Контрольная работа по "Электротехнике"

 

Кафедра «Электрификации  и автоматизации»

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Электротехника»

Вариант № 16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Общие сведения.

В отличие от асинхронной машины скорость вращения ротора синхронной машины равна скорости вращения поля статора и сохраняется постоянной независимо от нагрузки.

 

Трехфазная  обмотка статора подключается к  сети переменного тока, а обмотка  ротора (обмотка возбуждения) - к  источнику постоянного тока, т. е. ротор представляет собой вращающийся электромагнит, рис. 1

 

Рис. 1 - Электрическая схема синхронной машины:

1 - обмотка статора; 2 - обмотка ротора;

3 - контактные  кольца; 4 - щетки

 

Синхронные  генераторы являются основными источниками  электрической энергии и устанавливаются  на всех видах электрических станций.

 

В энергетической системе, на которую работают большое количество электростанций, генераторы работают в особом режиме, когда необходимо поддерживать величину напряжения и частоту переменного тока в линии постоянными. Активную и реактивную мощность генераторов регулируют по заданному графику нагрузки. Приводными двигателями этих генераторов могут быть паровые, газовые и гидравлические турбины (тепловые и атомные электростанции, гидроэлектростанции). Мощность современных генераторов достигает нескольких сотен МВА.

Синхронные двигатели применяют в электроприводах большой мощности. Начиная, примерно, с 200 кВт и выше синхронные двигатели становятся экономически выгоднее по сравнению с асинхронными двигателями. Их применяют в установках, где не требуется частых пусков и регулирования скорости.

На крупных  подстанциях электрических систем устанавливают специальные синхронные машины, отдающие в сеть реактивную мощность (она необходима для создания магнитного поля в асинхронных двигателях, трансформаторах). Эти машины называются синхронными компенсаторами.

 

2. Работа синхронных  машин в режимах двигателя  и генератора

 

При вращении ротора с частотой n поток возбуждения, создаваемый  током возбуждения, пересекает проводники обмотки статора и индуктирует  в них переменную ЭДС, изменяющуюся с частотой

f1 = р·n/60,

где р – число  пар полюсов обмотки статора.

Если обмотку  статора подключить к какой-либо нагрузке, то проходящий по этой обмотке  трехфазный ток создает вращающееся  магнитное поле, частота вращения которого

Ротор вращается  с такой же частотой, что и магнитное поле статора.

Результирующий  магнитный поток синхронной машины создается совместным действием  МДС обмоток возбуждения и  статора. Результирующее магнитное  поле вращается в пространстве с  той же скоростью, что и ротор.

Синхронная машина может работать автономно в качестве генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, или параллельно с сетью, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т. е. работать генератором или двигателем. При подключении обмотки статора к сети, ток статора создает вращающееся магнитное поле. В результате взаимодействия этого поля с током обмотки возбуждения создается электромагнитный момент. При работе машины в двигательном режиме этот момент является вращающим, а при работе в генераторном режиме - тормозным. В установившемся режиме ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается с частотой n = n1 независимо от механической нагрузки на валу ротора или электрической нагрузки.

 

3. Схема замещения синхронного генератора, мощность и электромагнитный момент.

Обмотка одной фазы статора  может быть представлена схемой замещения, показанной на рис. 2, а. ЭДС Е0 - эта ЭДС холостого хода, индуктируемая потоком обмотки возбуждения; ra, х_СИН - активное и индуктивное сопротивления фазы генератора; z_НАГ - сопротивление нагрузки. Согласно второму закону Кирхгофа

Е0 = U_Ф + r_a·I_а + jх_СИН·Iа,

где U_Ф - напряжение фазы обмотки якоря, Iа – фазный ток якоря.

Векторная диаграмма  генератора, работающего на активно - индуктивную нагрузку показана на рис. 2, б. Угол между векторами ЭДС и напряжения, угол θ, называют углом нагрузки, т. к. его величина зависит от нагрузки. В режиме генератора вектор ЭДС Е0 всегда опережает вектор напряжения U и угол θ считается положительным. В режиме двигателя вектор ЭДС отстаёт от вектора напряжения и угол θ считается отрицательным.

Рис. 2 - Схема замещения (а), векторная диаграмма (б),

энергетическая  диаграмма генератора (в)

Рассмотрим  энергетические процессы преобразования механической энергии в электрическую. Приводной двигатель развивает механическую мощность P₁, вращая ротор генератора. Благодаря электромагнитным процессам эта мощность преобразуется в электрическую P₂. В процессе преобразования возникают потери: электрические р_ЭЛ.а, р_ЭЛ.в (в обмотках якоря и возбуждения), магнитные р_МГ (обусловленные гистерезисом и вихревыми токами), механические р_МЕХ (обусловленные трением и вентиляцией).

 

При взаимодействии магнитных полей статора и ротора возникает электромагнитный момент

где Ω0 - угловая  механическая скорость магнитного поля,

Угловая характеристика машины для генераторного и двигательного режимов приведена на рис. 3.

Рис. 3 - Характеристика момента синхронной машины

Максимальный момент определяет перегрузочную способность машины, приблизительно k_m = М_m/М_Н ≈ 2.

Рабочий диапазон угла θ составляет от нуля до 90⁰.

4 Характеристики генератора при работе на автономную нагрузку

Электрические и магнитные свойства генераторов  отображаются их характеристиками. Рассмотрим характеристики холостого хода, внешнюю и регулировочную.

Характеристика  холостого хода представляет собой  зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения, Е = f(I_В). Условия снятия характеристики:

Ia = 0, n = const (f₁ = const).

Эта характеристика напоминает кривую намагничивания ферромагнитного материала, рис. 4, а. По характеристике холостого хода определяют ток возбуждения, обеспечивающий номинальное напряжение в обмотке статора, степень насыщения сердечника якоря. Обычно рабочая точка А лежит на колене кривой (переходе в область магнитного насыщения).

Внешняя характеристика - зависимость напряжения генератора от тока нагрузки, U = f(I_а) при cosφ = const, I_В = const, п = const.

 

Вид внешней  характеристики определяется характером нагрузки (активная, индуктивная, емкостная) и ее величиной. Результирующий магнитный поток в машине создается токами обеих обмоток - статора и ротора. Влияние МДС статора на МДС возбуждения зависит от нагрузки и в общем случае может быть намагничивающим (МДС обмоток совпадают по направлению), размагничивающим (МДС якоря направлена встречно МДС возбуждения) и искажающим (векторы МДС расположены под углом 900). Внешние характеристики для активной - R и активно-индуктивной RL нагрузок приведены на рис. 4, б. Изменение напряжения определяется выражением

 

 

где U0 - напряжение при холостом ходе.

 

Рис. 4 - Характеристики холостого хода (а),

внешняя (б), регулировочная (в)

 

Регулировочная  характеристика определяет зависимость I_В = f(I_а) при cosφ = const, U = const, п = const. Эта характеристика показывает, как нужно регулировать ток возбуждения, чтобы при изменении нагрузки напряжение на зажимах генератора оставалась постоянным, рис. 4.в.

 

 

 

5 Синхронный двигатель

На рис. 5,а показана схема замещения фазы синхронного двигателя, а на рис. 5,б его векторная диаграмма. Согласно, второго закона Кирхгофа

U_С = Е₀ + R_а·I_а + jх_СИН·I_а,

где UC -фазное напряжение сети.

Рис. 3.5 – а) схема  замещения; б) векторная диаграмма;

в) энергетическая диаграмма двигателя

Для осуществления пуска синхронного двигателя на роторе имеется пусковая короткозамкнутая обмотка (как и в асинхронном двигателе). Последовательность операций при пуске: обмотка возбуждения замыкается на разрядное сопротивление, величина которого приблизительно равна

Rа ≈ 10·r_В, (r_B )- сопротивление обмотки возбуждения, в разомкнутой обмотке возбуждения будет индуцироваться большая ЭДС при разгоне ротора); обмотка статора подключается к трехфазной сети, создавая вращающееся магнитное поле; это поле индуктирует токи в пусковой обмотке и разгоняет ротор; при достижении скорости, близкой к синхронной, обмотку возбуждения отключают от разрядного сопротивления и подключают к источнику постоянного тока; появившийся ток возбуждения, создает магнитный поток ротора, который взаимодействует с вращающимся полем статора, и двигатель самостоятельно втягивается в синхронный режим работы.