Mister 220V

Работа гистерезисного двигателя основана на действии г и с т е р е з и с н о г о момента. На рис. 23.6, а показаны два полюса внешнего магнитного поля (условное изображение магнитного поля статора), между которыми расположен цилиндр (ротор) из магнитно-твердого материала. Под действием внешнего магнитного поля ротор намагничивается.

На стороне ротора, обращенной к северному полюсу внешнего магнитного поля, возбуждается южный полюс, а на стороне ротора, обращенной к южному полюсу постоянного магнита, — северный полюс. На ротор начинают действовать силы Fm, направленные радиально к его поверхности. Если полюсы внешнего магнитного поля вращать вокруг ротора, то вследствие явления магнитного запаздывания (гистерезиса) активная часть ротора будет перемагничиваться с некоторым отставанием во времени относительно изменения направления внешнего вращающегося магнитного поля. В результате между осями поля ротора и внешнего поля появится угол. Силы F_M, действующие на ротор, также изменят свое направление на угол % а тангенциальные составляющие этих сил F_t создадут гистерёзисный момент М_Г (рис. 23.6, б).

Явление магнитного запаздывания заключается в том, что частицы ферромагнитного материала (помещенного во внешнее магнитное поле), представляющие собой элементарные магниты, стремятся ориентироваться в соответствии с направлением внешнего поля. Если внешнее поле изменит свое направление, то элементарные частицы меняют свою ориентацию. Однако повороту элементарных частиц препятствуют в магнитно-твердых материалах внутренние силы молекулярного трения. Для изменения направления этих частиц необходима определенная МДС, вследствие чего перемагничивание ротора несколько отстает от изменения направления внешнего поля. Это отставание (магнитное запаздывание) характеризуется углом гистерезисного сдвига между вектором магнитного потока ротора Ф₂ и вектором магнитного потока обмотки статора Ф₁ (рис. 23.6, б). Этот угол зависит исключительно от магнитных свойств материала ротора.

На преодоление сил молекулярного трения расходуется часть подводимой к двигателю мощности, которая составляет потери на гистерезис. Величина этих потерь зависит от частоты перемагничивания ротора f₂ = f₁s, а следовательно, от скольжения:

где Р_{г к} — потери на гистерезис при неподвижном роторе (при s = 1), т. е. в режиме короткого замыкания.

Так как электромагнитная мощность, передаваемая ротору, равна потерям в роторе, деленным на скольжение [см. (13.5)]:

то, очевидно, величина гистерезисного момента не зависит от частоты вращения ротора (скольжения). График М_Г = f(s) представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс (рис. 23.7).

Угол гистерезисного сдвига зависит от ширины петли гистерезиса: чем шире петля гистерезиса магнитного материала, тем больше угол гистерезисного сдвига. На рис. 23.8, а представлены две петли гистерезиса: обычной стали (петля 2) и сплава викаллой (петля 1).

Применение обычной стали для изготовления ротора не обеспечивает гистерезисного момента достаточной величины. Только магнитно-твердые материалы, например, такие, как викаллой, дают возможность получить большой гистерезисный момент.

Роторы гистерезисных двигателей обычно делают сборными. Магнитно-твердая часть выполняется в виде шихтованного или массивного кольца 1, размещенного на втулке 2 (рис. 23.8, б). Последняя жестко посажена на вал 3.

В машинах с нешихтованным (массивным) ротором вращающееся поле статора наводит в роторе вихревые токи. В результате взаимодействия этих токов с полем статора на роторе гистерезисного двигателя возникает электромагнитный момент от вихревых токов М_вт, значение которого пропорционально скольжению:

где Р_втк — потери на вихревые токи в роторе при s = 1, т. е. в режиме короткого замыкания, Вт; w₁ — угловая синхронная скорость вращения, рад/с.

Наибольшего значения момент М_{в т} достигает при неподвижном роторе (s = 1), т. е. в момент пуска гистерезисного двигателя. Затем по мере возрастания частоты вращения (уменьшении скольжения) момент М_вт убывает (см. рис. 23.7), при синхронной частоте он становится равным нулю.

Таким образом, электромагнитный вращающий момент гистерезисного двигателя создается совместным действием моментов от вихревых токов М_вт и гистерезисного М_г:

На рис. 23.7 представлена графическая зависимость результирующего момента гистерезисного двигателя от скольжения: М = f(s). Характер этой зависимости определяется соотношением составляющих моментов М_вт и М_г.

Гистерезисный двигатель может работать с синхронной и асинхронной частотами вращения. Однако работа двигателя в асинхронном режиме неэкономична, так как связана со значительными потерями на перемагничивание ротора, величина которых возрастает с увеличением скольжения.

Достоинства гистерезисных двигателей — простота конструкции, бесшумность и надежность в работе, большой пусковой момент, плавность входа в синхронизм, сравнительно высокий КПД, малое изменение кратности тока от пуска до номинальной нагрузки.

Недостатки гистерезисных двигателей — низкий коэффициент мощности (созф₁ = 0,4 ¸ 0,5) и высокая стоимость из-за повышенной стоимости магнитно-твердых материалов и сложности их обработки. Кроме того, при резких колебаниях нагрузки гистерезисные двигатели склонны к качаниям, что создает неравномерность хода (вращения). Объясняется это отсутствием у гистерезисных двигателей пусковой клетки, которая обычно при резких изменениях нагрузки оказывает на ротор успокаивающее (демпфирующее)

действие. Наиболее сильные качания наблюдаются у шихтованного ротора, в котором вихревые токи сильно ограничены. Вызываемая качаниями неравномерность вращения ограничивает области применения гистерезисных двигателей.

Принципиальное отличие переходных процессов в синхронных генераторах от рассмотренных ранее установившихся состоит в том, что при установившихся процессах работы генератора с симметричной нагрузкой в сердечнике и обмотках ротора не индуцируется никаких токов. В то же время при переходных процессах и несимметричных нагрузках между ротором и статором возникают трансформаторные связи.

Наибольший интерес представляет переходный процесс при внезапном трехфазном коротком замыкании синхронного генератора. Переходный процесс при резких изменениях нагрузки, следствием которого являются колебания синхронной машины, был рассмотрен в 21.4.

При переходном процессе в синхронном генераторе пренебрегают активным сопротивлением его обмоток, т. е. эти обмотки считают сверхпроводниками. Это допущение в значительной степени облегчает изучение процесса, не внося заметной погрешности, особенно для крупных машин, у которых активное сопротивление обмоток весьма мало. В любой момент времени полное потокос-цепление сверхпроводящего контура

где – ф_внеш и ф_l — потокосцепления, обусловленные внешней причиной и самоиндукцией контура соответственно.

Рассмотрим внезапное трехфазное короткое замыкание синхронного генератора на его зажимах. Будем считать, что предварительно этот генератор работал в режиме холостого хода, т. е. в нем действовал единственный магнитный поток Ф_в обмотки возбуждения,

в которой проходил ток I_во. При коротком замыкании появляется вращающийся синхронно с ротором магнитный поток статора по продольной оси (обмотка статора представляет собой чисто индуктивную нагрузку) Ф_ад, направленный против потока обмотки возбуждения Фв (рис. 21.12, а). Поэтому в начальный момент переходного процесса, называемого сверхпереходным, действующее значение тока внезапного короткого замыкания имеет наибольшую величину — ударный ток короткого замыкания:

где х"d — сверхпереходное индуктивное сопротивление.

Обмотка возбуждения и успокоительная обмотка все же обладают некоторым активным сопротивлением, а поэтому индуцируемые в них дополнительные токи i_д.в и i_д.у будут постепенно затухать. Однако этот процесс затухания протекает неодинаково, так как успокоительная обмотка и обмотка возбуждения имеют разные электромагнитные постоянные времени T_эм. Обмотка возбуждения, имея значительное число витков по сравнению с успокоительной обмоткой, обладает большей индуктивностью, т. е. Т_{эм в} > T_эму. Поэтому к моменту времени, когда дополнительный ток i_{д у} в успокоительной обмотке уменьшится до нуля, дополнительный ток i_{д в} еще имеет некоторое значение. При этом магнитный поток реакции якоря частично будет проходить через ротор, отчего его значение несколько возрастет до значения Ф_а1 > Ф". Соответственно увеличится индуктивное сопротивление статора по продольной оси, достигнув значения x’_d > х", называемого переходным индуктивным сопротивлением. При этом ток внезапного короткого замыкания несколько уменьшится, т. е.

Через некоторое время снизится до нуля и добавочный ток в обмотке возбуждения i_лв. При этом поток статора будет замыкаться полностью через ротор и его значение станет еще больше Ф_аd > Фad. Соответственно возрастет и индуктивное сопротивление статора, достигнув значения x_d > x_d, а ток короткого замыкания будет равен

Под действием описанных процессов в генераторе установится результирующий магнитный поток (рис. 21.12, б)

С уменьшением магнитного потока, сцепленного с обмоткой статора, понизится ЭДС статора до значения Е_к < Е₀, что приведет к уменьшению тока короткого замыкания до установившегося значения

Таким образом, при внезапном трехфазном коротком замыкании происходит постепенное затухание тока короткого замыкания. Если, например, пик тока (ударный ток) при внезапном коротком замыкании достигает 15-кратного значения по сравнению с номинальным значением тока в обмотке статора, то установившийся ток короткого замыкания достигает 1,5-кратного (для турбогенераторов) или 2,5-кратного (для гидрогенераторов) значения при токе возбуждения, соответствующем номинальной нагрузке. В некоторых случаях ток I_к.уст может оказаться даже меньше номинального. Причиной столь малого тока статора при установившемся коротком замыкании является размагничивание генератора полем реакции якоря. На рис. 21.13 представлены осциллограммы токов синхронного генератора при внезапном коротком замыкании, где отмечены три характерных участка: / — сверхпереходный процесс; // — переходный процесс; III — установившийся режим короткого замыкания.

Ударный ток короткого замыкания создает значительные электромагнитные силы, действующие на обмотку статора. Особую опасность эти силы представляют для лобовых частей обмотки, что требует применения специальных мер по их укреплению, особенно в турбогенераторах, где лобовые части имеют значительный вылет.

При внезапном коротком замыкании синхронного генератора возникают также значительные электромагнитные моменты, действующие на статор и ротор. В наиболее неблагоприятных условиях мгновенное значение такого момента достигает десятикратной величины по сравнению с номинальным моментом. Это необходимо учитывать при механических расчетах некоторых деталей машины и ее крепления к фундаменту. Режим короткого замыкания нежелателен еще и потому, что он нарушает параллельную работу синхронных генераторов.

С точки зрения уменьшения ударного тока короткого замыкания полезным является увеличение магнитного потока рассеяния обмотки статора Ф_о1, так как это ведет к росту индуктивного сопротивления x_d = x_ad + х_г. Однако не следует забывать и о вредном действии магнитного потока рассеяния: уменьшении полезного магнитного потока и росте внутреннего падения напряжения (за счет увеличения индуктивного сопротивления обмотки).

Предположим, что синхронный генератор, подключенный на параллельную работу к сети, работает ненагруженным. Чтобы нагрузить генератор, увеличивают вращающий момент первичного двигателя M₁ до значения M_1., соответствующего повороту оси полюсов ротора на угол нагрузки и электромагнитному моменту М = М₁ (рис 21 7, график 1). Однако под действием сил инерции вращающихся масс синхронной машины и приводного двигателя ротор повернется на угол 0₂> 0₁,при котором электромагнитный момент генератора достигает значения М₁ > М.. В результате нарушившегося равновесия моментов ротор начнет поворачиваться в направлении уменьшения угла 6, но силы инерции и в этом случае помешают ротору остановиться в положении, соответствующем углу 0₁₇ и переведут его в положение, соответствующее значению угла , при котором электромагнитный момент генератора М окажется меньше вращающего момента М₁. этому ротор не остановится в положении 0₃ а будет поворачиваться в направлении увеличения угла 0.

Таким образом, ротор синхронного генератора будет совершать колебательные движения (качания) около среднего положения 0₁, (рис 21 7, график 2), соответствующего равновесию вращающего и электромагнитного моментов. Если бы колебания ротора не сопровождались потерями энергии, то они продолжались бы неопределенно долго, т.е. были бы незатухающими. Однако в реальных условиях колебания ротора вызывают потери энергии, из которых наибольшее значение имеют магнитные потери. Эти потери обусловлены возникновением вихревых токов в сердечнике ротора вызываемых этими колебаниями (качаниями). Объясняется это тем что при отсутствии колебаний частота вращения ротора постоянна и равна частоте вращения результирующего магнитного поля. Однако при возникновении колебаний ротора частота вращения последнего становится неравномерной, т. е. происходит его движение относительно магнитного поля статора, что ведет к возникновению в сердечнике ротора вихревых токов.

Взаимодействие этих токов с магнитным полем статора оказывает на ротор «успокаивающее» действие, которое уменьшает его колебания. Следовательно, колебания ротора имеют затухающий характер, и поэтому спустя некоторое время ротор займет положение, соответствующее углу 0_1t при котором установится равновесие моментов. Причинами, вызывающими колебания ротора, могут быть изменения либо вращающего момента приводного двигателя m₁, либо электрической нагрузки генератора, а следовательно, изменения электромагнитного момента М на роторе генератора. Колебания ротора, вызванные указанными причинами, называют собственными колебаниями.

Возможны также вынужденные колебания, вызванные неравномерным вращением ротора. Например, это может происходить в генераторах, приводимых во вращение поршневыми двигателями (дизели, газовые двигатели). Наиболее опасен случай совпадения частоты собственных колебаний с частотой вынужденных (резонанс колебаний). При этом колебания резко усиливаются, так что параллельная работа генераторов становится невозможной.

Потери энергии в металлических частях ротора оказывают тормозящее действие на подвижную часть машины и уменьшают ее колебания. Однако значительного снижения колебаний достигают применением на роторе синхронной машины успокоительной (демпферной) обмотки. В явно-полюсных машинах успокоительную обмотку выполняют в виде стержней, заложенных в пазы полюсных наконечников и соединенных на торцовых сторонах пластинами (рис. 21.8). В неявнополюсных машинах колебания устраняются лишь действием вихревых токов, наводимых в сердечнике ротора.

Следует отметить, что вышеизложенное о колебаниях синхронных генераторов в равной мере относится и к синхронным двигателям (см. 22.1).