ТРЕХФАЗНЫЙ ГЕНЕРАТОР

Образование трехфазной ЭДС генератора и соответственно напряжения сети можно уяснить, рассмотрев следующий рисунок:

Рис. П.3.3. Образование трехфазной ЭДС

Рис. 12

Вращаясь, ротор с обмоткой возбуждения постоянного тока, создающей магнитный поток, последовательно проходит, как показано на рисунке, фазу В, затем С, А и снова В. Соответственно создаются напряжения в фазах, сдвинутых на 120 электрических градусов. Сдвиг по фазе изображается в виде трехлучевой звезды, рис. П.3.4.

Различают фазные и линейные напряжения.

Из рис. П.3.5 следует, что линейное напряжение в корень из трех раз больше фазного. Далее: трехфазные токи создают в трехфазных обмотках вращающийся магнитный поток. Это можно уяснить из рисунка П3.6.
Вращающиеся магнитные потоки, в свою очередь, создают трехфазные ЭДС, которые направлены против приложенного напряжения (противоэдс).

Исходя из закона равновесия ЭДС, трехфазное напряжение всегда будет вызывать в трехфазной обмотке трехфазную противоэдс, а токи будут такими, чтобы эта противоэдс имела место.

Рис. П.3.6. Образование вращающихся магнитных потоков

Трехфазную систему можно рассматривать и как три отдельные катушки, сдвинутые в пространстве на 120°, в которых токи сдвинуты по фазе на те же 120°. Вообще любой сдвиг магнитных потоков по фазе и в пространстве вызывает вращающееся магнитное поле. На этом принципе основана работа многих приборов, например, однофазных моторов, см. рисунок, счетчиков и др.

Однофазные моторы, изображенные на рисунке П.3.7, имеют расщепленный полюс, на отдельном зубе которого расположена короткозамкнутая обмотка, смещающая по фазе магнитный поток этого зуба так, что имеется сдвиг потоков в пространстве и по фазе. Это создает перемещение в пространстве и во времени магнитного потока, что и вызывает вращение короткозамкнутого ротора.

Рис. П.3.7. Однофазные моторы

Во многих бытовых приборах применяют конденсаторы для сдвига фаз тока в обмотках статора двигателей. На рис. П.3.8 показаны некоторые из многих схем превращения трехфазных асинхронных двигателей в однофазные двигатели.

Рис. П.3.8. Конденсаторы в схемах однофазных моторов,
имеющих в своем составе трехфазный асинхронный двигатель

Вторая емкость нужна для увеличения пускового момента на валу двигателя. Ее включение необязательно в случае, когда пусковой момент невелик.

Приложение 4. Асинхронные двигатели

Рис. П.4.1. Диаграмма электрических процессов
в асинхронном двигателе

Рассмотрим процессы в электродвигателе в установившемся режиме в рабочем диапазоне нагрузки. В этом диапазоне индуктивностью ротора можно пренебречь. Пренебрежем также и индуктивностью статора, которая мало влияет на оценочные расчеты, которые делают на практике.

Если к статору приложено трехфазное напряжение, то в статоре по закону равновесия ЭДС должна возникнуть трехфазная электродвижущая сила, которая может иметь место только за счет появления вращающегося магнитного потока так же, как это было в генераторе. Разница в том, что в генераторе ЭДС создавалась магнитным потоком ротора с обмоткой возбуждения, в которой имеется постоянный ток возбуждения. В асинхронном двигателе такого ротора нет. Поэтому магнитный поток должен образоваться за счет тока, который поступит из сети. На рис. 17 показан стрелкой, направленной вверх, этот магнитный поток. Поток должен быть так же, как и в генераторе, синусоидально распределен по расточке статора асинхронного двигателя. Поэтому он должен создаваться током, который синусоидально распределен по обмотке статора. Способ создания такого тока рассматривается в теории конструирования электрических машин и здесь не обсуждается. Определив направление магнитного потока, определим и ток, который его создает. Согласно правилу «буравчика» по проводникам справа от потока ток должен быть направлен от нас, а слева — на нас (ток IRst). Направление вращения магнитного потока определим против часовой стрелки. По правилу правой руки определим направление ЭДС в статоре. В верхних проводниках электродвижущая сила будет направлена на нас, а в нижних — от нас.

Определив ЭДС, определим и напряжение, которое приложено к двигателю. Оно будет против ЭДС. Следовательно, в верхних проводниках направлено от нас, а в нижних — на нас. Как видим, ток, создающий магнитный поток, сдвинут относительно напряжения на 90˚ в сторону против вращения. Следовательно, он по фазе будет отставать от напряжения на 90˚, то есть будет реактивным.

Пусть сначала тормозной, а значит, и электромагнитный вращающий момент будет равен нулю. Это означает, что ток в роторе также должен быть равен нулю. Следовательно, и ЭДС в роторе будет равна нулю. Но это может иметь место только в том случае, когда ротор будет вращаться вместе с полем и никакого изменения магнитного потока в роторе не будет. Что мы и наблюдаем. Так сделан логический вывод строго на основах тех положений, которые были высказаны выше.

Теперь допустим, что к валу двигателя приложен механический момент, который, казалось бы, должен тормозить ротор Ммех. Однако по третьему закону Ньютона должен сразу же образоваться и электромагнитный момент Мэл, направленный против механического момента. Но чтобы он имел место, в роторе должен пойти ток, который во взаимодействии с магнитным потоком создадут силы в проводниках, которые и образуют электромагнитный момент. Направление тока в этом случае можно определить по правилу левой руки. Ток будет направлен в верхних проводниках на нас, а в нижних — от нас. Но чтобы такой ток имел место, надо, чтобы появилась ЭДС в роторе, которая должна быть направлена на нас в верхних проводниках (от нас в нижних проводниках). ЭДС может возникнуть, только если ротор отстанет от магнитного потока. Говорят, что магнитный поток будет скользить по ротору. Скольжение будет таким, чтобы появился ток, уравновешивающий тормозной механический момент. С ростом тормозного момента должен вырасти и ток, а следовательно, и скольжение. Это и наблюдается в асинхронном двигателе. Появившийся в роторе ток, казалось бы, должен изменить магнитный поток. Но поток измениться не может, иначе будет нарушен закон равновесия ЭДС. Поэтому в статоре должен появиться ток, который полностью скомпенсирует ток ротора. Нарисуем его в виде тока статора, но с противоположным направлением. В верхней части этот ток будет направлен от нас, а внизу — на нас. Как видим, этот ток совпадает по фазе с напряжением. Поэтому он будет активным.

Итак, асинхронный двигатель можно представить двумя параллельными ветвями. По одной ветви идет реактивный ток, создающий вращающийся магнитный поток, а по другой — активный ток, создающий вращающий момент. Этот активный ток будет пропорционален моменту на валу машины, тогда как реактивный ток от момента на валу не зависит (при малом скольжении до 3% в рабочей зоне асинхронного двигателя).

Рис. П.4.2. Схема замещения асинхронного двигателя

В соотношениях, приведенных на рис. П.4.2, даны равенства, из которых можно определить относительные значения реактивных и активных токов, зная их номинальные значения, а также реальный момент и реальную частоту напряжения в сети. Из этих соотношений на практике определяют параметры эксплуатационных режимов асинхронных двигателей при отклонении параметров частоты и напряжения от номинальных.

Приложение 5. Электрические цепи и трехфазные судовые системы

АКТИВНО-ИНДУКТИВНЫЕ ЦЕПИ

Индуктивностью называют катушку, как правило, со стальным шихтованным сердечником, в котором имеется воздушный зазор. Именно воздушный зазор создает условия для того, чтобы по катушке шел практически значимый переменный ток. Будем считать, что магнитное сопротивление индуктивности сосредоточено в воздушном зазоре, в то время как электротехническая сталь не насыщена, и потому ее магнитное сопротивление практически равно нулю.

Чем больше ток в обмотке I, чем больше витков в обмотке W, тем больше магнитный поток. Число витков, умноженное на ток, называют магнитодвижущей силой H, которая измеряется в ампер-витках H=WI. Чем больше зазор, тем меньше магнитный поток при условии, что индуктивность подключена к источнику переменного тока. Зазор определяет сопротивление магнитному потоку.

Обычно рассматривают не сопротивление воздушного зазора для магнитного потока, а его проводимость l. Это приводит к форме записи типа Ф=H·l=WI·l. Часто употребляется понятие «потокосцепление». Это произведение магнитного потока на число витков Y=W· Ф=W WI·l=W²l·I.

Коэффициент W²l носит название индуктивности обмотки L= W²l.

Пусть к источнику синусоидального напряжения U^·присоединена катушка со стальным сердечником и зазором, имеющим проводимость l.
Напишем уравнение для напряжения U^·=-E^·=-(-W·(dФ^·/dt))= W·(dФ^·/dt)=W·(d(WI^··l)/dt)= W²l·dI^·/dt=w W²lI^·e^j^p^/2=X I^·e^j^p^/2

Коэффициент между током и напряжением условно называют сопротивлением по аналогии с законом Ома для активной среды. Это удобно для расчетов цепей с активными, емкостными и индуктивными элементами. Однако не надо забывать, что индуктивность — это элемент, в котором вырабатывается ЭДС пропорционально изменению магнитного потока.

На практике часто решаются такие задачи: что надо сделать, чтобы увеличить реактивную составляющую тока? Для этого надо уменьшить индуктивное сопротивление, то есть уменьшить проводимость магнитной цепи. Проводимость магнитной цепи можно уменьшить, если увеличить зазор в магнитной системе. При этом сопротивление магнитной цепи увеличится, а, соответственно, ее проводимость уменьшится. Например, при швартовных испытаниях генераторов требуется нагрузка с Cosj=0,8. Нагрузочное устройство ремонтно-эксплуатационной базы (РЭБ) представляет собой набор активных сопротивлений и реактивных сопротивлений в виде катушек с сердечниками, имеющими регулируемый воздушный зазор. Рассчитываем реактивный ток. Он равен InxSinj. Или в относительных единицах Sinj=Ö(1-0.8²)= Ö0.36=0.6. Отключаем активные сопротивления. Подаем номинальное напряжение на нагрузочное устройство и регулируем зазор так, чтобы по нему шел ток 0.6 от номинала испытуемого генератора. Допустим, что при таком включении идет ток 0.3 номинала. Значит, зазор надо увеличить в два раза. Такие несложные вопросы электромеханик решает при взаимодействии с береговыми электротехническими службами, которые часто не имеют квалифицированных сотрудников.

На практике судовую электроэнергетическую систему удобно представлять в форме двух параллельно включенных ветвей. Одна ветвь — индуктивная. В ней течет реактивный индуктивный ток, который создает магнитные потоки в асинхронных электродвигателях. Эта составляющая в каждом электродвигателе может быть определена, исходя из паспортных значений электродвигателя.

Составляющие от всех работающих асинхронных двигателей складываются и образуют реактивную нагрузку генераторов. Вторая ветвь — активная. В ней ток активный. Он пропорционален механическому моменту на валу асинхронного двигателя, или включенному освещению, или нагрузке различного рода судовых нагревателей (например камбузная плита).

В этих формулах

I_R — реактивный ток двигателя,

I_A — активный ток двигателя,

I_Nad — номинальный ток асинхронного двигателя, указанный в его паспорте,

Cosφ_N — номинальный косинус фи, указанный в его паспорте,

Sinφ_N - номинальный синус фи, вычисляемый, исходя из знания номинального косинуса фи,

λ — относительное значение механического момента на валу электродвигателя.

В целом можно представить векторную диаграмму для судовой электроэнергетики следующим образом, рис. П.5.1.

Рис. П.5.1. Векторная диаграмма судовой электроэнергетики

Суммарный ток I называют полным током. Суммирование под углом 90˚ называют суммированием в квадратуре. Таким образом, полный ток есть результат суммирования в квадратуре активного и реактивного токов в судовой электрической сети. Полный ток — это тот ток, который показывает, например, амперметр генератора. Выделить активную и реактивную составляющие можно на основе следующих положений.

Мощность цепи равна напряжению, умноженному на активный ток.

P = U•I_А = U•I•Cosφ

Мощность показывает прибор, который носит название «ваттметр».

Отсюда I_А= P/U. Реактивный ток вычисляется, исходя из треугольника токов. I_R=√(I² — I_A²).

ТРЕХФАЗНЫЕ СИСТЕМЫ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

Рис. П.5.2. Представление сети судовой электроэнергетической системы

Мощность трехфазной машины (генератора или двигателя) равна сумме мощности трех фаз.

Обычно фазное напряжение не измеряется судовыми приборами на главном распределительном щите. Щитовой вольтметр показывает линейное напряжение . . Подставим это выражение в выражение для мощности трехфазной системы, полученное выше. После сокращения на корень из трех получим:

Для системы с обмотками, включенными в звезду (это обычное соединение для генераторов), ток фазы равен току линии . Поэтому можно написать:

Наконец, для сокращения записей букву «Л» не пишут, а подразумевают по умолчанию. Отсюда окончательно имеем:

Заметим, что эта формула справедлива и для машин, у которых обмотка статора включена в треугольник, рис. П.5.3

Рис. П.5.3. Векторная диаграмма токов для обмоток,
включенных треугольником

Из векторной диаграммы (рис. П.5.3) следует, что при соединении обмоток треугольником линейный ток в корень из трех раз больше фазного тока, а фазное напряжение равно линейному напряжению. С учетом этого можно написать:

Поэтому формула для мощности остается неизменной.

Активную составляющую полного тока определяют по ваттметру:

Зная активную составляющую, можно определить Cosφ судовой сети:

Можно определить и реактивную составляющую: