Глава третья
ХАРАКТЕРИСТИКИ. ПАРАМЕТРЫ
3.1. ВИДЫ ХАРАКТЕРИСТИК
Под характеристикой электрической машины понимается функциональная зависимость между величинами, определяющими ее свойства, приводящаяся обычно в наглядной графической форме. Существует большое число различных характеристик ЭМ. Рассмотрим характеристики, определяющие эксплуатационные свойства ЭМ. Эксплуатационные характеристики могут быть непосредственно определены из опыта или рассчитаны с помощью схем замещения. Основные их виды приведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1
* Входит в состав рабочих характеристик по ГОСТ 17154-71.
Они относятся к установившимся режимам. Полезной мощностью Р2 для двигательного режима является механическая мощность (/в — ток возбуждения, I — ток якоря).
Неустановившиеся режимы работы генераторов характеризуются изменением напряжения во времени U = F (г) при внезапном нагружении или отключении нагрузки и зависимостью тока от времени при внезапном КЗ.
К числу основных характеристик неустановившегося режима двигателей относятся пусковые характеристики М = F (ί), п = F (ί), / =
=F(t).
Важным эксплуатационным показателем генераторов является качество энергии, характеризуемое, в первую очередь, стабильностью напряжения по значению, форме и амплитуде кривой напряжения для генераторов переменного тока и также значению пульсационных составляющих напряжения постоянного тока.
3.2. МЕТОДЫ НАГРУЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
С целью уменьшения расхода электроэнергии во всех случаях, где это целесообразно,· а для крупных электрических машин всегда, при испытании должна применяться система возврата энергии, прошедшей через испытуемую электрическую машину (ИМ) в сеть.
Различают системы возврата энергии и взаимной нагрузки. В первом случае нагрузка ИМ (или ее привод) может реализоваться с помощью ЭМ другого типа или даже другого рода тока. Места потребления и возврата энергии отделены при этом друг от друга относительно длинной энергетической цепочкой, в которой имеют место потери.
В случае взаимной нагрузки для испытания используются две близкие по мощности, а еще лучше — одинаковые ЭМ, из которых одна работает двигателем, а другая — генератором. Точки отбора и возврата энергии при этом совпадают, и из сети потребляется лишь мощность, равная потерям двух ЭМ. Очевидно, что такие схемы наиболее экономичны.
Ниже приводятся основные принципы построения схем взаимной нагрузки для электрических машин различного типа и рода тока.
Следует иметь в виду, что для электрических машин с одним концом вала направления вращения в схеме взаимной нагрузки получаются различными, что требует пересоединения обмоток, наладки коммутации электрических машин постоянного тока.
- Методы нагружения машин постоянного тока. Для этих целей могут применяться четыре различные схемы.
Схема на рис. 3.1 применима для электрических машин с регулируемым возбуждением. Усилением тока возбуждения одна из ЭМ переводится в генераторный режим. Магнитные потоки в ЭМ получаются разными. Покрытие потерь производится за счет сети.
Рис. 3.1. Схема взаимной нагрузки с регулируемым возбуждением Рис. 3.2. Схема взаимной нагрузки с вспомогательным двигателем
Рис. 3.3. Схема взаимной нагрузки с питанием от сети и вольтодобавочным генератором
Рис. 3.4. Схема взаимной нагрузки с вспомогательным двигателем и вольтодобавочным генератором (схема возбуждения, см. рис. 3.3)
На рис. 3.2 показана схема с вспомогательным двигателем. Потери, за исключением потерь на возбуждение, покрываются за счет энергии, подведенной к валу вспомогательного двигателя (ВД). Обмотки возбуждения должны питаться (в целях устойчивости режима) от сети. Схема весьма удобна для низковольтных и высоковольтных электрических машин. Магнитные потоки ИМ различны.
Схема с питанием от сети и вольтодобавочным генератором (ВГ) показана на рис. 33. В этой схеме в цепь якоря ЭМ, работающей генератором, включается ВГ, рассчитанный на полный ток, и напряжение, равное суммарному падению напряжения в якорных цепях двух ЭМ. Магнитные потоки в ЭМ одинаковы, что важно при исследовании добавочных потерь (см. гл. 4).
Схема с ВГ и вспомогательным двигателем приведена на рис. 3.4. Эта схема создает полностью идентичные по токам в обмотках условия работы ИМ.
Рис. 3.5. Схемы взаимной нагрузки синхронных электрических машин за счет углового смещения роторов с помощью муфты:
а — с питанием от сети; б — с приводом от вспомогательного двигателя
Применение ВГ обязательно при испытании электрических машин с нерегулируемым возбуждением, например тяговых двигателей последовательного возбуждения. Показателем правильности сборки схемы в этом случае является отсутствие вращения ИМ при наличии тока через якорные цепи при возбуждении ВГ. ИМ должны иметь одинаковую частоту вращения в обе стороны в двигательном режиме.
Для обеспечения возможности работы ЭМ в схемах взаимной нагрузки они должны обладать устойчивыми характеристиками — частота вращения ИМ, работающей в двигательном режиме, и напряжение ИМ, работающей в генераторном, должны уменьшаться с ростом нагрузки (тока якоря), что достигается введением МДС, пропорциональной току (включением последовательной обмотки, сдвигом щеток с нейтрали), направленной против МДС возбуждения.
3.2.2. Методы нагружения синхронных машин. Значение и характер (генераторный, двигательный) нагрузки синхронных электрических машин (СМ) определяются углом δ между осью полюсов ротора Е и поля статора £/, поэтому нагружение СМ методом взаимной нагрузки может быть осуществлено за счет создания относительного углового сдвига между роторами или полями статоров двух спаренных СМ, в результате чего одна из СМ работает в генераторном режиме, а другая — в двигательном.
Как и в случае ЭМ постоянного тока, покрытие потерь при испытании может производиться как из сети (рис. 3.5, я), так и механически (рис. 3.5, б) — вращением двух спаренных СМ приводным двигателем.
Простейшим вариантом нагружения является создание углового сдвига между роторами. Этот вариант не нуждается в дополнительных устройствах и является единственным возможным вариантом для испытания электрических машин большой мощности (турбогенераторов).
К числу недостатков варианта относится сложность регулирования нагрузки (угла δ), требующая поворота роторов на малые углы; спаривающие муфты (М) должны быть жесткими (для этих целей могут, например, использоваться зубчатые полумуфты и обоймы с внутренним зацеплением).
Поэтому при испытании крупных турбогенераторов приходится проводить точные расчеты угла [3.1].
Рис. 3.6. Возврат энергии при испытании асинхронных машин в сеть с пониженной частотой
Для СМ малой и средней мощности использоваться устройства для поворота статора одной из ИМ вокруг оси вращения на заданный угол.
Описанные выше варианты основаны на механическом регулировании угла δ. Существует также вариант электрического регулирования этого угла. Относительный поворот поля статора одной из СМ может быть получен включением в его цепь фазорегулятора (ФР) (эта СМ используется как нагрузочная, поскольку напряжение на ее зажимах отличается в этом случае от номинального).
Другим вариантом электрического регулирования угла δ является применение в качестве привода или нагрузки специальной СМ (с тем же числом пар полюсов, что и ИМ), имеющей неявнополюсный ротор с двумя обмотками возбуждения, сдвинутыми на электрический угол 90°. Меняя отношение токов возбуждения в этих обмотках, можно плавно поворачивать ось поля ротора. Такая машина двойного возбуждения (МДВ) представляет значительные удобства для испытательных станций.
Нагружение СМ током, близким к номинальному, может быть получено без спаривания при работе в режиме синхронного компенсатора (cos φ = 0).
Методы нагружения асинхронных машин.
Величина и характер нагрузки (двигательный, генераторный) АЭМ определяется значением и направлением (знаком) скольжения s.
Возвратная работа АЭМ возможна при наличии двух сетей (рис. 3.6) с частотами fi =/( 1 + s) и/2 =/(1 - s), где/ — номинальная частота. Для АЭМ с малыми значениями s можно иметь только одну сеть с регулируемой частотой и работать с частотами / и /(1 — 2s). Взаимная нагрузка АЭМ от одной сети возможна, если между валами ИМ включается редуктор с передаточным отношением 1 + 2s.
Для АЭМ с фазным ротором для осуществления режима возвратной работы могут использоваться каскадные схемы. Пример такой схемы [3.2J для испытания четырехполюсных АД приведен на рис. 3.7 (КК — контактные кольца). ИМ спаривается в этой схеме с шестиполюсной АЭМ (ΑΓ1), с колец ротора которой питается асинхронный двигатель- генератор (четырех- и десятиполюсный). Регулирование нагрузки производится сопротивлением в цепи ротора АГ2. Потери в сопротивлении составляют примерно 7% от мощности ИМ. Номинальная мощность АД2 и АГ2 составляет 1/3 мощности ИМ. Общие потери в схеме равны примерно 30—35% мощности ИМ.
Рис. 3.7. Каскадная схема возврата энергии при испытании четырехполюсных АД (цифры 4; 6; 10 означают число полюсов)
Рис. 3.8. Схема возвратной работы с подводом энергии скольжения
Рис. 3.9. Схема двухчастотного нагружения асинхронного двигателя:
1 - генератор (индукционный регулятор) частотой 50 Гц; 2 — генератор частотой 40 Гц; 3 - испытуемый АД; 4 - схема измерения напряжения, тока, мощности
Другой пример схемы возвратной работы (рис. 3.8) при испытании крупных АД (8—10 МВт) с КЗ ротором приведен в [3.3]. В качестве нагрузки используется АЭМ с фазным ротором (которая может быть получена перемоткой обмотки ротора АЭМ того же типа, что и испытуемая (с форсировкой охлаждения). В цепь контактных колец этой АЭМ включаются три ЭМ постоянного тока с шихтованной станиной. Обмотки возбуждения электрических машин постоянного тока питаются от источника низкой частоты (регулируемой в пределах от 0 до fs).
Заданием этой частоты устанавливается требуемый режим нагружения ИМ. Требуемая мощность ЭМ постоянного тока равна PHOMs.
Для АЭМ имеется возможность нагружения номинальным током без спаривания за счет питания от двух источников с разной частотой (50 и 40 Гц) (рис. 3.9). Регулируя напряжение генератора (частотой 40 Гц), можно получить номинальный ток ИМ. Такой искусственный метод нагружения позволяет проводить контрольные испытания (за исключением проверки уровня вибрации и шума), определять превышение температуры и добавочные потери.
Существует также ряд других схем искусственного нагружения АЭМ без спаривания, например по методу Костенко—Кузнецова с использованием постоянного тока [0.13,4.7].
