование действующего значения выходного напряжения и тока производится за счет изменения угла включения тиристоров. Таким образом, осуществляется однополупериодное формирование напряжения статора пониженной частоты. В результате в выходном напряжении преобразователя наряду с основной (низкочастотной) гармонической составляющей присутствуют гармоники с частотой питающей сети. При работе тиристорного преобразователя на АД электромагнитный момент в режиме прерывистого тока имеет импульсный и, на отдельных интервалах, знакопеременный характер.

Для обеспечения непрерывности тока в обмотках статора АД в интервалах времени его отключения от питающей сети в тиристорном преобразователе используют энергию, накапливаемую в реактивных элементах фильтров, включенных на выходе тиристорного преобразователя. Продолжительность интервалов отключенного состояния при одноимпульсном формировании выходного напряжения и тока l0 і 0,5Тс, где Тс – период напряжения питающей сети, непрерывность протекания тока обеспечивается при периодическом переходном процессе с частотой свободных колебаний, равной или меньшей частоты сети w. Емкость конденсаторов фильтра:

С і 4LН/()

где Lн – индуктивность нагрузки;

Rн – сопротивление нагрузки.

При увеличении угла включения тиристоров a в целях ограничения действующего значения фазного тока продолжительность интервалов отключенного состояния возрастает, и для обеспечения непрерывности тока в паузе (а также соответствия направления его протекания полярности сигнала модуляции) емкость С следует увеличить.

Индуктивности L1, L2, L3 не участвуют в формировании тока в интервалах отключенного состояния, однако включение дросcелей в продольную ветвь фильтра необходимо для ограничения бросков зарядного тока конденсаторов. Значение индуктивности выбирается из условия ограничения тока до допустимого для тиристоров значения или из условия обеспечения электромагнитной совместимости преобразователя с сетью.

В результате определены следующие параметры элементов фильтра в преобра-зователе: С1…С3 = 100 мкФ, L1…L3= 45 мГн. Емкость С рассчитывается по формуле С і 4LН/(), выбранное значение соответствует минимально возможному при соблюдении условия непрерывности протекания тока в обмотках статора АД в интервалах откпюченного состояния.

Экспериментально полученные механические характеристики АД 4А71А4УЗ (Рном = 0,55 кВт) при его работе с данным преобразователем показаны на рис. 2 (выходная частота МНПЧ fвых = fс/7, где fс – частота питающей сети; действующее значение фазного тока равно номинальному при угле включения тиристоров a = 900 эл.). Максимальное значение электромагнитного момента, развиваемого АД, в схеме без фильтра составило около 0,45 Мнои, с фильтром – до 0,8Мном. Пусковой момент увеличился более чем вдвое.

Рис. 1. Схема тиристорного преобразователя с LC-фильтрами

Рис. 2. Экспериментальные механические характеристики АД типа 4А71А4УЗ в двигательном режиме при квазичастотном регулировании (m = М / Мном):

1 – без фильтра, 2 – с фильтром

Функциональные схемы управления АД.

Т-образная схема замещения АД

Функциональная схема электропривода с АД и регулятором напряжения

Схема тиристорного регулятора напряжения (а) и форма напряжения на статоре АД при различных значениях угла регулирования (б, в)

Функциональная схема замкнутой системы электропривода с АД и ТРН (а) и включение тиристоров для реверсивного управления (б)

Схема импульсного регулятора скорости АД на симмисторах в цепи ротора

Импульсное регулирование в цепи ротора АД:

а – электрическая схема; б – временные диаграммы работы регулятора; в-механические характеристики в замкнутой системе

Для управления асинхронным двигателем могут использоваться тиристоры в сочетании с релейно-контакторными аппаратами. Тиристоры применяются в качестве силовых элементов и включаются в статорную цепь, релейно-контакторные аппараты включаются в цепь управления.

Используя тиристоры в качестве силовых коммутаторов, можно на статор при пуске подавать напряжение от нуля до номинального значения, ограничивать токи и моменты двигателя, осуществлять эффективное торможение либо шаговый режим работы. Такая схема приведена на рис. 1.33.

Силовая часть схемы состоит из группы тиристоров VS1…VS4, включенных встречно-параллельно в фазы Аи С. Между фазами Аи В включен короткозамыкающий тиристор VS5. Схема состоит из силовой цепи (рис. 1.33, а), цепи управления (рис. 1.33, б) и блока управления тиристорами – БУ (рис. 1.33, в).

Для пуска двигателя включается автоматический выключатель QF, нажимается кнопка SB1 «Пуск», в результате чего включаются контакторы КМ1 и КМ2. На управляющие электроды тиристоров VS1…VS4 подаются импульсы, сдвинутые на 60е относительно питающего напряжения. К статору двигателя прикладывается пониженное напряжение, что приводит к снижению пускового тока и пускового момента.

Рис. 1.33. Тиристорное управление асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором

Размыкающий контакт КМ1 отключает реле KV1 с выдержкой времени, которая определяется резистором R7 и конденсатором С4. Размыкающими контактами реле KV1 шунтируются соответствующие резисторы в блоке управления, и на статор подается полное напряжение сети.

Для торможения нажимается кнопка SB2 «Стоп». Схема управления теряет питание, отключаются тиристоры VS1…VS4. Это приводит к тому, что на период торможения включается реле KV2 за счет энергии, запасенной конденсатором С5, и своими контактами включает тиристоры VS2. и VS5. Через фазы А и В статора проходит постоянный ток, который регулируется резисторами R1 и R3. Обеспечивается эффективное динамическое торможение.

Страницы: 1, 2