ПРИ НАГРУЗКЕ. ВЕКТОРНЫЕ ДИАГРАММЫ

 

Для определения МДС обмотки возбуждения при нагрузке используют векторные диаграммы (рис. 10-27).

Для их построения целесообразно использовать относительные значения параметров тока, напряжения, ЭДС и МДС.

Для более точного определения потока рассеяния полюсов при нагрузке необходимо иметь частичные характеристики намагничивания:

, , .

 

 

Рис. 10.27. векторные диаграммы:

а — для генератора; б — для двигателя

 

Здесь принято , , ; — базовое значение потока, равное потоку при номинальном фазном напряжении;

 

;

;

;

—базовое значение МДС, равное МДС обмотки возбуждения при холостом ходе и номинальном фазном напряжении. На рис. 10.28 все характеристики имеют одинаковые масштабы по соответствующим осям координат.

 

 

Рис. 10.28. Частичные характеристики намагничивания

Для оценки насыщения машины удобно построить зависимость (рис. 10.29). Указанные графики строятся по данным расчета магнитной цепи машины.

 

Рис. 10.29. Зависимость от отношения

 

Диаграмма при заданных номинальных значениях тока , напряжения и угла между ними строится следующим образом.

1. В выбранном масштабе для тока и напряжения откладывают вектор номинального фазного тока и под углом к нему— вектор фазного напряжения.

2. К вектору напряжения пристраивают векторы падения напряжения , , для генератора и , , для двигателя, в результате чего находят ЭДС , которая индуктируется в обмотке якоря при нагрузке. При векторы падения напряжения численно равны и . В крупных машинах падение напряжения в активном сопротивлении относительно мало и им можно пренебречь.

3. По из зависимости определяют отношение , по которому из рис. 10.25 находят коэффициенты и .

4. Определяют значение результирующей ЭДС по продольной оси и угол . Для этой цели находят МДС (в относительных единицах):

,

где

.

 

Отложив по оси абсцисс характеристики , на оси ординат получают ЭДС, равную (см. рис. 10.28). Добавляя эту ЭДС к вектору (или ), получают точку Д (см. рис. 10.27), через которую пройдет линия, совпадающая с направлением ЭДС (или ). Угол между током и этой линией является углом .

5. Опустив перпендикуляр из конца вектора (или ) на линию 0Д, находят ЭДС , наводимую в обмотке якоря результирующим потоком по продольной оси . Из характеристики по определяют МДС (см. рис. 10.28).

6. Определяют МДС продольной реакции якоря:

, ( см. рис. 10.25)

7. По сумме по характеристике определяют поток рассеяния полюса .

8. По потоку полюса из характеристики определяют сумму магнитных напряжений ротора .

9. Находят МДС обмотки возбуждения при нагрузке в относительных единицах

и в физических единицах (амперах)

.

Из характеристики холостого хода по определяют ЭДС , наводимую в обмотке статора при холостом ходе, а затем находят изменение напряжения на выводах машины (для генератора):

.

 

РАСЧЕТ ОБМОТКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ

 

О бмотка возбуждения синхронных машин подключается к источнику постоянного тока. До недавнего времени для питания обмоток возбуждения применялись специальные генераторы постоянного тока — возбудители.

В настоящее время для возбуждения синхронных машин применяют статические устройства. Серии синхронных машин общего назначения 13—21-го габаритов (СД2, СГ2, СДН2 и т. д.) оснащены комплектными тиристорными возбудительными устройствами (ТВУ). Особенностью ТВУ является бесконтактное и быстродействующее управление током возбуждения во всех эксплуатационных режимах и наличие автоматического регулирования возбуждения. Это повышает надежность и улучшает использование машин. Кроме того, КПД тиристорных возбудительных устройств выше, чем генераторов постоянного тока.

На рис. 10.30 приведена структурная схема одного из применяемых в настоящее время ТВУ. В ТВУ питание обмотки возбуждения происходит через тиристорный преобразователь или от сети переменного тока с напряжением 380 В через согласующий трансформатор ТСЗВ, или от дополнительной трехфазной обмотки, расположенной на статоре. Преобразователи осуществляют выпрямление переменного тока в постоянный и имеют трехфазную схему со средним выводом при выпрямленном напряжении до 100 В или трехфазную мостовую при напряжении выше 100 В. Параллельно обмотке возбуждения синхронного двигателя через тиристорный ключ подключен пусковой резистор.

Управление тиристорным преобразователем осуществляется фазоимпульсным устройством (ФИУ).

 

 

Рис. 10.30. Структурная схема тиристорного возбудителя

синхронного двигателя (питание от сети 380 В):

СГ — схема гашения поля; СФ — схема форсировки возбуждения;

АРВ — автоматический регулятор возбуждения; СП — схема пуска;

СЗП — схема защиты пускового сопротивления;

ФИУ — фазоимпульсное устройство; УУ — устройство управления;

БП — блок питания; СЗК — схема защиты от коротких замыканий;

СОТР — схема ограничения тока ротора; ДТР — датчик тока ротора;

СУ — схема установок угла регулирования; К — герконное реле

 

Функции управления и регулирования в ТВУ осуществляет электронная система управления, в комплект которой входит ряд блоков, показанных на рисунке.

В табл. 10.10 даны номинальные данные тиристорных возбудительных устройств серии ТВУ для синхронных двигателей.

 

Таблица 10.10. Номинальные данные тиристорных возбудительных устройств

 

Тип	Номинальные данные ТВУ	Пусковое сопротивление , Ом
, А	, В	, кВт	, В
ТВУ-46-320			14, 7		0, 385
ТВУ-65-320			20, 8		0, 51
ТВУ-80-320			25, 6		0, 64
ТВУ-105-320			33, 6		0, 8
ТВУ-137-320			43, 8		1, 02
ТВУ-166-320					1, 44
ТВУ-195-320					1, 44
ТВУ-217-320					1, 6

 

Кроме того, для синхронных машин 13-го и 14-го габаритов разработаны ТВУ с питанием от дополнительной обмотки статора. Выпрямленное напряжение этих устройств 25…36 B при токе 140…170 А.

Иногда для возбуждения синхронных машин применяют бесконтактные системы. В этом случае к обмотке возбуждения непосредственно (без контактных колец) подводят выпрямленное напряжение от машины переменного тока небольшой мощности (синхронной или асинхронной), якорь которой располагается на одном валу с синхронной машиной. Выпрямители закрепляют на роторе, и они вращаются вместе с ним.

При проектировании обмоток возбуждения для улучшения теплоотдачи и заполнения катушки медью стремятся увеличить сечение проводников обмотки и уменьшить число ее витков при соответствующем увеличении тока возбуждения.

В связи с этим напряжение для питания обмотки возбуждения выбирается низким и в некоторых случаях нестандартным. В качестве предварительных значений можно наметить следующую шкалу напряжений: 25, 35, 45, 65, 80, 100, 115, 160, 200, 230 B, которая, однако, не является строго обязательной, и в зависимости от конкретной схемы возбуждения напряжения могут иметь иные значения. Меньшие значения напряжения выбирают для машин небольшой мощности. Учитывая переходное падение напряжения в контакте между щеткой и кольцом, напряжение на обмотке возбуждения следует принимать на 1—2 B меньшим, чем напряжение ТВУ.

Обмотки возбуждения выполняют однорядными (рис. 10.31) и многорядными (рис. 10.32). Многорядные катушки в сечении имеют скошенную форму.

Рис. 10.31. Однорядные обмотки возбуждения

синхронных машин

 

 

Рис. 10.32. Многорядные обмотки возбуждения

Для синхронных машин мощностью от сотен киловатт и выше, как правило, применяют однорядные обмотки, которые выполняют из полосовой неизолированной меди сечением больше 30 мм2, намотанной на ребро. Однорядные обмотки более надежны и вследствие лучшего охлаждения допускают большие плотности тока, чем многорядные. Многорядные обмотки применяют для машин небольшой мощности.

Изоляция катушек однорядных обмоток возбуждения для машин мощностью свыше 100 кВт дана в табл. 10.11 в соответствии с рис. 10.33. В табл. 10.12 и на рис. 10.34 представлена изоляция многорядных обмоток для машин мощностью менее 100 кВт.

 

Рис. 10.33. Изоляция катушки однорядной

обмотки возбуждения

 

 

Рис. 10. 34. Изоляция многорядных катушек обмотки возбуждения

 

При расчете обмотки возбуждения ее МДС для запаса увеличивается на 10… 20% по сравнению со значением, полученным из векторной диаграммы для номинального режима:

. (10.106)

Сечение проводника обмотки возбуждения , м2, предварительно определяют по формуле

, (10.107)

где - удельное сопротивление меди при рабочей температуре обмотки, Ом·м; для однослойной обмотки из неизолированной меди и изоляции класса нагревостойкости B =1/39·106Ом·м, для многослойных обмоток при изоляции класса нагревостойкости B = 1/40 ·106Ом·м; — напряжение на обмотке возбуждения, B; — средняя длина витка обмотки возбуждения, м.

 

Таблица 10.11. Изоляция катушек ротора явнополюсных синхронных машин

Мощностью свыше 100 кВт

 

Позиция на рис. 10.33	Материал	Число слоев	Общая толщина, мм	Примечание
Наименование	Толщина, мм
1	Медь полосовая	—	—	—	—
2	Бумага асбестовая электроизоляционная	0, 2		0, 4	Для классов нагревостойкости А, Е, В применяется лакировка глифталебакелитовым лаком, для классов F и H — лаком на кремнийорганической основе
3	Миканит формовочный (или микафолий, или стекломикафолий)	0, 5 (0, 2)		1, 5 (1, 6)	Для обмоток в тропическом и химически стойком исполнениях применять только стекломикафолий или формовочный миканит
4, 6	Миканит прокладочный	0, 5		0, 5	Промежутки между шайбами и сердечником заполняются электроизоляционной замазкой
5	Стеклотекстолит				Для класса нагревостойкости А нормального исполнения вместо стеклотекстолита применяют гетинакс
7	«

 

 

Таблица 10.12. Изоляция катушек ротора явнополюсных синхронных машин мощностью до 100 кВт

 

 

Позиция на рис. 10.34	Классы нагревостойкости А и В нормального исполнения	Классы нагревостойкости А и В усиленного влагостойкого исполнения	Классы нагревостойкости F и H всех исполнений и класс нагревостойкости B химически стойкого и тропического исполнений
	Наименование материала	Толщина, мм	Число слоев	Наименование материала	Толщина, мм	Число слоев	Наименование материала	Толщина, мм	Число слоев
1	Слюдинотофолий	0, 12		Микафолий (или формовочный миканит)	0, 2 (0, 5)	8 (3)	Стекломикафолий (или миканит формовочный)	0, 2 (0, 5)	8 (2)
2	Бумага телефонная лакированная	0, 07		Бумага телефонная лакированная	0, 07		Лента стеклянная	0, 1	1 слой встык
3	Миканит прокладочный	0, 5		Миканит прокладочный	0, 5		Миканит прокладочный	0, 5
4	Гетинакс	3—5		Гетинакс	3—5		Стеклотекстолит	3—5
5	Бумага асбестовая, дополнительно лакированная	0, 3	1 между витками	Бумага асбестовая, дополнительно лакированная	0, 3	1 между витками	Бумага асбестовая, дополнительно лакированная	0, 3	1 слой между витками
6	Слюдинит гибкий	0, 2		Миканит гибкий	0, 2	1 между слоями	Стекломиканит гибкий	0, 22	1 слой между слоями
7	Бумага конденсаторная	0, 03		Стеклянная ткань	0, 025	То же	Стеклянная ткань	0, 025	То же

 

 

Примечание. Материалы (миканиты, стекломикафолий, стеклотекстолит) должны иметь связующие, соответствующие выбранному классу изоляции.

Предварительно средняя длина витка, м, может быть принята равной:

для многорядных обмоток

, (10.108)

для однорядных:

а) с лобовой частью в виде полуокружности (рис. 10.35)

; (10.109)

 

 

Рис. 10.35. К определению средней длины витка

однорядных обмоток с лобовой частью в виде полуокружности

 

б) с лобовой частью в виде прямолинейного участка с двумя закруглениями (рис. 10.36); применяют при 20 см:

. (10.110)

 

В (10.108)—(10.110) — односторонняя толщина изоляции полюса ≈ (1, 5…2, 0)·10 ^-3 , м; можно также выбрать по табл. 10.11 и 10.12; — расстояние от центра закругления с радиусом до края штампованной части полюса:

 

, м	, м
До 0, 06	0, 01
0, 06—0, 1	0, 0125
0, 1—0, 12	0, 015
0, 12—0, 15 0, 15—0, 2	0, 02 0, 03

— радиус закругления, м: ≈ ; — толщина катушки обмотки возбуждения, м; — ширина проводника обмотки, м.

 

 

 

Рис. 10.36. Лобовая часть с двумя закруглениями

 

Предварительно, пока не известны размеры катушки обмотки и размеры проводника, можно принять:

для многорядных обмоток ≈ 2, 5·10^-2 м при м и ≈ 5·10^-2 м при > 0, 3 м;

для однорядных обмоток .

Напряжение может быть задано или его следует выбрать. При выборе напряжения, подводимого к обмотке возбуждения, необходимо учитывать некоторые особенности, связанные с выполнением и охлаждением обмотки. Для машин мощностью до 100 кВт, в которых применяют многорядные обмотки, напряжение возбуждения следует выбрать таким, чтобы получить сечение прямоугольных проводников возможно большим, но не выше 30…40 мм2. Для малых машин при сечении проводника меньше 2, 5 мм2применяют круглые провода.

В крупных машинах (при > 100 кВт), для которых следует применять однорядные обмотки, сечение прямоугольных проводников должно быть больше 30…40 мм2, но не выше 300 мм2. По конструктивным и технологическим требованиям отношение сторон проводника должно быть не больше 10—15. Намотку обмотки ведут на ребро. Допустимая плотность тока в проводниках обмотки зависит от класса нагревостойкости изоляции и условий охлаждения. В современных синхронных машинах изоляция обмоток возбуждения имеет класс нагревостойкости B или F.

Однорядные обмотки выполняют из неизолированной прямоугольной меди. Изоляция витков состоит из двух слоев асбестовой бумаги общей толщиной после опрессовки 0, 3 мм, приклеенной лаком к широкой стороне проводника.

Для многорядных обмоток при меняют изолированные проводники с изоляцией класса нагревостойкости B или F, например, марки ПСД.

Предварительно значения плотности тока, А/м², в проводниках обмотки возбуждения можно выбрать в следующих пределах:

 

Для однорядных обмоток крупных машин	(3.5 — 5, 3) ·106
Для многорядных обмоток	(3.2 — 3, 8) ·106

 

Меньшие значения плотности тока выбирают для машин, имеющих большую длину.

Ток возбуждения

. (10.111)

 

Определив ток возбуждения, найдем число витков в катушке полюса обмотки возбуждения:

. (10.112)

 

В некоторых случаях, когда задается ток возбуждения , витки обмотки могут быть определены по (10.112), исходя из МДС . Поперечное сечение проводников обмотки по выбранной плотности тока определяют как

. (10.113)

Для многорядных обмоток по найденному сечению проводника (по табл. П3.3) определяют его размеры . Отношение сторон проводников должно находиться в пределах 1, 5—2.

Проведя раскладку проводников по слоям, вычерчивают масштабный эскиз, по которому определяют размеры катушки. Намотку можно производить как на широкую, так и на узкую стороны проводника.

Размеры проводников при этом берутся с учетом изоляции для выбранной марки провода (по табл. П3.4).

Для возможности размещения катушек на полюсах, а также для прохождения охлаждающего воздуха между катушками соседних полюсов в нижней их части должно быть предусмотрено расстояние не менее 0, 7…1, 0 см (расстояние на рис. 10.32).

Для однорядных обмоток меньший размер прямоугольного проводника определяют, исходя из найденного числа витков и выбранной ранее высоты полюсного сердечника :

, (10.114)

где — изоляция между витками: м; — суммарная толщина изоляции обмотки от полюсного наконечника и ярма ротора: для машин кВт м; для машин кВт м (большие значения принимают для крупных машин).

По сечению определяют возможные размеры широкой части провода, м:

. (10.115)

Далее по табл. П3.6 выбирают близкие к найденным размеры стандартной прямоугольной меди и , затем проверяют размещение обмотки на полюсе. Если обмотка не размещается на полюсе, то следует или несколько изменить размеры проводника, или изменить высоту полюса. После того как определились размеры проводника обмотки возбуждения, необходимо проверить расстояние между катушками соседних полюсов (расстояние на рис. 10.31 и 10.32):

 

. (10.116)

Это расстояние должно быть не менее 7 мм.

Для проверки нагрева обмотки возбуждения уточняют плотность тока

(10.117)

и определяют превышение температуры, ⁰С, по нижеприведенным формулам.

Для многорядных обмоток

 

, (10.118)

где — двусторонняя изоляция проводников, м; — число слоев в наиболее широкой части катушки; — периметр боковой части катушки, м ( на рис. 10.32); — окружная скорость вращения ротора, м/с.

Для однорядных катушек

. (10.119)

Согласно ГОСТ 183—74 допустимое превышение температуры для многорядных обмоток равно 80⁰ С при изоляции класса нагревостойкости B и 100⁰ С при изоляции класса нагревостойкости F. Для однорядных обмоток с оголенными поверхностями допустимые превышения температуры соответственно равны 90 и 110⁰ С.

При расчете машины допустимое превышение температуры следует принимать на 10…15⁰ С меньше по сравнению с рекомендованной ГОСТ.

Если превышение температуры получится больше или, наоборот, много меньше допустимого, то необходимо произвести пересчет обмотки возбуждения, что может потребоваться и в том случае, если расстояние будет мало.

При пересчете можно попытаться изменить значения некоторых из рекомендуемых ниже величин: плотности тока в обмотках, соотношения между сторонами прямоугольного проводника, высоты и в небольших пределах (3…6%) ширины полюсного сердечника, сечения проводника за счет изменения напряжения, подводимого к обмотке возбуждения, воздушного зазора.

После того как окончательно установлены размеры обмотки возбуждения, уточняют размеры полюса, среднюю длину витка по (10.108)—(10.110) и ток возбуждения .

Определяют сопротивление обмотки возбуждения:

. (10.120)

Значение см. в табл. 5.1.

Напряжение на кольцах обмотки возбуждения при номинальной нагрузке и температуре 130⁰ С (или 120⁰ С для многорядных обмоток)

. (10.121)

Коэффициент запаса возбуждения (находится в пределах 1, 1—1, 2)

, (10.122)

где — номинальное напряжение ТВУ.

 

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: