Рис. 12 Принцип устройства двухполюсного синхронного генератора. 1 статор (якорь), 2 ротор (индуктор), 3 вал, 4 корпус. U-x, v-y, w-z – размещенные в пазах статора части обмоток трех фаз




Скачать 370.45 Kb.
НазваниеРис. 12 Принцип устройства двухполюсного синхронного генератора. 1 статор (якорь), 2 ротор (индуктор), 3 вал, 4 корпус. U-x, v-y, w-z – размещенные в пазах статора части обмоток трех фаз
страница1/2
Дата27.10.2012
Размер370.45 Kb.
ТипДокументы
  1   2
3.12 ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ


Электромашинный генератор преобразует механическую (кинетическую) энергию в электроэнергию. В энергетике пользуются только вращающимися электромашинными генераторами, основанными на возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике, на который каким-либо образом действует изменяющееся магнитное поле. Ту часть генератора, которая предназначена для создания магнитного поля, называют индуктором, а часть, в которой индуцируется ЭДС – якорем. Вращающуюся часть машины называют ротором, а неподвижную часть – статором. В синхронных машинах переменного тока индуктором обычно является ротор, а в машинах постоянного тока – статор. В обоих случаях индуктор представляет собой обычно двух- или многополюсную электромагнитную систему, снабженную обмоткой возбуждения, питаемой постоянным током (током возбуждения), но встречаются и индукторы, состоящие из системы постоянных магнитов. В индукционных (асинхронных) генераторах переменного тока индуктор и якорь не могут четко (конструктивно) отличаться друг от друга (можно сказать, что статор и ротор одновременно являются и индуктором и якорем).


Более 95 % электроэнергии на электростанциях мира производится при помощи синхронных генераторов переменного тока. При помощи вращающегося индуктора в этих генераторах создается вращающееся магнитное поле, наводящее в статорной (обычно трехфазной) обмотке переменную ЭДС, частота которой точно соответствует частоте вращения ротора (находится в синхронизме с частотой вращения индуктора). Если индуктор, например, имеет два полюса и вращается с частотой 3000 r/min (50 r/s), то в каждой фазе статорной обмотки индуцируется переменная ЭДС частотой 50 Hz. Конструктивное исполнение такого генератора упрощенно изображено на рис. 3.12.1.





Рис. 3.12.1. Принцип устройства двухполюсного синхронного генератора.
1 статор (якорь), 2 ротор (индуктор), 3 вал, 4 корпус. U-X, V-Y, W-Z – размещенные в пазах статора части обмоток трех фаз



Магнитная система статора представляет собой спрессованный пакет тонких стальных листов, в пазах которого располагается статорная обмотка. Обмотка состоит из трех фаз, сдвинутых в случае двухполюсной машины относительно друг друга на 1/3 периметра статора; в фазных обмотках индуцируются, следовательно, ЭДС, сдвинутые относительно друг друга на 120o. Обмотка каждой фазы, в свою очередь, состоит из многовитковых катушек, соединенных между собой последовательно или параллельно. Один из наиболее простых вариантов конструктивного исполнения такой трехфазной обмотки двухполюсного генератора упрощенно представлен на рис. 3.12.2 (обычно число катушек в каждой фазе больше, чем показано на этом рисунке). Те части катушек, которые находятся вне пазов, на лобовой поверхности статора, называются лобовыми соединениями.





Рис. 3.12.2. Простейший принцип устройства статорной обмотки трехфазного двухполюсного синхронного генератора в случае двух катушек в каждой фазе. 1 развертка поверхности магнитной системы статора, 2 катушки обмотки, U, V, W начала фазных обмоток,
X, Y, Z концы фазных обмоток



Полюсов индуктора и, в соответствии с этим, полюсных делений статора, может быть и больше двух. Чем медленнее вращается ротор, тем больше должно быть при заданной частоте тока число полюсов. Если, например, ротор вращается с частотой 300 r/min, то число полюсов генератора, для получения частоты переменного тока 50 Hz, должно быть 20.


Например, на одной из крупнейших гидроэлектростанций мира, ГЭС Итайпу (Itaipú, см. рис. 6.1.4) генераторы, работающие на частоте 50 Hz, исполнены 66-полюсными, а генераторы, работающие на частоте 60 Hz, – 78-полюсными.


Обмотка возбуждения двух- или четырехполюсного генератора размещается, как показано на рис. 3.12.1, в пазах массивного стального сердечника ротора. Такая конструкция ротора необходима в случае быстроходных генераторов, работающих при частоте вращения в 3000 или 1500 r/min (особенно для турбогенераторов, предназначенных для соединения с паровыми турбинами), так как при такой скорости на обмотку ротора действуют большие центробежные силы. При большем числе полюсов каждый полюс имеет отдельную обмотку возбуждения (рис. 3.12.3). Такой явнополюсный принцип устройства применяется, в частности, в случае тихоходных генераторов, предназначенных для соединения с гидротурбинами (гидрогенераторов), работающих обычно при частоте вращения от 60 r/min до 600 r/min. Очень часто такие генераторы, в соответствии с конструктивным исполнением мощных гидротурбин (см. раздел 3.9), выполняются с вертикальным валом.





Рис. 3.12.3. Принцип устройства ротора тихоходного синхронного генератора. 1 полюс, 2 обмотка возбуждения, 3 колесо крепления,
4 вал



Обмотку возбуждения синхронного генератора обычно питают постоянным током от внешнего источника через контактные кольца на валу ротора. Раньше для этого предусматривался специальный генератор постоянного тока (возбудитель), жестко связанный с валом генератора, а в настоящее время используются более простые и дешевые полупроводниковые выпрямители. Встречаются и системы возбуждения, встроенные в ротор, в которых ЭДС индуцируется статорной обмоткой. Если для создания магнитного поля вместо электромагнитной системы использовать постоянные магниты, то источник тока возбуждения отпадает и генератор становится значительно проще и надежнее, но в то же время и дороже. Поэтому постоянные магниты применяются обычно в относительно маломощных генераторах (мощностью до нескольких сотен киловатт).


Конструкция турбогенераторов, благодаря цилиндрическому ротору относительно малого диаметра, очень компактна. Их удельная масса составляет обычно 0,5…1 kg/kW, и их номинальная мощность может достигать 1600 MW. Устройство гидрогенераторов несколько сложнее, диаметр ротора велик и удельная масса их поэтому обычно 3,5…6 kg/kW. До настоящего времени они изготовлялись номинальной мощностью до 800 MW.


При работе генератора в нем возникают потери энергии, вызванные активным сопротивлением обмоток (потери в меди), вихревыми токами и гистерезисом в активных частях магнитной системы (потери в стали) и трением в подшипниках вращающихся частей (потери на трение). Несмотря на то, что суммарные потери обычно не превышают 1…2 % мощности генератора, отвод тепла, освобождающегося в результате потерь, может оказаться затруднительным. Если упрощенно считать, что масса генератора пропорциональна его мощности, то его линейные размеры пропорциональны кубическому корню мощности, а поверхностные размеры – мощности в степени 2/3. С увеличением мощности, следовательно, поверхность теплоотвода растет медленнее, чем номинальная мощность генератора. Если при мощностях порядка нескольких сотен киловатт достаточно применять естественное охлаждение, то при бóльших мощностях необходимо перейти на принудительную вентиляцию и, начиная приблизительно со 100 MW, использовать вместо воздуха водород. При еще больших мощностях (например, более 500 MW) необходимо дополнить водородное охлаждение водным. У крупных генераторах надо специально охлаждать и подшипники, обычно используя для этого циркуляцию масла.


Тепловыделение генератора можно значительно уменьшить путем применения сверхпроводящих обмоток возбуждения. Первый такой генератор (мощностью 4 MVA), предназначенный для применения на судах, изготовила в 2005 году немецкая электротехническая фирма Сименс (Siemens AG) [3.24].


Номинальное напряжение синхронных генераторов, в зависимости от мощности, находится обычно в пределах от 400 V до 24 kV. Использовались и более высокие номинальные напряжения (до 150 kV), но чрезвычайно редко. Кроме синхронных генераторов сетевой частоты (50 Hz или 60 Hz) выпускаются и высокочастотные генераторы (до 30 kHz) и генераторы пониженной частоты (16,67 Hz или 25 Hz), используемые на электрифицированных железных дорогах некоторых европейских стран.


К синхронным генераторам относится, в принципе, и синхронный компенсатор, представляющий собой синхронный двигатель, работающий на холостом ходу и отдающий в высоковольтную распределительную сеть реактивную мощность. При помощи такой машины можно покрыть потребление реактивной мощности местных промышленных электропотребителей и освободить основную сеть энергосистемы от передачи реактивной мощности.


Кроме синхронных генераторов относительно редко и при относительно малых мощностях (до нескольких мегаватт) могут использоваться и асинхронные генераторы. В обмотке ротора такого генератора ток индуцируется магнитным полем статора, если ротор вращается быстрее, чем статорное вращающееся магнитное поле сетевой частоты. Необходимость в таких генераторах возникает обычно тогда, когда невозможно обеспечить неизменную скорость вращения первичного двигателя (например, ветряной турбины, некоторых малых гидротурбин и т. п.).


У генератора постоянного тока магнитные полюсы вместе с обмоткой возбуждения располагаются обычно в статоре, а обмотка якоря – в роторе. Так как в обмотке ротора при его вращении индуцируется переменная ЭДС, то якорь необходимо снабжать коллектором (коммутатором), при помощи которого на выходе генератора (на щетках коллектора) получают постоянную ЭДС. В настоящее время генераторы постоянного тока применяются редко, так как постоянный ток проще получать при помощи полупроводниковых выпрямителей.


В настоящем курсе устройство и свойства электромашинных генераторов более подробно не рассматриваются, так как эти вопросы входят в курс Электрические машины, предусмотренный учебным планом подготовки бакалавров электротехнических и электроэнергетических специальностей.


К электромашинным генераторам относятся и электростатические генераторы, на вращающейся части которых путем трения (трибоэлектрически) создается электрический заряд высокого напряжения. Первый такой генератор (вращаемый вручную серный шар, который электризовался при трении об руку человека) изготовил в 1663 году мэр города Магдебурга (Magdeburg, Германия) Отто фон Гюрике (Otto von Guericke, 1602–1686). В ходе своего развития такие генераторы позволяли открывать многие электрические явления и закономерности. Они и сейчас не потеряли своего значения как средств проведения экспериментальных исследований по физике.


Первый магнитоэлектрический генератор изготовил 4 ноября 1831 года профессор Лондонского Королевского института (Royal Institution) Майкл Фарадей (Michael Faraday, 1791–1867). Генератор состоял из подковообразного постоянного магнита и медного диска, вращающегося между магнитными полюсами (рис. 3.12.4). При вращении диска между его осью и краем индуцировалась постоянная ЭДС. По такому же принципу устроены более совершенные униполярные генераторы, находящие применение (хотя относительно редко) и в настоящее время.





Рис. 3.12.4. Принцип устройства униполярного генератора Майкла Фарадея.
1 магнит, 2 вращающийся медный диск, 3 щетки. Рукоятка диска не показана






Майкл Фарадей


Майкл Фарадей родился в бедной семье и после начальной школы, в возрасте 13 лет, поступил учеником переплетчика книг. По книгам он самостоятельно продолжал свое образование, а по Британской энциклопедии ознакомился с электричеством, изготовил электростатический генератор и лейденскую банку. Для расширения своих знаний он начал посещать публичные лекции по химии директора Королевского института Гемфри Дэви (Humphrey Davy, 1778–1829), а в 1813 году получил должность его ассистента. В 1821 году он стал главным инспектором этого института, в 1824 году – членом Королевского общества (Royal Society) и в 1827 году – профессором химии Королевского института. В 1821 году он начал свои знаменитые опыты по электричеству, в ходе которых предложил принцип действия электродвигателя, открыл явление электромагнитной индукции, принцип устройства магнитоэлектрического генератора, закономерности электролиза и много других основополагающих физических явлений.


Спустя год после вышеописанного опыта Фарадея, 3 сентября 1832 года, парижский механик Ипполит Пикси (Hippolyte Pixii, 1808–1835) изготовил по заказу и под руководством основоположника электродинамики Андре Мари Ампера (André Marie Ampère, 1775–1836) генератор с вращаемым вручную, как у Фарадея, магнитом (рис. 3.12.5).


В якорной обмотке генератора Пикси индуцируется переменная ЭДС. Для выпрямления получаемого тока к генератору вначале пристроили открытый ртутный коммутатор, переключающий полярность ЭДС при каждом полуобороте ротора, но вскоре он был заменен более простым и безопасным цилиндрическим щеточным коллектором, изображенным на рис. 3.12.5.




Рис. 3.12.5. Принцип устройства магнитоэлектрического генератора Ипполита Пикси (a), график индуцируемой ЭДС (b) и график получаемой при помощи коллектора пульсирующей постоянной ЭДС (c). Рукоятка и конусная зубчатая передача не показаны



Генератор, построенный по принципу Пикси, впервые применил в 1842 году на своем заводе в Бирмингеме (Birmingham) для электропитания гальванических ванн английский промышленник Джон Стивен Вульрич (John Stephen Woolrich, 1790–1843), использовав в качестве приводного двигателя паровую машину мощностью 1 л. с. Напряжение его генератора составляло 3 V, номинальный ток – 25 A и кпд – около 10 %. Такие же, но более мощные генераторы быстро начали внедряться и на других гальванических предприятиях Европы.


В 1851 году немецкий военный врач Вильгельм Йозеф Зинштеден (Wilhelm Josef Sinsteden, 1803–1891) предложил использовать в индукторе вместо постоянных магнитов электромагниты и питать их током от меньшего вспомогательного генератора; он же обнаружил, что кпд генератора увеличится, если стальной сердечник электромагнита изготовить не массивным, а из параллельных проволок. Однако идеи Зинштедена стал реально использовать только в 1863 году английский электротехник-самоучка Генри Уайльд (Henry Wilde, 1833–1919), который предложил, среди прочих нововведении, насадить машину-возбудитель (англ. exitatrice) на вал генератора. В 1865 году он изготовил генератор невиданной доселе мощности в 1 kW, при помощи которого он мог демонстрировать даже плавку и сварку металлов.


Важнейшим усовершенствованием генераторов постоянного тока стало их самовозбуждение, принцип которого запатентовал в 1854 году главный инженер государственных железных дорог Дании Сёрен Хьёрт (Sören Hjorth, 1801–1870), но не нашедшее в то время практического применения. В 1866 году этот принцип снова открыли независимо друг от друга несколько электротехников, в том числе уже упомянутый Г. Уайльд, но широко известным он стал в декабре 1866 года, когда немецкий промышленник Эрнст Вернер фон Сименс (Ernst Werner von Siemens, 1816–1892) применил его в своем компактном и высокоэффективном генераторе. 17 января 1867 года в Берлинской академии наук был прочитан его знаменитый доклад о динамоэлектрическом принципе (о самовозбуждении). Самовозбуждение позволило отказатьса от вспомогательных генераторов возбуждения (от возбудителей), что обусловило возможность выработки намного более дешевой электроэнергии в больших количествах. По этой причине год 1866 часто считают годом зарождения электротехники сильного тока. В первых самовозбуждающихся генераторах обмотку возбуждения включали, как у Сименса, последовательно (сериесно) с якорной обмоткой, но в феврале 1867 года английский электротехник Чарлз Уитстон (Charles Wheatstone, 1802–1875) предложил параллельное возбуждение, позволяющее лучше регулировать ЭДС генератора, к которому он пришел еще до сообщений о последовательном возбуждении, открытом Сименсом (рис. 3.12.6).





Рис. 3.12.6. Развитие систем возбуждения генераторов постоянного тока.
a возбуждение при помощи постоянных магнитов (1831), b внешнее возбуждение (1851), c последовательное самовозбуждение (1866),
d параллельное самовозбуждение (1867). 1 якорь, 2 обмотка возбуждения. Регулировочные реостаты тока возбуждения не показаны



Необходимость в генераторах переменного тока возникла в 1876 году, когда работающий в Париже русский электротехник Павел Яблочков (1847–1894) стал освещать городские улицы при помощи изготовляемых им дуговых ламп переменного тока (свечей Яблочкова). Первые необходимые для этого генераторы создал парижский изобретатель и промышленник Зеноб Теофиль Грамм (Zénobe Théophile Gramme, 1826–1901). С началом массового производства ламп накаливания в 1879 году переменный ток на некоторое время потерял свое значение, но снова обрел актуальность в связи с ростом дальности передачи электроэнергии в середине 1880-х годов. В 1888–1890 годах владелец собственной научно-исследовательской лаборатории Тесла-Электрик (Tesla-Electric Co., Нью-Йорк, США) эмигрировавший в США сербский электротехник Никола Тесла (Nikola Tesla, 1856–1943) и главный инженер фирмы АЭГ (AEG, Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft), эмигрировавший в Германию русский электротехник Михаил Доливо-Добровольский (1862–1919), разработали трехфазную систему переменного тока. В результате началось производство все более мощных синхронных генераторов для сооружаемых тепло- и гидроэлектростанций. Важным этапом в развитии турбогенераторов может считаться разработка в 1898 году цилиндрического ротора совладельцем швейцарского электротехнического завода Браун, Бовери и компания (Brown, Boveri & Cie., BBC) Чарлзом Эженом Ланселотом Брауном (Charles Eugen Lancelot Brown, 1863–1924). Первый генератор с водородным охлаждением (мощностью 25 MW) выпустила в 1937 году американская фирма Дженерал Электрик (General Electric), а с внутрипроводным водяным охлаждением – в 1956 году английская фирма Метрополитен Виккерс (Metropolitan Vickers).

3.13 ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ


Электродвигатель преобразует электроэнергию в энергию механического движения. Так же, как и электрический генератор, электродвигатель состоит обычно из статора и ротора, относясь к вращающимся электрическим машинам. Выпускаются, однако, и двигатели, у которых движущаяся часть совершает линейное (обычно прямолинейное) движение (линейные двигатели).


Устройство, свойства и использование электродвигателей подробно рассматриваются в учебных курсах Электрические машины и Электропривод; в данном курсе по этой причине приводятся только их некоторые общие свойства, позволяющие сравнить их с другими видами двигателей (например, с двигателями внутреннего сгорания).


Самым распространенным видом электродвигателей является трехфазный короткозамкнутый асинхронный двигатель, принцип устройства которого представлен на рис. 3.13.1.





Рис. 3.13.1. Принцип устройства короткозамкнутого асинхронного двигателя. 1 статор, 2 ротор, 3 вал, 4 корпус


Роторная обмотка этого двигателя представляет собой систему массивных медных или алюминиевых стержней, размещенных параллельно друг другу в пазах ротора, концы которых соединены между собой короткозамкнутыми кольцами. В случае применения алюминия, вся обмотка («беличья клетка») обычно формируется путем литья под давлением. Вращающееся магнитное поле статора индуцирует в обмотке ротора ток, взаимодействие которого с магнитным полем статора приводит ротор во вращение. Скорость вращения ротора при этом всегда меньше, чем магнитного поля статора, и ее относительную разность со скоростью вращения магнитного поля статора (с синхронной скоростью) называют скольжением. Эта величина зависит от нагрузки на валу двигателя и составляет при полной нагрузке обычно (3…5) %. Для ступенчатого регулирования скорости может использоваться статорная обмотка с переключаемым числом полюсов; по такому принципу могут выполняться, например, двух-, трех- и четырехскоростные асинхронные двигатели. Для плавного регулирования скорости обычно осуществляется питание двигателя через регулируемый преобразователь частоты.


Для плавного регулирования скорости асинхронного двигателя ниже номинальной ранее вместо короткозамкнутых двигателей, использовались двигатели с фазным ротором, у которых роторная обмотка имеет такое же трехфазное исполнение, как и статорная. Такая обмотка соединяется через контактные кольца, расположенные на валу двигателя, с регулировочным реостатом, где часть энергии, потребляемой двигателем, превращается в тепло. Регулирование происходит, следовательно, за счет снижения кпд двигателя и в настоящее время применяется редко.


Короткозамкнутые асинхронные двигатели характеризуются своей компактностью и высокой надежностью, а также намного большим сроком службы, чем двигатели внутреннего сгорания. По размерам они обычно меньше и по массе легче, чем двигатели внутреннего сгорания той же мощности. Они могут изготовляться в очень большом диапазоне номинальных мощностей – от нескольких ватт до нескольких десятков мегаватт. Двигатели малой мощности (до нескольких сотен ватт) могут быть и однофазными.


Синхронные двигатели устроены так же, как и синхронные генераторы (см. раздел 3.12). При неизменной сетевой частоте они вращаются с постоянной скоростью, не зависимой от нагрузки. Их преимуществом перед асинхронными двигателями считается то, что они не потребляют из сети реактивную энергию, а могут отдавать ее в сеть, покрывая этим потребление реактивной энергии другими электроприемниками. Синхронные двигатели не подходят для частых пусков и применяются, главным образом, при относительно стабильной механической нагрузке и тогда, когда требуется постоянная скорость вращения.


Двигатели постоянного тока используются при необходимости плавного регулирования скорости. Это достигается путем изменения тока якоря и/или возбуждения при помощи полупроводниковых устройств (раньше – с помощью регулировочных реостатов) или путем изменения напряжения питания. Так как в настоящее время легко и без существенного изменения кпд (при помощи преобразователей частоты) осуществляется и плавное регулирование скорости двигателей переменного тока, то двигатели постоянного тока, из-за их большей стоимости, бóльших размеров и дополнительных потерь, возникающих при регулировании, стали применяться значительно реже, чем раньше.


Шаговые двигатели приводят в движение при помощи импульсов напряжения. При каждом импульсе ротор двигателя поворачивается на определенный угол (например, на несколько градусов). Такие двигатели используются в тихоходных механизмах, требующих обычно еще точного позиционирования. Могут изготовляться, например, двигатели, совершающие один оборот за сутки или даже за год.


Линейные двигатели используются для линейного движения, когда преобразование вращающегося движения в линейное при помощи механических передач или других устройств невозможно или неприемлемо. Наиболее часто применяются асинхронные линейные двигатели, но существуют также синхронные и шаговые линейные двигатели и даже двигатели постоянного тока.


Разработкой и применением асинхронных линейных двигателей с 1950-х до 1990-х годов интенсивно занимался и институт электропривода и силовой электроники Таллиннского технического университета.


Основными преимуществами электрических двигателей перед двигателями внутреннего сгорания могут считаться


  • меньшие размеры, меньшая масса и меньшая стоимость,

  • намного более высокий кпд (обычно 90…95 %),

  • лучшая регулируемость (обычно с сохранением высокого кпд),

  • высокая надежность и долгий срок службы,

  • меньший шум и меньшая вибрация при работе,

  • быстрый и беспроблемный (при необходимости – плавный) пуск,

  • намного более простая эксплуатация,

  • отсутствие потребления топлива и, как результат, отсутствие выбросов продуктов сгорания в окружающую среду,

  • легкое присоединение к любым рабочим машинам и механизмам.


Применение электродвигателей может оказаться проблемным в случае, когда они должны размещаться на переносных и передвижных устройствах или на транспортных средствах. Для электропитания в таких случаях могут применяться, в зависимости от дальности и характера передвижения,


  • гибкие кабели,

  • контактные провода или контактные шины,

  • размещаемые на передвижных средствах источники питания (аккумуляторы, топливные элементы, двигатель-генераторы и т. п.).


Во многих случаях эти способы питания ограничивают маневренность или дальность пробега транспортных средств (особенно автомобилей) или других передвижных машин в такой степени, что применение двигателей внутреннего сгорания остается более рациональным.


Первый электродвигатель был не электромагнитным, а электростатическим, и его изготовил в 1748 году издатель и общественный деятель города Филадельфия (Philadelphia, США) Бенджамин Франклин (Benjamin Franklin, 1706–1790). Ротор этого двигателя представлял собой зубчатый диск, на зубья которого действовали импульсные силы притяжения и отталкивания, вызываемые электростатическими разрядами; диск совершал 12…15 оборотов в минуту и мог нести до 100 серебрянных монет. Первые электромагнитные двигатели (приборы, в которых либо проводник, через который протекал ток, вращался вокруг стержневого магнита (рис. 3.13.2), совершая при этом работу – перемешивая ртуть, либо стержневой магнит вращался вокруг проводника с током, изобрел в 1821 году ассистент Лондонского Королевского института (Royal Institution) Майкл Фарадей (Michael Faraday). Первый (качающийся) двигатель, который, в принципе, можно было бы соединить с приводимой рабочей машиной, изготовил в 1831 году учитель математики и природоведения школы мальчиков города Албани (Albany, США) Джозеф Генри (Joseph Henry, 1797–1878); принцип устройства этого двигателя представлен на рис. 3.13.3.





Рис. 3.13.2. Принцип устройства опытного прибора Майкла Фарадея для демонстрации электрического вращения. 1 вращающийся металлический стержень, 2 стержневой магнит, 3 стеклянный или фарфоровый сосуд,
4 ртуть, 5 уплотнение. i ток






Рис. 3.13.3. Принцип устройства качающегося электродвигателя Джозефа Генри. 1 постоянные магниты, 2 качающийся электромагнит, 3 вал, 4 ртутные контакты


После двигателя Генри было создано еще несколько различных опытных электродвигателей возвратно-поступательного движения. Первый вращающийся электродвигатель создал с целью реального применения 8 апреля 1834 года инспектор порта Пиллау (Pillau, Восточная Пруссия), инженер-строитель Мориц Герман Якоби (Moritz Hermann Jacobi, 1801–1874), изучавший самостоятельно электротехнику в библиотеке и в лабораториях Кенигсбергского университета. Восьмиполюсный двигатель, у которого как статор, так и ротор состояли из четырех подковообразных электромагнитов и который совершал 80…120 оборотов в минуту, получал питание из батареи гальванических элементов напряжением 6 V. Мощность его на валу была приблизительно 15 W, а кпд – около 13 %. Якоби исследовал и совершенствовал свой двигатель, между прочим, в Тартуском университете, профессором гражданской архитектуры которого он был избран в 1835 году [3.25].





Мориц Герман Якоби


Мориц Герман (позже, в России – Борис Семенович) Якоби родился в 1801 году в Потсдаме (Potsdam, Германия) в зажиточной семье и получил хорошее домашнее образование; уже в юношестве он одинаково свободно владел немецким, английским и французским языками и отлично знал также латынь и древнегреческий язык. В 1828 году он окончил Геттингенский университет (Göttingen, Германия) с квалификацией архитектора, работал затем на строительстве дорог, а в 1833 году переехал в Кенигсберг, где его младший брат Карл Густав Яков Якоби (Carl Gustav Jacob Jacobi, 1804–1851) был профессором математики. Он стал работать инспектором порта Пиллау и посещать Кенигсбергский университет для приобретения знаний по электротехнике. В 1834 году он построил вышеупомянутый двигатель, а в 1835 году, по инициативе профессора астрономии Тартуского унивеситета Фридриха Георга Вильгельма Струве (Friedrich Georg Wilhelm Struve, 1793–1864), он был избран профессором гражданской архитектуры этого университета. Его двигатель вызвал интерес в Петербурге, и в 1837 году Якоби был прикомандирован к столичной Академии Наук для разработки электропривода военных кораблей, оставаясь до 1840 года официально на службе в Тартуском университете. В 1838 году Якоби испытал на Неве первый в мире электропривод с вращающимся двигателем (установленный на морском боте), но дальнейшие исследования показали, что для электропитания привода, к сожалению, нет технически и экономически пригодного источника энергии. В 1839 году Якоби был избран членом-корреспондентом, а в 1842 году – членом Академии Наук и в дальнейшем занимался, в основном, развитием электромагнитного телеграфа, гальванотехники и метрологии. Неоднократно он встречался с Майклом Фарадеем, известными французскими и немецкими физиками того времени.


В середине 19-го века было разработано еще несколько разновидностей двигателей постоянного тока, но их практическому применению воспрепятствовали малая мощность и, как установил уже Якоби, недостаточная экономическая эффективность источников электропитания того времени – гальванических элементов и примитивных электромашинных генераторов. Более широкое применение электродвигателей стало возможным только в 1866 году, после появления генераторов постоянного тока с самовозбуждением (см. раздел 3.12).


После появления многофазной системы переменного тока (см. раздел 3.12) немецкая фирма АЭГ стала исследовать возможности использования асинхронных двигателей, изобретенных ее главным инженером Михаилом Доливо-Добровольским (на немецкий лад – Michael von Dolivo-Dobrowolsky) и представил 8 марта 1889 заявление на патентование короткозамкнутого асинхронного двигателя. После этого началось широкое применение надежных и высокоэффективных двигателей переменного тока. В настоящее время все вышеназванные электродвигатели достигли очень высокого технического уровня и находят широчайшее применение в стационарных установках, а в последнее время все чаще и в средствах передвижения.

3.14 ДРУГИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ


Часто возникает необходимость преобразовать электроэнергию с некоторыми заданными параметрами (например, с заданным родом тока, напряжением или частотой) в электроэнергию с другими параметрами. Для этого могут использоваться, например


  • трансформаторы (преобразователи напряжения),

  • выпрямители (преобразователи переменного тока в постоянный),

  • инверторы (преобразователи постоянного тока в переменный),

  • преобразователи частоты,

  • импульсные преобразователи (для создания импульсов тока или напряжения).


Простейший трансформатор представляет собой устройство, состоящее из стального сердечника и двух обмоток (рис. 3.14.1). При подаче в первичную обмотку переменного напряжения, во вторичной обмотке индуцируется ЭДС той же частоты. Если ко вторичной обмотке подключить некоторый электроприемник, то в ней возникает электрический ток и на вторичных зажимах трансформатора устанавливается напряжение, которое несколько меньше, чем ЭДС и в некоторой относительно малой степени зависит от нагрузки. Отношение первичного напряжения ко вторичному (коэффициент трансформации) приблизительно равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток. Простейшие условные обозначения трансформаторов изображены на рис. 3.14.2; для наглядности разные обмотки трансформатора можно, как и на рисунке, представить разными цветами.





Рис. 2.14.1. Принцип устройства однофазного двухобмоточного трансформатора. 1 первичная обмотка, 2 вторичная обмотка,
3 сердечник. U1 первичное напряжение, U2 вторичное напряжение,
I1 первичный ток, I2 вторичный ток, магнитный поток






Рис. 3.14.2. Условное обозначение трансформатора в подробных (многолинейных) схемах (a) и в схемах электрических сетей (b)


Трансформаторы могут быть одно- или многофазными, а вторичных обмоток может быть больше одной. В электрических сетях обычно используются трехфазные трансформаторы с одной или двумя вторичными обмотками. Если первичное и вторичное напряжения относительно близки друг другу, то могут использоваться и однообмоточные автотрансформаторы, принципиальные схемы которых представлены на рис. 3.14.3.





Рис. 3.14.3. Принципиальные схемы понижающего (a) и повышающего (b) автотрансформаторов


Важнейшими номинальными показателями трансформатора являются его номинальные первичное и вторичное напряжения, номинальные первичный и вторичный ток, а также номинальная вторичная полная мощность (номинальная мощность). Трансформаторы могут изготовляться как на весьма малую мощность (например, для микроэлектронных цепей), так и на очень большую (например, для мощных энергосистем), охватывая диапазон мощностей от 0,1 mVA до 1000 MVA. Потери энергии в трансформаторе – обусловленные активным сопротивлением обмоток потери в меди и вызванные вихревыми токами и гистерезисом в сердечнике потери в стали – обычно настолько малы, что кпд трансформатора, как правило, выше 99 %. Несмотря на это, тепловыделение в мощных трансформаторах может оказаться настолько сильным, что необходимо прибегать к эффективным способам теплоотвода. Чаще всего активная часть трансформатора размещается в баке, заполненном минеральным (трасформаторным) маслом; бак, при необходимости, снабжается принудительным воздушным или водяным охлаждением. При мощности до 10 MVA (иногда и выше) могут применяться и сухие трансформаторы, обмотки которых обычно залиты эпоксидной смолой. Основные преимущества сухих трансформаторов заключаются в более высокой огнебезопасности и в исключении течи трансформаторного масла, благодаря чему они могут без препятствий устанавливаться в любых частях зданий, в том числе на любом этаже.


Для измерения переменных тока или напряжения (особенно в случае больших токов и высоких напряжений) часто используются измерительные трансформаторы. Устройство трансформатора напряжения по своему принципу не отличается от силовых трансформаторов, но работает он в режиме, близком к холостому ходу; коэффициент трансформации в таком случае достаточно постоянен. Номинальное вторичное напряжение таких трансформаторов обычно равно 100 V. Вторичная обмотка трансформатора тока в идеальном случае короткозамкнута, и вторичный ток в таком случае пропорционален первичному. Номинальный вторичный ток обычно составляет 5 A, но иногда может быть и меньше (например, 1 A). Примеры условных обозначений трансформаторов тока приведены на рис. 3.14.4.





Рис. 3.14.4. Условное обозначение трансформатора тока в развернутых схемах (a) и в однолинейных схемах (b)


Устройство и свойства силовых трансформаторов подробно рассматриваются в курсе Электрические машины, а измерительных трансформаторов – в курсах Электрические измерения и Электроснабжение.


Первым трансформатором может считаться изготовленное Майклом Фарадеем (Michael Faraday) индукционное кольцо (англ. induction ring), состоящее из кольцевого стального сердечника и двух обмоток, при помощи которого он 29 августа 1831 года открыл явление электромагнитной индукции (рис. 3.14.5). Во время быстрого переходного процесса, возникающего при включении или отключении первичной обмотки, соединенной с источником постоянного тока, во вторичной обмотке индуцируется импульсная ЭДС. Такое устройство может поэтому называться импульсным или транзиентным трансформатором.





Рис. 3.14.5. Принцип устройства транзиентного трансформатора Майкла Фарадея. i1 первичный ток, i2 вторичный ток, t время


Исходя из открытия Фарадея, учитель физики колледжа города Маргнута (Margnooth) около Дублина (Dublin, Ирландия) Николас Келлан (Nicholas Callan, 1799–1864) построил в 1836 году индукционную катушку (искровой индуктор), состоящий из прерывателя и трансформатора; это устройство позволяло преобразовать постоянный ток в переменный ток высокого напряжения и вызывать длинные искровые разряды. Индукционные катушки стали быстро усовершенствоваться и в 19-м веке и широко применялись при исследовании электрических разрядов. К ним могут быть отнесены и катушки зажигания современных автомобилей. Первый трансформатор переменного тока запатентовал в 1876 году живший в Париже русский электротехник Павел Яблочков, использовав его в целях питания своих дуговых ламп. Сердечник трансформатора Яблочкова представлял собой прямой пучок стальных проволок, вследствие чего магнитная цепь была не замкнутой, как у Фарадея, а открытой, и в других установках такой трансформатор применять не стали. В 1885 году инженеры-электрики Будапештского завода Ганц и Компания (Ganz & Co.) Макс Дери (Max Déri, 1854–1938), Отто Титуш Блати (Otto Titus Bláthy, 1860–1939) и Кароль Зиперновски (Karoly Zipernovsky, 1853–1942) изготовили трансформатор с тороидальным проволочным сердечником и заодно разработали систему распределения электроэнергии на переменном токе, основанную на применении этих трансформаторов. Трансформатор с еще лучшими свойствами, сердечник которого собирался из Е- и I-образных стальных листов, создал в том же году американский электротехник Уильям Стенли (William Stanley, 1858–1916), после чего началось быстрое развитие систем переменного тока как в Европе, так и в Америке. Первый трехфазный трансформатор построил в 1889 году Михаил Доливо-Добровольский.


Выпрямители в настоящее время основываются на полупроводниковых (чаще всего на кремниевых) вентилях –диодах, пропускающих ток только в одном направлении. Условные обозначения вентиля и выпрямителя представлены на рис. 2.14.6.





Рис. 3.14.6. Условные обозначения неуправляемого вентиля (a), управляемого вентиля (тиристора) (b) и выпрямителя (c)


Простейший выпрямитель состоит из одного единственного вентиля (рис. 3.14.7). Так как выпрямленный ток представляет собой в таком случае отделенные друг от друга однополярные полупериоды переменного тока, то такой выпрямитель (называемый по этому признаку полупериодным) применяется редко.





Рис. 3.14.7. Схема выпрямителя, состоящего из одного вентиля (слева) и форма выпрямленного тока (справа). i мгновенное значение тока,
t время



Чаще всего применяются мостовые выпрямители, схема которых представлена на рис. 3.14.8. Так как в них выпрямляются оба полупериода переменного тока, то их называют двухполупериодными. Еще более равномерный выпрямленный ток можно получить при помощи трехфазного мостового выпрямителя.





Рис. 3.14.8. Схема и форма выпрямленного тока мостового выпрямителя. i мгновенное значение тока, t время


В инверторе применяются управляемые полупроводниковые вентили (транзисторы или тиристоры), которые могут произвольно открываться или закрываться (рис. 3.14.9). В случае простейшей мостовой схемы получается четырехугольная форма полупериодов выходного тока, но при помощи фильтров, включенных последовательно с инвертором, можно добиться, как это обычно и требуется, синусоидальной формы тока. Если для управления вентилями использовать быстродействующее числовое программное управление, то вместо четырехугольной формы инвертированного тока можно получить пакет импульсов различной ширины, который при помощи фильтров легко преобразовать в синусоидальный ток. Упрощенно такой принцип широтно-импульсной модуляции представлен на рис. 3.14.9,c. Условное обозначение инвертора представлено на рис. 3.14.10.





Рис. 3.14.9. Схема (a) и форма выходного тока мостового инвертора
(b – четырехугольная, c – получаемая при широтно-импульсной модуляции). i мгновенное значение тока, t время






Рис. 3.14.10. Условное обозначение инвертора


Преобразователь частоты может представлять собой комбинацию выпрямителя и инвертора (рис. 3.14.11), но могут применяться и более сложные схемы (например, без промежуточного звена постоянного тока).




  1   2

Похожие:

Рис. 12 Принцип устройства двухполюсного синхронного генератора. 1 статор (якорь), 2 ротор (индуктор), 3 вал, 4 корпус. U-x, v-y, w-z – размещенные в пазах статора части обмоток трех фаз iconДвухобмоточный асинхронный генератор в двухфазном исполнении с емкостным возбуждением
Ратора выполнены по различным схемам соединения обмоток статора. Путём выбора числа витков фаз обмоток статора выполненные на различное...
Рис. 12 Принцип устройства двухполюсного синхронного генератора. 1 статор (якорь), 2 ротор (индуктор), 3 вал, 4 корпус. U-x, v-y, w-z – размещенные в пазах статора части обмоток трех фаз iconСпособ и устройство гашения поля синхронного генератора
...
Рис. 12 Принцип устройства двухполюсного синхронного генератора. 1 статор (якорь), 2 ротор (индуктор), 3 вал, 4 корпус. U-x, v-y, w-z – размещенные в пазах статора части обмоток трех фаз iconСхемы цепей постоянного тока системы самовозбуждения синхронного генератора
В статье рассматривается комплексное устройство, позволяющее гасить поле синхронного генератора, оснащенного системой тиристорной...
Рис. 12 Принцип устройства двухполюсного синхронного генератора. 1 статор (якорь), 2 ротор (индуктор), 3 вал, 4 корпус. U-x, v-y, w-z – размещенные в пазах статора части обмоток трех фаз iconНапряженно-деформированное состояние в зонах контакта шарнира Гука
Конструкция шарнира (рис. 1) включает в свой состав входной вал, крестовину и выходной вал
Рис. 12 Принцип устройства двухполюсного синхронного генератора. 1 статор (якорь), 2 ротор (индуктор), 3 вал, 4 корпус. U-x, v-y, w-z – размещенные в пазах статора части обмоток трех фаз iconОао «огк-5» Исх.№2830 / фэу от 17. 12. 2007г. Извещение о проведении конкурса Уважаемые господа!
Заказчиком, настоящим извещением приглашает Вас к участию в открытом конкурсе без предварительного квалификационного отбора на право...
Рис. 12 Принцип устройства двухполюсного синхронного генератора. 1 статор (якорь), 2 ротор (индуктор), 3 вал, 4 корпус. U-x, v-y, w-z – размещенные в пазах статора части обмоток трех фаз iconЛабораторная работа №7 Исследование трехфазной цепи
Такой источник по существу представляет собой три генератора синусоидального напряжения с равными амплитудами и сдвинутыми на 120º...
Рис. 12 Принцип устройства двухполюсного синхронного генератора. 1 статор (якорь), 2 ротор (индуктор), 3 вал, 4 корпус. U-x, v-y, w-z – размещенные в пазах статора части обмоток трех фаз iconПринципы разработки асу
Ключевые слова: принцип системности, принцип открытости, принцип совместимости, принцип унификации, принцип эффективности, принцип...
Рис. 12 Принцип устройства двухполюсного синхронного генератора. 1 статор (якорь), 2 ротор (индуктор), 3 вал, 4 корпус. U-x, v-y, w-z – размещенные в пазах статора части обмоток трех фаз iconМетодические указания по подготовке к выполнению и выполнению лабораторной работы Описание лабораторного стенда
Источник переменного тока на базе синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов
Рис. 12 Принцип устройства двухполюсного синхронного генератора. 1 статор (якорь), 2 ротор (индуктор), 3 вал, 4 корпус. U-x, v-y, w-z – размещенные в пазах статора части обмоток трех фаз iconЛогико-командный регулятор асинхронного двигателя с фазным ротором
Используя паспортные данные двигателя, рассчитать номинальные значения скольжения, момента, активные и реактивные сопротивления обмоток...
Рис. 12 Принцип устройства двухполюсного синхронного генератора. 1 статор (якорь), 2 ротор (индуктор), 3 вал, 4 корпус. U-x, v-y, w-z – размещенные в пазах статора части обмоток трех фаз iconВопросы к экзамену по информатике (теоретическая часть)
Архитектура эвм: принцип построения, схема устройства, магистрально-модульный принцип построения
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница