занный на рисунке 80. Т. к. при 7o=0,ii=I2, то сумма омических падений напряжений первичной и вторичной обмоток бу-детсоставлятьДЙ,-|-/2Л2/=Т|№1+-й/)=I,2R и будет равна вектиру АВ. Точно так же сумма индуктивных падений напряжения выразится у-нием Дае! -j-EoXs=1 (ае! -f х2)=Ilx и будет равна вектору ВС. Вектор АС даст нам полное падение напряжения в т-ре Ij Ег. Если теперь из точки О описать дугу радиусом О А, то отрезок CD даст <нам величину па- дения напряжения в т-ре F, — F,.
Короткое замыкание т-ра. Под нормальным коротким замыканием т-ра понимается режим, при котором вторичная обмотка замкнута коротко, а к первичной обмотке подведено такое пониженное напряжение У к, которое ,
г Рисунок 80.
устанавливает вовторичной обмотке ток нормальной величины {Цк=/2норм). Т. к. при этом V.j — 0, то эдс Я3 должна покрывать только омическое и индуктивное падение напряжения. Для создания такой эдс потребуется весьма малый поток, а, следовательно, и незначительный ток холостого хода. Поэтому при коротком замыкании 1г еще менее отличается от Я-, чем при нормальной работе, и практически оба тока будут равны. Т. обр., пренебрегая током 10, можно считать, что при коротком замыкании напряжение F,K уравновешивает лишь падение напряжения в обеих обмотках. На рисунке 89 полное падение напряжения в т-ре изображается отрезком АС. Поэтому, если диаграмма построена для нормального тока, то при нормальном коротком замыкании вектор АС представит собой первичное напряжения F,K. Т. обр. треугольник АВС представляет собой диаграмму короткого замыкания. На этом основании Er=г, -f г2 обозиачают через гк и называют омиче-чким сопротивлением короткого замыкания. Аналогично, индуктивным сопротивлением короткого замыкания называют величину хк — Ух=ху + ж., и кажущимся сопротивлением короткого замыкания гк=% + г2. Весь треугольник АВС называется треугольником короткого замыкания. Из рисунок 80 следует, что
АС — Vjk — Ijk Sk — 1гк |/“ г-!лг -J- аз3к
У современных т-ров напряжение короткого замыкания ViK составляет обычно от 3 до 8°/0 нормального первичного напряжения F,.
Трехфазные т-ры. Для трансформирования трехфазного тока можно взять три однофазных т-ра и соединить их обмотки между собой в звезду или треугольник. Такая система иногда применяется для мощных устройств, с целью повысить эксплуат.е удобства, в частности уменьшить резерв. Однако, нормальным типом трехфазного трансформатора следует в настоящее время считать показанную на рисунке 81 конструкцию, в которой
имеется три стержня, связанных верхним и нижним ярмами в один общий магнитопровод. На каждом стержне расположены обе обмотки (высокого напряжения о и низкого напряжения и) одной фазы. Отметим, кстати, что такая же система расположения на каждом стержне обеих обмоток всегда применяется и в однофазных т-рах с целью уменьшения рассеяния. Первичные и вторичные обмотки отдельных фаз и здесь соединяются в звезду или треугольник. Т. к. три напряжения трехфазной системы в сумме равны нулю, то и сумма возбужденных имитрех магнитных потоков также равна нулю, чем и объясняется возможность выполнения сердечника по рисунок 81 Т. к. пути прохождения потока для всех фаз неодинаковы (расстояние от а до Ь для крайних фаз больше, чем для средней), то и намагничивающие токи всех фаз неодинаковы, что, впрочем, благодаря ничтожной величине It», не имеет никакого практического значения. Все найденные нами выше соотношения для однофазного т-ра в полной мере применимы для каждой фазы трехфазного т-ра и поэтому, например, диаграмма трехфазного т-ра будет представлять собой совокупность трех одинаковых однофазных диаграмм. Однако, если нагрузки всех трех фаз будут не одинаковы, то различными будут и диаграммы для каждой фазы. Первичная и вторичная обмотки трехфазного т-ра могут быть соединены след, образом: обе в звезду, обе в треугольник, первичная в звезду— вторичная в треугольник, или первичная в треугольник—вторичная в звезду. Соединение треугольником имеет то преимущество, что при порче обмотки одной фазы питание всех трех фаз вторичной цепи не нарушается. С другой стороны, при соединении ‘ звездой каждая обмотка находится под напряжением в У 3 раз меньше, чем линейное, благодаря чему облегчается задача конструктора в отношении изоляции, что особенно важно при очень высоких напряжениях. При соединении звездой часто выводят еще и нулевой провод для того, чтобы иметь возможность использовать фазовое напряжение для ламп накаливания, а между-фазовое—для питания двигателей. При этом, однако, легко может быть нарушена симметрия нагрузок отдельных фаз, что вызовет искажение напряжений, то есть повышение напряжения одних фаз за счет понижения его в других фазах. С точки зрения неравномерных нагрузок более выгодными являются соединения треугольник-треугольник, звезда—треугольник и звезда—звезда без нулевого провода. Для того, чтобы питать от одного т-ра две сети с различными напряжениями, в настоящее время применяют трехобмоточные т-ры, имеющие однупервичную и две вторичных обмотки, сидящие на одном стержне. Каждая из трех обмоток может быть соединена или в треугольник, или в звезду. При равномерной нагрузке всех трех фаз, мдс первичной обмотки равна геометрической сумме обеих вторичных мдс (если пренебречь током холостого хода).
Параллельная работа т рое. В тех случаях, когда два или несколько т-ров должны работать параллельно, требуется соблюдение определенных условий, а именно: напряжения вторичных обмоток должны быть равны при холостом ходе и при нагрузке. Последнее условие требует одинаковости, падений напряжений, то есть, другими словами, одинаковости треугольников короткого замыкания. Оба эти условия диктуются требованием, по которому нагрузки параллельно работающих т-ров должны распределяться пропорционально их мощностям. Кроме того, сдвиг фаз между вторичными напряжениями у всех т-ров должен равняться нулю, т.к. иначе даже при равенстве напряжений появится ;некоторая разность потенциалов, вызывающая уравнительные токи между т-рами. В трехфазных т-рах вторичные напряжения можно сделать совпадающими по фазе, когда включения первичных и вторичных обмоток одинаковы, например: первичные везде звездой или треугольником и. вторичные всегда треугольником или звездой. Никоим образом нельзя включать первичные обмотки одинаково, то есть все звездой или все треугольником, а вторичные обмотки смешанно, то есть одни звездой, а другие —треугольником. Наоборот, можно соединить для параллельной работы два т-ра, у одного из которых включение обмоток будет звезда — звезда, а у другого треугольник — треугольник. Для удобства регулирования напряжения в сетях и для достижения правильного распределения нагрузок в параллельно работающих т-рах, на стороне высокого напряжения устраваются дополнительные выводы, которые позволяют включать и выключать определенное число витков и тем регулировать напряжение (обычно в пределах ± 5 °/0).
Автотрансформаторы. В обычных т-рах обмотки высокого и низкого напряжения устраиваются совершенно отдельными и изолированными друг от друга. Можно, однако, обойтись всего одной обмоткой, как показано на рисунке 82. Такая конструкция называется
Рисунок 82.
автотрансформатором. Если напряжение 7] подведено к точкам А и В, то есть к концам обмотки, то между точками А и О будет действовать напряжение У2, которое так относится к 7, как ЧИСЛО ВИТКОВ W.J относится к числу витков «! Если ток „первичной“ обмотки (АВ) составляет !Л ампер и ток вторичной нагрузки составляет 12 ампер, то в части АС протекает разность токов I<2 — I, так как токи 1Х и Л„ как и у всякого т-ра, сдвинуты по-фазе почти на угол 180°. Вследствие этого сумма потерь в автотрансформаторе меньше, чем в обычном т-ре-с двумя отдельными обмотками, по которым проходят токи 1х и 12. Кроме того, у обычного т-ра вся энергия трансформируется электромагнитным путем, то есть через посредство общего для обеих обмоток магнитного потока Ф. У автотрансформатора же часть энергии первичной цепи непосредственно переходит во вторичную, и только другая часть передается электромагнитно. Вследствие этого размеры и вес автотрансформатора меньше, а кпд больше, чем у обычного т-ра той же мощности. Полная вторичная мощность автотрансформатора
М/ 1 I
+ W“. Мощность W.J=W3 —— передается трансформаторным путем, а.
мощность W“« — W.p —непосредственно из первичной сети. Следовательно., при одном и том же весе автотраисформатор может дать мощность в — —
большую, чем т-р с двумя обмотками. Очевидно, это преимущество тем заметнее, чем меньше коэффициент трансформации и. Поэтому главное применение автотрансформаторы находят при небольших коэффициентах трансформации Добычно до и — 3 и меньше). ПоЕсазанную на рисунке 82 схему можно применить и для повышения напряжения, если питать автотрансформатор в точках А я С я брать от него энергию в точках А и В. Само «обой разумеется, что автотрансформаторы могут применяться и для трех-фазного тока.
Конструкции т-ров. Для того, чтобы иметь возможность изготовить обмотку т-ра заранее на шаблоне, необходимо сердечник т-ра сделать разъемным. При этом, однако, стыки должны быть
достаточно плотные, чтобы не увеличивать магнитное сопротивление и тем самглм не получать слишком большой намагничивающий ток. Стыки между -стержнями и ярмом устраивают либо по типу левого чертежа рисунок 83 (тупой
Рисунок 84.
стык), когда листы стержня плотно прилегают к ярму и стягиваются в таком полозкении боковыми болтами, либо по типу правого чертежа того же рисунок 83 (стык в переплет), когда отдельные листы стержня входят между листами ярма. Формы сечения стержней показаны на рисунке 84. В небольшихт-рах можно ограничиться квадратной формой сечения, при больших же мощностях берут ступенчатую форму, чтобы лучше использовать пространство внутри обмотки. Обмотки т-ров устраивают либо по типу цилиндрических, либо но типу дисковых. Цилиндрическая, обмотка показана на рисунке 85. Здесь обмотки высокого и низкого напряжения расположены концентрически одна внутри другой, причем близке к зкелезу помещают обмотку
Рисунок 85.
Рисунок 88.
низкого напряжения, т. к. ее легче изолировать от стержня. Для уменьшения рассеяния можно обмотку низкого напряжения разделить на два цилиндра, между которыми размещается обмотка высокого напряжения, как показано на рисунке 86. В случае дисковой обмотки имеется ряд плоских катушек, принадлежащих но очереди высокому и низкому напряжению (рисунок 87). Для лучшей изоляции обмотку конструируют так, чтобы крайние катушки принадлежали к низкому напрязкению, причем для уменьшения рассеяния крайние катушки устраивают с половинным числом витков.
На рисунке 88 показан полуобмотанный сердечник трехфазного т-ра на 500 ква, 6.000/400 в Здесь на левом стержне имеются уже обе обмотки, на среднем—только обмотка низкого напряжения, а правый стержень еще не обмотан. Тот же т-р в готовом виде показан на рисунке 89. Этот т-р помещается затем в железный бак (на
43/
Электрические машины
438
черт, слева), заполненный маслом и имеющий для лучшего охлаждения ребристые стенки. При еще больших
Рисунок 88-
мощностях и такого способа охлаждения уже недостаточно, и приходится в бак помещать систему труб с проточной водой. Подобная конструкция
Рисунок 89.
трехфазного т-ра мощностью 6.000 ква показана на рисунке 90, где в верхней части ясно видна система ребристых (для лучшей теплопередачи) охлаждающих труб.
Асинхронные двигатели (а. д.). Статор а. д. имеет обычную обмотку переменного тока (смотрите выше). В громадном большинстве случаев а. д.устраивается трехфазным, и тогда его обмотка создает при питании трехфазным током вращающееся магнитное поле. Обмотка ретора выполняется или в виде беличьего колеса, или в виде двухслойной обмотки трехфазного тока. Вращающееся поле статора вызывает в роторной обмотке токи, которые, взаимодействуя с магнитным потоком, и создают вращающий момент двигателя. Направление вращения может быть определено по правилу левой руки. Очевидно, что число оборотов ротора никогда не может при этом сделаться равным числу оборотов поля, т. к. тогда не было бы пересечения силовыми линиями проводников роторной обмотки и вращающий момент
Рисунок 90.
был бы равен нулю. Такое синхронное вращение могло бы иметь место лишь в том случае, когда ротор при своем вращении не должен был бы преодолевать никаких внешних сопротивлений (трения, сопротивления воздуха) и если бы не существовало потерь на прохождение тока по проводникам. В действительности, даже при холостом ходе, когда полезная нагрузка двигателя равна нулю, эти потери существуют и поэтому скорость ротора даже при холостом ходе будет (хотя и незначительно) меньше скорости вращения поля. По тем же причинам скорость ротора не может быть и выше синхронной (то есть скорости поля), если только ротор не вращается каким-либо посторонним двигателем, т.к. в этом случае пересечение силовых линий происходило бы в обратном направлении, что, по правилу левой руки, создавало бы не вращающий, а тормозящий момент. Скорость вращения ротора определяется нагрузкой двигателя. Чем больше последняя, тем больший вращающий момент должен быть приложен к ротору, чтобы эту нагрузку преодолеть. В свою очередь величина вращающего момента пропорциональна произведению ФI», где Ф-магнитный поток, а /2—ток ротора. Т. к. при постоянном напряжении сети магнитный поток остается также почти постоянным, то увеличение момента может происходить лишь за счет увеличения роторного тока, величина которого зависит от скорости пересечения проводниками силовых линий поля. Для того, чтобы эта скорость увеличивалась, необходимо, чтобы ротор вращался медленнее. Регулирование скорости вращения и тока в роторе происходит автоматически. Если, например, двигатель разгрузить, то величина вращающего момента станет слишком большой, и ротор начнет ускорять свой ход. При этом, однако, ток в его обмотке начнет уменьшаться, и увеличение скорости будет происходить лишь до тех пор, пока не установится вращающий момент, как раз необходимый для новой, нагрузки. До этих пор мы предполагали, что вращающееся поле создается только статорной обмоткой. Такое положение отвечает действительности лишь в том случае, когда обмотка ротора разомкнута и двигатель неподвижен. При работе двигателя в обмотке его ротора протекают токи, которые сами создают (при многофазной обмотке) поле, вращающееся в ту же сторону, что и поле статора. По закону Ленца, эти поля направлены в противоложные стороны и, следовательно, ослабляют друг друга. Геометрическая разность этих полей и будет результирующим полем а. д. Это поле остается почти постоянным по величине, т. к. с увеличением нагрузки, то есть тока в роторе, одновременно должна возрасти и мощность, поступающая из сети, т. - е. ток статора. Другими словами, мы имеем здесь то же явление, что и в обычном трансформаторе.
Скольокение. Несмотря на то, что поля статора и ротора создаются обмотками неподвижной и вращающейся, их можно складывать геометрически, т. к. в пространстве эти поля вращаются с одной и той же скоростью, что становится понятным из следующих рассуждений. Если скорость вращения статорного поля составляет и, оборотов в минуту и если число оборотов ротора равно и, то разность ni— Щ, отнесенная к числу оборотов статорного поля, называется скольже-
П — щнием.Т. обр., скольжение s=—
Очень часто скольжение выражают в процентах от синхронной скорости щ, щ — щ, Т1
и тогда s=— ------- 100%. Число не-
ni
риодов в сети, питающей двигатель, и число оборотов щ связаны известным, рп J
нам уравнением Ti — ~qq Аналогично, частота токов в роторе р (п, — п.,) т
f2 — ~—gQ--Т. к. из выражениядля s следует, что щ — щ=snlt то,-подставляя в формулу для А, получим
А=—gQ—=f1s, то есть частота тока в роторе равна частоте в статоре, умноженной на скольжение. Т. обр., созданное ротором вращающееся поле будет перемещаться относительно самого 60А 60 As
ротора со скоростью %=~ р ~ =
60 s рп, „
= - —gQ~= sn 1=п1 — п2 оборотовв минуту. Т. к., кроме того, сам ротор вращается с числом оборотов, равным щ, то скорость вращения роторного поля относительно неподвижного статора будет % — % —Т Щ=Щ, то есть та же, что и статорного поля. Из уравнения для скольжения следует, что при не-
% — О
подвижном двигателе : : 1-
ni
Если бы двигатель мог вращаться с синхронной скоростью (% =%), то-
„ «л — % „
мы имели оы s=—-= 0.
п1
Вращающий момент. При вращении ротора в его обмотке наводится магнитным потоком эдс, устанавливающая ток. Если скорость ротора близкак синхронной, то есть двигатель идет вхолостую или нагружен очень слабо, то скольжение будет небольшим, и частота тока в роторе тоже будет невелика. Т. к. индуктивное сопротивление обмотки тем больше, чем больше частота проходящего по ней тока, то при слабых нагрузках индуктивное сопротивление будет весьма мало по сравнению е омическим, и ток будет почти в фазе с вызывающей его эдс. При нагрузке двигателя скольжение увеличивается, частота тока, а с ней и индуктивное сопротивление также растут, и ток начинает отставать от эдс. Вследствие этого не все провода ротора, находящиеся под определенным полюсом, обтекаются током одного направления. При этом часть проводов, взаимодействуя с потоком, по правилу левой руки, создает положительный момент, тогда как другая часть, обтекаемая током противоположного направления, создает отрицательный (тормозящий) момент. В результате общий момент уменьшается. Если при неподвижном двигателе (когда скольжение, а следовательно и частота имеют наибольшее значение) омическое сопротивление будет по сравнению с индуктивным очень невелико, то и вращающий момент (называемый при неподвижном двигателе начальным моментом) может оказаться слишком малым. Чтобы его увеличить, нужно увеличить омическое сопротивление ротора, что, однако, вследствие возрастания потерь уменьшит коэффициент полезного действия машины. Если ротор имеет трехфазную обмотку, то ее концы можно вывести к кольцам, и тогда мы получим возможность включать на время пуска в цепь ротора добавочное сопротивление в виде реостата и тем повысить начальный момент двигателя. Изменение величины момента от скольжения (т. е. от скорости) показано на рисунке 91 (кривая 1). При разворачивании двигателя (уменьшение s) момент вследствие уменьшения индуктивного сопротивлен-я увеличивается, пока не достигнет в точке А максимального значения При дальнейшем увеличении скорости число перерезываемых силовых линий, а, след., и сила тока настол! ко уменьшаются, что момент начинает падатьи при синхронизме, когда з=0 (если бы такая скорость была возможна), он делается равным нулю. При увеличении сопротивления ротора максимум момента перемещается в сторону больших скольжений (смотрите кривые 3 В2, 5,5 В., на рисунке 91). При еще большем увеличении сопротивления (наир., для машины, соответствующей чертежу 91 при увеличении сопротивления в 8,5 раз) максимум момента перемещается
в точку, соответствующую скольжению s=l, то есть начальный и максимальный моменты совпадают. Отметим, что, увеличивая сопротивление ротора, мы лишь перемещаем максимум момента, не изменяя его абсолютной величины. Мощность,- передаваемая ротору вращающимся полем Ид - о>]М, где <»,— угловая скорость вращения поля. Т. к. угловая скорость вращения ротора меньше, чем о>„ то обозначая ее через ш2г мы найдем, что механическая мощность ротора составляет W2=ш.2М. Разность между этими мощностями теряется в роторе и выделяется в виде тепла. Эта разность составляет
W=Wt-W,=M («,-«,)=»», ~ %=
U)j — w0
=W——Т. к. вообще ы — 2~п, то 0)1
п1 — n
W=W1 ——=Wts. Отсюда елетндует, что электрические потери в роторе пропорциональны скольжению, и поэтому на практике так рассчитывают а. д., чтобы скольжение было наименьшим. Обычно скольжение s составляет при полной нагрузке лишь несколько %%.
Диаграмма а. д. Выше мы указывали, что работа а. д. может бытьвполне уподоблена работе т-ра. Разница заключается лишь в том, что перенос энергии в случае т-ра совершается неподвижным в пространстве, но пульсирующим во времени потоком, а в случае а. д. поток перемещается в пространстве, но остается неизменным во времени. Т. к. никакого принципиального различия в том, как наводится эдс, в этих обоих случаях нет, то и диаграмма а. д. аналогична диаграмме т-ра. Здесь мы также будем оперировать с приведенными к первичной цепи величинами, то есть будем все величины, относящиеся к роторной обмотке, приводить к числу витков обмотки статора. Ток в роторе устанавливается эдс Е.,а, индуктированной в обмотке ротора вращающимся полем и равной Е.23=4,44 kwiVnf-Ф 10 - или, так как f2=sf„ то
Е2в=4,44 kwW2sfi ФЮ—8.
Здесь few—обмоточный коэффициент и w2—число витков одной фазы обмотки. Исли двигатель неподвижен, то fs == f и в роторе индуктируется эдс, равная Л’3=4,44 kw г/л,Ф 10~8. Следовательно, я — $Е. Ток в роторе равен Л =
= yfrvT&STr где -индуктивное сопротивление обмотки ротора при скольжении s. Подставляя вместо ДДз величину sE2 и разделив числитель и знаменатель на s, получим /2=Е,
— / V- ч, где ж—индуктивное
V (е )-)
сопротивление неподвижного ротора (при =1). Если привести все величины к числу витков статора, то приведенный ток /, == / ..,3 . Т. обр.
Щт) +
формально вопрос обстоит так, как если бы в роторе индуктировалась независимо от скорости (скольжения) эдс постоянной величины bУ2 и ток проходил через постоянное индуктивное сопротивление ж и переменноет“
омичеегсое сопротивление -- (изменяющееся обратно - пропорционально скольжению). Тогда диаграмма а. д. примет вид, показанный на рисунке 92.
Вращающийся поток Ф индуктирует в роторе эдс -J3 —/:3 (которая, будучи приведена к числу витков статорной обмотки, очевидно равна эдс Ег индуктированной тем же нотоком
в статоре). Ток ротора отстает от Ез на угол ф2. Е3 расходуется на преодоление индуктивного 1 оУг и омиче-гзского - сопротивлений. Статорныйток Д получается, как и для т-ра, путем геометрического сложения векторов 12 и Подводимое к статору напряжение сети “Д расходуется на преодоление эдс статора Е1 и падений напряжения индуктивного Г хх и омического 1хгх. Вектор V, опережает ток J, на угол <fx. Если повернуть нижнюю часть диаграммы так, чтобы векторы iе! и Е2 совпали, то получится чертеж, показанный на рисунке 93. Здесь, кроме того, вектор KF, изображающий омичегЗ
ское падение напряжения в роторе---
разложен на две составляющих GF=1 —,ч
== Г2ги Кв —12 г.. s. Совершенно аналогичную диаграмму будет иметь не только а. д., но и электрическая схема, показанная на рисунке 94
и состоящая из последовательно соединенных пяти сопротивлений (двух индуктивных £C1 и х, двух постоянных омических г, и г2 и одного пере, 1—
менного омического г ) и ответвления х0, гф через которое проходит
бильник1 разомкнут, то. круговая диаграмма получит вид, показанный на рисунке 96. Здесь отрезок ЛВ, равный Г2 (х, + х2), пропорционален току ротора и в некотором масштабе может
быть ему приравнен. При увеличении нагрузки, то есть увеличениие. отрезок GK=l.jr,
умень
шается, и точка В перемещается по окружности вправо. При =1 (двигатель неподвижен) ОЖ=®, и токток 10 (аналогичный току холостого хода а. д.). Т. обр. с помощью этой схемы (т. н. схемы замещения) могут быть изучены все явления, происходящие в а. д., и законы их изменения.
Для такой схемы, а следовательно и для а. д. (смотрите теоретические основы электротехники) существует круговая диаграмма, то есть при изменении нагрузки (сопротивления г 1 - ) конецвектора тока перемещается по окружности. Можно без значительного ущерба для точности упростить схему рисунок 121. если перенести ветвь 0—0 (т. н. ветвь холостого хода) на зажимы сети. При этом мы пренебрегаем падением напряжения в сопротивлениях хг и гх (то есть в обмотке статора), которое, вообще говоря, весьма невелико. Эта упрощенная схема показана на рисунке 95, и для нее круговая диаграмма строится очень просто. Если сперва считать, что ру
приходит в точку Вк (рисунок 97). Это— максимальное значение тока в роторе, называемое током короткого замыкания. На диаграмме рисунок 95 этот режим
характеризуется замыканием накоротко переменного сопротивления
, 1 — 8
г.2 —При холостом ходе (×0) отрезок GK становится бесконечно большим по сравнению с другими падениями напряжения, и ток в роторестановится равным нулю (приходит в точку А, рисунок 97). Этот режим получается при размыкании рубильника II на рисунке 95. Ток статора определяетсяуравнением =Г2 -f- 10 и при холостом ходе равен 70 (рубильник II разомкнут, рубильник I замкнут). Если пристроить на диаграмме вектор 10 (по величине и по фазе) так, чтобы его конец попал в точку А (рисунок 98), то для какого-либо значения роторного
тока АВ статорный ток будет изображаться вектором ОВ. Самое построение диаграммы производится с помощью данных, полученных из опытов холостого хода и короткого замыкания. При опыте холостого хода двигатель заставляют вращаться ненагруженным и определяют ток холостого хода 10 и его фазу, то есть cos е. При опыте короткого замыкания опреде-деляют соответственно 1к и cos <р«. Затемот произвольно выбранной точки О (рисунок 99) откладывают по величине и
по фазе токи 1п и iK, соединяют их концы линией СЕ и из середины этой линии (точка М) проводят перпендикуляр MN до пересечения с линией CD, параллельной ОВ и проходящей через конец С вектора 10. Далее, на линии EF (перпендикулярной к CD) отыскивают точку G, так, чтобы EG г.
GF
= и проводят линию CG. Построив круговую диаграмму, можно для любого тока двигателя определитьвсе величины, характеризующие его работу при этом токе. Напр., для произвольного тока Оа:
полезная мощность определяется отрезком. вращающий моментскольжение ., отношениемкоэффициент полезного действия „ „
ае ab ас Ьс ас ab ае
cos <р
О/
Оа
Если определить эти величины для нескольких значений Тл и построить кривые их изменения в зависимости от полезной мощности двигателя (т. н. рабочие кривые), то получится весьма наглядная картина работы двигателя при различных нагрузках. На рисунке 100
показаны, например, рабочие кривые а. д. на 115 квт, 3.000 вольт, 980 об./мин.
Пуск в ход и регулирование скорости. Если неподвижный еще двигатель присоединить к полному напряжению сети, то в его обмотку бросится большой ток (в 8—10 раз больший нормального), могущий сжечь обмотку и испортить машину. Кроме того, если мощность двигателя велика, толчек тока вызовет колебания напряжения сети. Поэтому пускать непосредственно от полного напряжения сети можно лишь небольшие машины мощностью до 5 л. с. Обмотка роторов этих двигателей выполняется короткозамкнутой в виде беличьего колеса и рассчитывается так, чтобы пусковой ток не превосходил нормальный больше, чем в 4—5 раз. Для пуска двигателей большой мощности приходится применять особые пусковые приспособления, действие которых основано либо на понижении напря-
Рисунок 101.
женил сети, либо на временном увеличении сопротивления ротора. В первом случае пользуются или сопротивлениями, или т-ром. Пуск с помощью сопротивления показан на верхнем чертеже рисунок 101. В начале пуска пол-зушки устанавливаются в крайнее правое положение, и тогда напряжение, уменьшается на величину 1R, где I— ток, поступающий из сети.a R — сопротивление реостата. По мере разворачивания сопротивление постепенно уменьшают и по достижении полного числа оборотов ползушку ставят в крайнее левое положение, то есть выключают все сопротивление. Неэкономичность этого способа (большой расход мощности в сопротивлении) привела к применению регулирующегося т-ра (или автотрансформатора), т. к. собственное потребление т-ра весьма не велико (верхний о— чертеж рисунок 101). о—
Если наружу выведены все 6 концов статор- Рио-102-
ной обмотки и нормально работа двигателя происходит при соединении треугольником, то молено добиться уменьшения пускового тока приблизительно в 3 раза путем пуска при соединении в звезду и последующего переключения на треугольник. Схема такого переключателя показана на рисунке 102. Описанные способы понижения напряжения применяются лишь для тех двигателей, у которых роторная обмотка соединена накоротко внутри машины, то есть гл. обр. для двигателей с ротором в виде беличьего колеса. Для этих Hie двигателей предложен ряд конструкций (двигатели Бушеро, двигатели с глубокими впадинами и др.), в которых пуск в ход совершается без понижения напряжения, путем особого устройства обмоток. Если роторная обмотка имеет выведенные наружу концы, присоединене
I
ные к кольцам, то пуск двигателей осуществляется с помощью включения сопротивлений в цепь ротора (рисунок 103). Здесь в момент включения ползущки устанавливаются в крайнее левое положение и по мере разворачивания постепенно передвигаются вправо, пока, по достижении полной скорости, все сопротивление окажется выключенным, и обмотка ротора замкнутой накоротко. Этот способ имеет еще то преимущество, что при нем повышается начальный момент (ем. выше), тогда как при
Рисунок 103
понижении напряжения он резко уменьшается. А. д. принадлежит к числу машин, число оборотов которых мало зависит от нагрузки. Если все же регулирование скорости необходимо, то его можно осуществить введением сопротивлений в цепь ротора, т. к. при этом потери, а след, и скольжение должны увеличиться. Этот способ, однако, неэкономичен из-за больших потерь энергии в реостате. Можно путем усложнения схемы (введением, лишних машин) использовать > эту „энергию скольжения“, как это делается в каскадных соединениях (смотрите ниже). Наконец, регулировку скорости можно осуществить, применяя особо сконструированную обмотку статора, могущую переключаться на различное число полюсов. Этот способ хотя и экономичен, но не является во многих случаях целесообразным, т. к. не дает плавного изменения скорости.
Однофазный а. д. При питании однофазной обмотки однофазным током возникает пульсирующее поле, взаимодействие которого с проводниками неподвижного ротора не дает определенно направленного вращающего момента Иначе обстоит дело, если ротор однофазного а. д. предварительно развернуть каким-либо образом до скорости, близкой к синхронной. Как указывалось выше, всякое пульсирующее поле можно разложить на два вращающихся в разные стороны поля половинной величины. Поэтому если ротор приведен во вращение, то на него будет действовать постоянный вращающий момент от поля, вращающегося в ту же сторону. Обратное поле будет стремиться затормозить ротор, но т. к. пересечение проводников с этим обратным полем происходит весьма быстро (скольжение по отношению к этому полю при нормальной скорости составляет около 200 °/0), то индуктивное сопротивление здесь сильно возрастает и. индуктированные этим полем токи будут сдвинуты по фазе от эдс почти на 90°, что вызовет сильное уменьшение тормозящего момента (при полной скорости он почти равен нулю). Т. к. мдс статора должна создавать оба поля, то потребление намагничивающего (реактивного) тока здесь значительно больше, чем у трехфазного двигателя той же мощности, что приводит к более низкому коэффициенту мощности (cos <р). Так как однофазный двигатель не развивает начального момента, то для пуска его в ход приходится применять особые приспособления, одно из которых показано на рисунке 104. Здесь на статоре, кроме главной обмотки (Дуложена еще вторая — пусковая (II). При пуске последовательно с главной обмоткой включается индуктивное сопротивление (ае), а последовательно с пусковой—омическое сопротивление (г). При установке переключателя в положение 1 обе обмотки включены параллельно, и токи в них благодаря наличию сопротивлений аз и г сдвигаются по фазе, а т. к., кроме того, самые обмотки сдвинуты в пространстве, то образуется вращающееся поле, приводящее ротор во вращение. При достижении нормальной скорости переключатель ставится в положение 2, причем сопротивление х и пусковая обмотка(вместе с сопротивлением г) оказываются отключенными от сети, и машина начинает работать как нормальный однофазный двигатель.
Асинхронный генератор. Если присоединенный к сети а. д. заставить с помощью какого-либо постороннего
Рисунок 104.
двигателя вращаться со скоростью выше синхронной, то фаза эдс, а след, и тока, изменит свое направление на обратное, и машина начнет отдавать энергию в сеть, то есть превратится в генератор. Несмотря на простоту устройства и эксплуатации,асинхронные генераторы получили пока лишь ограниченное применение, т. к. для возможности работы они должны возбуждаться от сети, к которой они присоединены, то есть сеть должна питаться еще другими синхронными генераторами. Другими словами, асинхронный генератор не обладает свойством самовозбуждения.
Конструкции а. д. На рисунке 105 показан разрез, а на рисунке 106—детали
Рисунок 105.
а. д. с короткозамкнутым ротором мощностью 0,9 квт, 2.925 об./мин. На рисунке 106 внизу слева лежит ротор с обмоткой в виде беличьего колеса и
Рисунок 1С6.
двумя вентиляторами для охлаждения машины. Середину чертежа занимает статор и два боковых (подшипниковых) щита. По бокам лежат детали шарикоподшипников. На рисунке 107 показан разрез, а на рисунке 108—внешний вид двигателя с кольцами мощностью 4,8 квт,
1.440 об./мин. Справа видны три кольца, к которым присоединена обмотка
ротора и которые служат для присоединения реостата. Оба двигателя рас-
РИ- 1 8.
считаны на напряжение 380 вольт. На рисунке 109 показан мощный двигатель для прокатного стана. Его данные: мощность 1.250 квт, мЭ= 600 об /мин.
Рисунок 109.
Синхронные машины (с. м.). Реакция якоря. До тех пор, пока с. м. работает без нагрузки, по обмотке ее якоря (статора) ток либо не проходит совсем (в случае генератора), либо (в случае двигатели) он имеет весьма малую величину по сравнению с током нормальной нагрузки, и его влиянием можно пренебрегать. Такое состояние называется холостым ходом машины.
Т. о., при холостом ходе с. м. магнитный поток, индуктирующий эде статора, создается исключительно мдс ротора. При нагрузке, благодаря прохождению тока через проводники статорной обмотки, последняя в свою очередь создает магнитное поле, которое, в случае трех фазной машины, вращается в пространстве с синхронной скоростью, то есть с той же скоростью, с которой вращается и ротор. В случае однофазной машины пульсирующее поле статора можно разложить на два вращающихся в разные стороны, причем можно учитывать только влияние прямого поля, т. к инверсное почти целиком уничтожается. Поля ротора и статора, складываясь геометрически, дают некоторое результирующее поле при нагрузке, которая и индуктирует действительную эдс машины. При учете действия реакции якоря необходимо рассматривать отдельно машины с выступающими полюсами и машины с неясно выраженными полюсами, т. к. магнитные сопротивления воздушного промежутка будут в этих случаях различны. Рассмотрим сперва машину е выступающими полюсами. Допустим сперва, что эдс. индуктируемая в обмотке статора роторным (основным) полем, и ток статора совпадают по фазе (внутренний сдвиг фаз равен нулю). Тогда максимум тока в какой-либо катушке статора будет иметь место в тот момент, когда поток, сцепленный с этой катушкой, равен нулю (т. к. эдс отстает от потока на 90°), то есть амплитуда
синусоиды мдс статора будет расположена над серединой катушки или междуполюсного пространства 1рис. 110). Из чертежа легко видеть, что при этом поток статора под однойполовиной полюса будет складываться с основным потоком машины, а под другой половиной полюса—вычитаться. Здесь, след., получается то же перекашивание поля, которое имело место и при поперечной реакции якоря в машинах постоянного тока. Т. к. мде статора, действующие на обе половины полюса, равны, то вследствие насыщения железа увеличение потоков в одной половине будет меньше, чем уменьшение в другой половине, и результирующий поток будет несколько меньше, чем поток при холостом ходе. Рассмотрим теперь случай, когда ток в статоре отстает от эде основного поля на 90°. Легко понять, что здесь волна мдс будет по сравнению с предыдущим чертежем сдвинута на 90° в сторону отставания и, как видно из рисунка 111, поле статора будет размагничивать машину, то есть уменьшать поток
холостого хода (силовые линии поля якоря направлены противоположно линиям основного поля). Здесь получается явление, аналогичное продольной реакции якоря машин постоянного тока. При опережении током статора эдс от основного поля на 90° волна мдс статора по сравнению с рисунок 110 сдвигается на 90° в сторону опережения (рисунок 112), и поле статора будет уси
ливать основное поле машины. Найденные соотношения справедливы для генераторов. Для двигателей они будут обратными, то есть при отставании тока будет иметь место усиление основного поля, а при опережении—ослабление. В этом легко убедиться, если на рисунке 111 и 112 изменить направления токов в статоре на обратные. В промежуточных случаях, то есть при сдвигах между током и эдс>0, но <90°, Еолна мдс статора будет занимать промежуточное между рисунок 110 и 111 положение. Однако, ее можно всегда разложить на две составляющих, у одной из которых амплитуда расположена под серединой между полюсного пространства (поперечная мдс), а у другой—под серединой полюса (продольная мдс). Так как у машин с выступающими полюсами магнитные сопротивления для поперечного и продольного полей различны (первое обусловлено почти исключительно междупо-люеным промежутком и не зависит от насыщения, а второе, заключающееся в железе, сильно зависит от насыщения), го учет действия реакции статора в этих машинах производится отдельно, для поперечного и продольного полей (смотрите ниже). В машинах с неясно выраженными полюсами распределение мдс остается, разумеется, тем же. но, т. к. благодаря одинаковости воздушного промежутка магнитное сопротивление для обоих потоков одинаково, то при учете действия реакции якоря, уже нет смысла делить потоки на. продольные и поперечные и можно-оперировать с суммарным полем статора.
Диаграммы. Если бы в работающей с. м. отсутствовала реакция якоря и не имели бы место омическое и индук-товное (от рассеяния) падения напряжения, то напряжение на зажимах было бы равно эдс машины. На практике такой случай имеет место лишь при. холостом ходе. При нагрузке появляются оба падения напряжения, и, кроме того, результирующий поток будет здесь отличаться на величину потока реакции якоря от поля холостого хода. Влияние реакции якоря можно учесть еще и иначе, а именно предположив, что поле реакции якоря как бы самостоятельно наводит в статорной обмотке эдс самоиндукции, которая вычитается геометрически из эдс.
холостого хода, в результате чего остается действительная эдс машины при нагрузке. Весьма наглядной является при этом графическая интерпретация всех описанных явлений с помощью диаграмм.
а) Диаграмма машины с выступающими полюсами. На рисунке ИВ по вертикали отложен вектор статорного тока
В фазе с /2 находятся ампер-витки реакции статора AW2, которые мы раскладываем на поперечные ампервитки AWq=AWS cos i и продольные A W2 sin 1>. Здесь -i—угол между током /2 и эдс Ег, создаваемой потоком холостого хода Ф, в свою очередь вызываемым ампер-витками ротора AWV Продольные ампер-витки создают поток, индуктирующий в статоре .продольную эдс“, отстающую от AW2 sin <Ь на 90° и численно равную отрезку ЕД. Вычитая из Е1 отрезок ЕД, мы получаем эдс Ее=OD. Поперечные ампервитки индуктируют „поперечную эдо“, отстающую на 90° от A W2 и равную Eq=DC. Вычитая из Ее эдс Eq > мы получим отрезок ОС. равный действительной эдс машины Е. Напряжение на зажимах ОА отличается от Е на величину индуктивного падения напряжения СВ (под углом 90° к току) и омического падения напряжения АВ (в фазе с током). Угол & между Е и Z, называется углом внутреннего сдвига фаз, а угол ® между АВ и 12 — углом внешнего сдвига фаз. Как видно из чертежа, диаграмма построена для некоторой индуктивной нагрузки. Описанная диаграмма в литературе носит название диаграммы Влонделя—Арнольда—Лякура или сокращенно ВАС (Blondel—Arnold—la Cour).
b) Диаграмма для машины с неясно выраокенными полюсами (диаграмма Потье) показана на рисунке 114. Здесь снова по вертикали отложен ток 1гнв фазе с ним ампервитки реакции якоря AW2. В этом случае уже нет необходимости рассматривать отдельно продольные и поперечные поля реакции якоря. Результирующие ампер - витки A W2, создающие действительный ПО- Рисунок ш.
ток машины Ф, индуктирующий действительную эдс Е== ОС, получаются путем геометрического вычитания AW2 (или сложения -А И7,) из основных ампер-витков AW,. Вычитая изЕ индуктивное (СВ) и омическое (АВ) падения напряжения, получим напряжение на зажимах V. Е, указывает направление эдс, индуктированной при холостом ходе мдс AWj. В виду того, что для построения диаграммы ВАС требуется знание угла 4> и определение его сопряжено с необходимостью добавочных вычислений и построений, часто диаграммой Потье пользуются и для машин с выступающими полюсами. Получающаяся при этом ошибка заметна при коэффициентах мощности, близких к 1, но, уже начиная с cos ср=0,8 и меньше, результаты получаются достаточно близкими к действительности. Для быстрых подсчетов и для выявления основных процессов, происходящих в синхронных машинах, можно еще больше упростить диаграмму, как было сделано Бен-Эшенбургом. В диаграмме BE машина предположена ненасыщенной, и тогда действие реакции якоря можно заменить некоторым фиктивным индуктивным падением напряжения 1х, вектор которого перпендикулярен к вектору тока. Следовательно, диаграмма BE строится в предположении, что в машине имеется лишь индуктивное падение напряжения Ixs +lx=
I (xs + х)=1ха и омическое падение
напряжения 1га. Сопротивление ха у включающее в себя как xs (от расеея- ния), так и х (от реакции якоря), называется полным синхронным реактивным сопротивлением. Кроме того, в большинстве практических случаев омическим падением напряжения 1га, по сравнению с 1ха (можно пренебречь, и тогда диаграмма приобретает весьма простой вид, показанный на рисунке 115.
Короткое замыкание с. м. Если у вращающейся, но невозбужденной с. м. замкнуть внешние зажимы накоротко (с помощью амперметра) и начать постепенно повышать возбуждение, то можно построить характеристику короткого замыкания, то есть зависимость между током машины и ампер-витками или током возбуждения. Короткое замыкание с. м. соответствует нагрузке чисто индуктивным сопротивлением, т. к. омическое сопротивление обмотки статора мало по сравнению с индуктивным. Величина тока короткого заД
мыкания I и . Внешнее напряжение равно при этом нулю. Т. к. при коротком замыкании основной поток очень мал (чтобы установить в сопротивлении ха эдс Д требуется небольшая мдс.1, то при этом режиме железо машины далеко от насыщения, и поэтому характеристика короткого замы -кания представляет собой прямую линию. На рисунке 116 показаны характери
стики холостого хода и короткого замыкания с. м. Если для какого-либо тока Iiik=1п найти ампер-витки возбуждения On и, кроме того, определить по х-ке холостого хода ампер-витки возбуждения Ода, необходимые для создания падения напряжения от -рассеяния xs =ml, то получается характеристичный треугольник (треугольник Потье) 01п, у которого высота lm=I3k xs, основание Оп=полному числу ампер-витков, необходимых для установления тока короткого замыкания Ik—I2, отрезок Ода — ампер-витки, потребные для покрытия индуктивного падения напряжения /„ xs, и отрезок дан—ампер-витки для компенсации реакции якоря I2k х. Треугольником Потье очень удобно пользоваться на практике для построения внешней характеристики, то есть зависимости напряжения от нагрузки. На том же чертеже показано влияние насыщения машины на форму х-ки холостого хода. Если OQ изображает нормальное напряжение машины, то число ампер-витков возбуждения должно быть равно 0L=Qb. Из них часть Qa расходуется на воздушный промежуток, а часть ab—на железо. Совершенно иной характер будет иметь короткое замыкание машины, если его произвести внезапно при полном возбуждении. При этом возникает значительный толчок тока (по нормам этот тол-чек допускается до 15-кратной амплитуды нормального тока), и появляются значительные механические силы, которые при недостаточно прочной конструкции могут вывести машину из строя.
Параллельная работа с. м. Для возможности параллельной работы с. м. на общую сеть должны быть при включении выполнены следующие условия: равенство напряжений присоединяемой машины и уже работающих, одинаковость фаз напряжений и равенство частот. Последнее условие приводит к требованию, чтобы числа оборотов обеих машин были равны, если числа полюсов одинаковы, или находились бы в обратном отношении к числам полюсов. На рисунке 117 однофазная машина I работает на некоторую внешнюю сеть 1, 2. Пусть напряжение на зажимах этой машины будет Vb Пусть, далее машина И приведена во вращение
с такой скоростью, что частота и фаза напряжения ее те же, что и у машины I, но напряжение ее V2 несколько меньше, чем У,. Кроме того, здесь, как и в машинах постоянного тока, напряжения обоих генераторов должны быть направлены в противоположные стороны, то есть как показано на рисунке 117 стрелками.
Если теперь замкнуть рубильник 3, 4, то между точками 5,6 будет иметь место разность напряжений V- 1ц— У2, которую можно обнаружить, если к точкам 5 и 6 присоединить лампу или вольтметр. При замыкании рубильника 5,6 напряжение v установит в цепи обоих генераторов (если пренебречь их омическими сопро-
Рисунок 117.
тивлениями) ток г =
Бу-
Ряс. IIP.
Ха 1 “1“ Ха здучи чисто реактивным, этот ток отстает от вызывающего его напряжения v на 90° (рисунок 118). Из чертежа видно, что ток i для машины 1 будет отстающим, а для машины И опережающим. благодаря чему вызванная им реакция якоря несколько размагнитит генератор I и подмагнитит генератор II. В результате на зажимах внешней цепи, то есть между точками 1, 2, установится некоторое среднее напряжение У, причем V1 > У>
>У2. При достаточно большой разнице между 1ц и У2 ток г может достигнуть значения, опасного для целости машин и измерительных приборов. Отсюда следует, что включать на параллельную работу машины е разными напряжениями недопустимо. Если напряжения и частоты обоих генераторов одинаковы, но фазы их различны, то есть векторы напряжений сдвинуты на угол 180°—а <180°, то при включении получится диаграмма, показанная на рисунке 119. Замыкая рубильник 3, 4 (рисунок 117), мы получим между токами напряжение v, равное геометрической сумме
Гяс. 119.
И и У2. В этом случае при замыкании рубильника 5, 6 уравнительный ток г, сдвинутый на 90° от v, оказывается почти в фазе с У2 и, ;еледо-вательно, будучи для него током нагрузки, этот ток заставит ротор генератора II несколько затормозиться. По отношению к напряжению У, генератора I этот ток сдвинут почти на 180° и, следовательно, будучи током двигательным, несколько подгонит его ротор. По истечении некоторого промежутка времени ток г выравняет положение обоих роторов, и оба они начнут вращаться синхронно и притом так, что угол между У] и У2 станет равен 180°. Однако, включать генераторы на параллельную работу при неодинаковости фаз напряжений нельзя, так как возникающие при этом механические усилия могут вызвать порчу генераторов и их первичных двигателей. Если напряжения генераторов равны,
Ряс. 120.
но частоты их различны, то при замыкании рубильника 3,4 лампа или вольтметр, помещенные между зажимами 5,6, будут испытывать непрерывные колебания напряжения. На рисунке 120 построены синусоиды напряжений обоих генераторов с отличающейся друг от друга частотой. Очевидно, что в точках 1 и 3 результирующее напряжение v=0. а в точке 2 оно вдвое больше напряжения каждого генератора. Если частоты обоих генераторов отличаются лишь незначительно, то период затухания и вспыхивания лампы будет большим, и легко уловить момент,когда г=0. Если в этот момент включить рубильникб, 6, тоникакого выравнивающего тока не появится, и в дальнейшем генераторы пойдут синхронно. Т. о. лампа или вольтметр могут служить указателями правильного момента включения. После правильного включения присоединенная машина находится в состоянии электрического равновесия, то есть она не отдает и не потребляет тока. Для того, чтобы нагрузить машину, недостаточно повысить ее возбуждение, т. к. повы-
шение напряжения поведет лишь, как было выяснено выше, к появлению реактивного тока, но не создаст активного тока, могущего совершать работу. Единственным средством нагрузить машины является увеличение вращающего момента ее первичного двигателя, т. к. при этом ротор получит стремление забежать вперед, а это, как мы видим (рисунок 119), сейчас же вызовет появление активного тока нагрузки. Все изложенное справедливо и для трехфазных машин, но подготовка машины к включению, т. н. синхронизация, обставлена здесь несколько иначе-На рисунке 121 машина I работает на некоторую сеть. Для синхронизации машины II можно воспользоваться тремя
Рисунок 121.
лампами, включенными между зажимами отдельных фаз. Здесь все лампы загораются и потухают одновременно (если этого нет, то фазы машины присоединены неправильно), и включение происходит, как и для однофазной машины, в тот момент, когда все лампы потухнут. Более распространенным является другой способ присоединения ламп, показанный у генератора III, когда одна лампа присоединена обоими полюсами к одной и той же фазе, а две другие—к различным. Очевидно, что включение должно происходить здесь в тот момент, когда первая лампа потухнет, а две другие будут гореть полным накалом. Этот способ имеет то преимущество, что по порядку потухания ламп можно судить о слишком быстром или слишком медленном вращении синхронизируемой машины. Выше мы указывали, что для нагрузки параллельно работающего генератора необходимо увеличить вращающий момент в его первичном двигателе, т. к. при этом между напряжениями машин, а также между их роторами, возникает расхождение на некоторый угол, вызывающее появление активных токов в статорах машин. В результате появляется сила, стремящаяся выравнять положение роторов, то есть привести векторы напряжений снова к углу в 180°. Эту силу называют синхронизирующей. Действие ее оказывается, однако, в силу механической инерции вращающихся частей, не постепенным, а колебательным. Когда угол между роторами (наир., вследствие разгрузки машины) сделается равным нулю, ротор под влиянием инерции несколько перейдет за это значение, и действие синхронизирующей силы сейчас же станет обратным,то есть ротор снова получит стремление вернуться к нулевому положению, но опять вследствие инерции перейдет за него и так далее Мы получаем здесь полную аналогию с маятником, качания которого постепенно затухают. Указанные колебания, возникающие при всяком изменении мощности и заставляющие ротор не сразу остановиться в положении, соответствующем данной нагрузке, присущи самой машине и зависят исключительно от ее индивидуальных свойств, благодаря чему их называют собственными колебаниями. Однако, существуют еще вынужденные колебания, вызываемые неравномерностью хода поршневых первичных двигателей. Если периоды собственных и вынужденных колебаний одинаковы, то наступает явление резонанса, при котором появляются столь значительные увеличения амплитуды качания, что параллельная работа машин становится невозможной. Выше мы видели, что, изменяя только возбуждение машины, мы не можем воздействовать на степень ее загрузки, то есть не можем вызвать в ев статоре активный ток. В якоре появляется лишь реактивный ток, отстающий (при перевозбуждении генератора) или опережающий (при недовозбуждении). Т. к. мощность, отдаваемая генератором, при этом не изменяется, то общий ток растет лишь за счет реактивной составляющей. Если откладывать по оси абсцисс токи возбуждения или соответствующие им эдс Еи а по оси ординат—токи статора, то связь между ними выразится в виде кривой, имеющей форму буквы У,—т. наз. 7-образной кривой, или кривой Мордея. Чем меньше полное синхронное реактивное
сопротивление ха, тем острее кривая, то естьтем резче происходит изменение тока в статоре при изменении возбуждения. На рисунке 122 показаны 7-образные кривые для трех машин, у которых ха относятся как 1li: Vs: 1. Машины с очень
Рисунок 122.
острыми кривыми меньше подходят для параллельной работы, и поэтому значение ха не должно быть меньше известных пределов. С точки зрения использования машины ее следует возбуждать так. чтобы ток в статоре был наименьшим. Это имеет место в нижней части кривой, когда весь ток является активным и coscp=l.
Синхронный двигатель. Если уменьшать вращающий момент первичного двигателя, приводящего во вращение параллельно работающий генератор, то ротор будет стремиться отстать на некоторый угол. Благодаря этому между напряжениями появится такой сдвиг фаз, что вызванный разностью напряжений ток будет стремиться поддержать вращение машины, то есть будет направлен по отношению к эдс отстающего генератора на угол больший 90°. Этот ток доставляется сетью, и прохождение его не прекращается и после полной остановки первичного двигателя, вращающего данную машину. Т. о. наша машина превращается в электродвигатель. При механической нагрузке его расхождение векторов напряжения сети и эдс машины увеличивается еще больше и вместе с тем увеличивается и поступление тока (и мощности) из сети. Диаграмма синхронного двигателя показана на рисунке 123. Вектор напряжения сети 7У направлен по вертикали. Эдс двигателя Ei является замыкающей стороной векторов напряжения 7, (равного и противоположного 7]) и падения напряжения U—Ixa-Перпендикулярно к вектору U1 расположен вектор тока 1г. Если, не изменяя нагрузки, регулировать возбуждение двигателя, то будет изменяться лишь реактивная составляющая тока. Можно доказать, что при этом конец вектора эдс может перемещаться лишь по прямой, параллельной У,. Напр., при некотором недовозбужде-нии вектор эдс займет положение Е3, вектор 13ха — положение 773 и ток—положение Д, то есть будет отстающим. При перевозбуждении (векторы Ut) ток будет опережающим.
Наконец, можно найти такое положение (Е2, U2), при котором ток 12 будет целиком активным, то есть будет совпадать с напряжением сети. Изменение тока I и здесь происходит по 7-образной кривой, но в отличие от генератора ток будет отстающим при недовозбуждении и опережающим при перевозбуждении. Возможность работать всегда при cos щ=1 составляет большое практическое достоинство синхронных двигателей. Недостатком этих машин является то, что их пуск в ход связан с некоторыми затруднениями. Чтобы пустить синхронный двигатель, его нужно сперва синхронизировать с сетью. Для этой цели можно применить специальный пусковой мотор, например асинхронный, или воспользоваться возбудителем (машиной постоянного тока, сидящей на одном валу с с. м. и служащей для питания ее роторной обмотки постоянным током). Последний способ применим, впрочем, лишь тогда, когда имеется источник постоянного тока, например аккумуляторная батарея. Современные синхронные двигатели пускаются обычно как асинхронные. Для этой цели на роторе устраивают из медных стержней и лобовых колец обмотку в виде беличьего колеса. Если теперь
Рисунок 123.
подвести к статору переменное напряжение (для уменьшения пускового тока пониженное с помощью автотрансформатора), то вращающееся поле статора приведет ротор во вращение. Обмотку постоянного тока при этом замыкают накоротко, чтобы в ней не индуктировались опасные для ее целости высокие напряжения. По достижении скорости, близкой к синхронной, включают постоянный ток в обмотку возбуждения, благодаря чему под влиянием синхронизирующей силы ротор втягивается в синхронизм. После этого напряжение статора увеличивается до нормального, и пуск двигателя закончен.
С. м. как фазокомпенсатор. Выше мы видели, что перевозбужденный синхронный двигатель потребляет опережающий ток. Вследствие этого он ведет себя как конденсатор и может компенсировать действие индуктивности от других потребителей (например, асинхронных двигателей), присоединенных к той же сети. Это свойство проявляется и при холостом ходе синхронного двигателя, когда он не совершает никакой механической работы. Такой двигатель получает обычно облегченную конструкцию и часто называется синхронным конденсатором“. Разумеется, для той же цели может применяться и недовозбужденный генератор.
Характеристики с. м. С двумя основными характеристиками с. м.мы у нее познакомились выше. Это—х-ки холостого хода и холостого замыкания-
Внешние характеристики синхронного генератора, то есть зависимости У=f (J,), показаны на рисунке 124. При cos ® — 1 напряжение с увеличением тока постепенно уменьшается благодаря падению напряжения и размагничивающему действию реакции якоря. При отстающем токе падение напряжения увеличивается с уменьшением cos®, т. к. сильно возрастает продольное (размагничивающее) поле реакции якоря. При некоторой емкостной нагрузке (опережающий ток) напряжение сохраняется приблизительно постоянным, т. к. здесь падение напряжения компенсируется дополнительным намагничиванием от реакции якоря. При еще большем опережении характеристика загибается кверху, т. к. влияние падения напряжения здесь уменьшается по сравнению с влиянием реакции. На рисунке 125 показаны регулировочные характеристики для отстающего
тока при cos sf=l и 0, 8, то есть кривые гь=f (/>) Характер кривых понятен из предыдущего. Для синхронных генераторов весьма важной величиной является процентное изменение напряжения, под которым понимают повышение напряжения при разгрузке от нормального тока до холостого хода при неизменном возбуждении. Эта величина составляет
Е, — V
1000;о иувеличивается с уменьшением cos при отстающем токе. При опережающем токе £ становится отрицательным.
Конструкции с. м. На рисунке 126 показан небольшой синхронный генератор с выступающими полюсами, 40 ква. 230 вольт, 1000 об/мин. Справа виден сидящий на одном валу с генератором возбудитель постоянного тока, питающий обмотку возбуждения. На рисунке 127 показан ротор с выступающими полюсами генератора мощностью 40.000 ква, 300 об/мин. На рисунке 128 виден монтажротора быстроходного генератора с неясно выраженными полюсами (турбогенератора) мощностью 100.000 ква, 1500
Рисунок 126.
об/мин., приводимого во вращение паровой турбиной. На рисунке 129 показан гидрогенератор (приводимый во вращение гидравлической турбиной) верти-
Рис.
127.
кального так называемого зонтичного типа, мощностью 18.350 ква, 600 об/мин. Наверху расположен возбудитель. Вертикальный вал этой машины пропущен вниз и там соединен непосредственно с турбиной.
Вращающиеся преобразователи. Одноякорные преобразователи (о. п.). Если в машине постоянного тока обмотку якоря помимо коллектора присоединить еще к кольцам, то получится устройство, позволяющее преобразовывать переменный ток в постоянный, или наоборот. Обычно о. п. применяется для преобразования переменного тока в постоянный. Для этой цели к кольцам подводится однофазный или многофазный ток, а с коллектора снимается постоянный; т. к.. обмотка возбуждения питается здесь-
Рисунок 12S.
постоянным током, то о. п. молено“ рассматривать как совмещение в одной машине синхронного двигателя и генератора постоянного-тока. Число контактных колец определяется числом фаз: для однофазного-тока два кольца, для трехфазного— три и так далее Наиболее часто встречаются шестифазные преобразователи с-
Рисунок 129.
шестью контактными кольцами. На рисунке 130 показаны однофазный (слева) и трехфазный (справа) о. п. Для того чтобы не затемнять чертежа, коллектор показан снаружи обмотки. Ответвления к кольцам расположены на одинаковом друг от друга расстоянии, определяемом числом фаз. Число оборотов о. п. определяется как и длясинхронной машины формулой п= —
При нагрузке якорь стремится затормозиться, что вызывает уравнительный активный ток, идущий из сети. Этот ток, как и у синхронного двигателя, достигает такой величины, чтобы вызванный им момент вращения как раз уравновешивал момент сопротивления со стороны постоянного тока. Магнитное поле, вызванное переменным током в якоре, вращается относительно последнего с синхронной скоростью, основное же поле (от постоянного тока)
неподвижно в пространстве. Для возможности взаимодействия оба поля должны быть неподвижны друг относительно друга, и поэтому необходимо, чтобы якорь о. и. вращался в сторону, обратную направлению вращения его поля с той же синхронной скоростью. Т. к. в о. и. для восприятия переменного тока и отдачи постоянного служит одна и та же якорная обмотка, то, очевидно, напряжения переменного и постоянного тока находятся в определенном соотношении. Если последовательно откладывать напряжения отдельных витков обмотки, то, обойдя всю обмотку, мы получим замкнутый многоугольник с числом сторон, равным числу витков. При большом числе витков многоугольник практически превращается в окружность, диаметр которой равен напряжению на коллекторе. Хорда, соединяющая какие-либо две точки окружности, определяет амплитуду переменного напряжения, действующего между -соответствующими токами обмотки. Если обмотка симметрично присоединена к те кольцам, то есть точки присоединения колец расположены под углом 2z
(рисунок 131), то амплитуда переменного напряжения, действующего между соседними кольцами Еп, равна хорде, стягивающей
2г.
Дугу т окружности с диаметром Eg, то есть,как видно из чертежа, En=Eg
sin-, а эффек- Рисунок ш. тивное значениепри синусоидальной форме напряже-
Еп Eg 7Г
ния будет Ew==-psm —. От]/ 2 У 2 т
метим, что для однофазного о. п. те=2. Найденная формула справедлива для холостого хода, когда падения напряжения не имеют места, но и при нагрузке отклонения ст нее невелики. Т. к. величины напряжения стандартизованы, то нельзя так подобрать Ew и Eg, чтобы они оба одновременно отвечали стандартным значениям. Поэтому непременной принадлежностью о. и. является трансформатор, включаемый между кольцами и сетью переменного тока. Величина постоянного и переменного токов также находится в определенном соотношении, которое мы даем здесь без вывода. Если обозначить постоянный ток через I g, а линейный-переменный через I®,
TO lw
21/2 Jg Ew
l—. . Отношения
те cos ф -с-g
Iw
и Tg
(для cos ф=1) приведены в следующей таблице:
|
Число фаз; | |
1 | |
3 6 | |
|
Е
W
Е | |
0.7О7 | |
0,612 0,351 | |
|
| |
| |
| |
|
I
W
1 | |
1,41 | |
0,943 0,472 | |
Т. к. эдс якоря индуктируется единственным результирующим магнитным потоком и т. к. переменный ток, являясь двигательным, составляет с эдс угол > 90°, а постоянный ток, будучи генераторным, находится в фазе с эдс, то постоянный и переменный токи протекают в якоре почти в противоположном направлении, и через проводники якоря проходит разность этих токов. Благодаря этому потери в якоре у о. й. меньше, чем, например, у генератора постоянного тока при той же мощности и притом тем меньше, чем больше число фаз. Так, например, шестифазный о. п. при тех же размерах и при cos 9=1 может отдать мощность почти вдвое (точнее, в 1,93 раза) большую, чем генератор постоянного тока. Чем меньше cos ®, тем меньше и мощность о. п. Соответственно и падение напряжения в о. п. меньше, чем в машине постоянного тока. Подводимый к о. п. переменный ток можно разложить на активную и реактивную составляющие. Активная составляющая создает поперечное поле реакции якоря, направленное против поперечного поля реакции постоянного тока (т. к. эти токи сдвинуты на 180°). Благодаря этой взаимной компенсации поперечное поле якоря о. п. не существует (вернее, остается незначительная разность полей, вследствие различной формы мдс постоянного и пе-ременноготока). Реактивная составляющая создает продольную реакцию, размагничивающую или намагничивающую машину, в зависимости от направления сдвига фаз. Коммутация в о. п. происходит точно так же, как и в машинах постоянного тока. Если о. п. снабжен дополнительными полюсами, то число их ампер-витков может быть значительно меньше, чем в машине постоянного тока, т. к. при отсутствии поперечного поля их задача сводится только к улучшению коммутации. Если желательно регулировать напряжение на стороне постоянного тока, то нельзя воспользоваться изменением возбуждения, т. к. таким путем будет, как и у всякого синхронного двигателя, изменяться лишь реактивная составляющая тока, влияние которой нападение напряжения о. п. слишком мало вследствие небольшой величины реактивного сопротивления. Обычно для возможности регулирования увеличивают реактивное сопротивление путем включения дроссельной катушки между кольцами и сетью или путем увеличения рассеяния трансформатора. Тогда реактивный ток, возникающий при изменении возбуждения, будет обусловливать уменьшение (при недовозбу-ждении) или увеличение (при перевозбуждении) напряжения на кольцах, а, следовательно, и на коллекторе. Диаграмма регулирования показана на рисунке 132. Ток Iw направлен по вертикали. При недовозбуждении напряжение трансформатора Vt и напряжение
дроссельной катушки Vd дают напряжение на кольцах Vw< Vt, а при перевозбуждении Т7ю> Vt. Пуск в ход о. п. совершается либо со стороны постоянного тока в качестве шунтового двигателя (если в распоряжении есть источник постоянного тока), или теми же способами, как и для синхронногодвигателя (смотрите выше).
Мотор - генератор (ж.-г-). Для превращения переменного тока в постоянный можно применить аггрегат, состоящий из соединенных между собой двигателя переменного тока и генератора постоянного тока, т. наз. м.-г. Двигатель может быть как синхронным, так и асинхронным. Обычно применяется последний, как дающий большие удобства при пуске в ход. Достоинством м.-г. является полная свобода в выборе напряжений отдельных машин и их независимость друг от друга. Недостаток—меньший по сравнению с о. п. кпд.
Каскадный преобразователь (к. п.). Промежуточное положение мелсду о. и. и м. г. занимает к. п., состоящий из асинхронного двигателя и о. п., механически и электрически связанных друг с другом. Отличительным свойством к. п. является то, что здесь о. п. работает не только как преобразователь, но и частично как генератор постоянного тока. В виду ограниченного-применения в настоящее время к. п. мы подробно его теорию рассматривать не будем.
Конструкции. На рисунке 133 показан шестифазный о. п. мощностью 1000 квт,
Рио. 13.!.
коэффициенту мощности. Поэтому для уменьшения индуктивности обмотки возбуждения ее изготовляют с возможно малым числом витков., а якорный поток, не приносящий никакой пользы, уничтожают с помощью компенсирующей обмотки, обтекаемой тем же током, что и якорь, но в таком направлении, чтобы оба потока были направлены навстречу и друг друга компенсировали. Схема о. с. показана на рисунке 135. Здесь В—обмотка возбуждения, А—якорь, К— компенсирующая обмотка. При таком устройстве индуктивности якоря и компенсирующей обмотки будут обусловлены только полями рассеяния, то есть будут сведены к минимальной величине. Что касается
750 об./мин., 600 вольт на стороне постоянного тока. Слева расположены кольца, справа—коллектор. На рисунке 134 показан м.- г. на 2000 квт, 593 об./мин., состоящий из асинхронного двигателя (справа) и генератора постоянного тока. Небольшая машина, расположенная за асинхронным двигателем, представляет собой фазокомпенсатор (смотрите ниже).
Коллекторные| машины переменного тока. Коллекторные двигатели (к. д.). а) Однофазный двигатель сериесного возбуждения (о. с.). Если взять обычный двигатель постоянного тока сериесного возбуждения и подвести к его зажимам однофазный переменный ток, то двигатель придет во вращение. Здесь магнитный поток в обмотке возбуждения вызывается тем же током, который проходит и через якорь, а следов, направление потока и якорного тока меняются одновременно, что по правилу левой руки приведет к вращающему моменту, направленному всегда в одну и ту же сторону. Т. к. поток .здесь пульсирует, то весь магнитопровод для уменьшения потерь должен быть собран из листового железа. На практике, однако, такой двигатель должен подвергнуться некоторым конструктивным изменениям, т. к. большая индуктивность обмоток возбуждения и якоря привела бы к слишком низкомукоммутации тока, то в о. с. она, совершаясь по тем же законам, что и в машине постоянного тока, несколько осложняется благодаря тому, что короткозамкнутая секция во время
Рисунок 134.
коммутации подвергается действию не только собственного поля самоиндукции, вызванного изменением тока, но и д( йствию пульсирующего потока возбуждения, наводящего в ней т. наз. трансформаторную эдс (т. к. короткозамкнутая секция и обмотка возбуждения представляют собой т-р). Обе эдс, наводимые этими потоками, складываются геометрически и дают результирующее напряжение коммутации е, под влиянием которого появляется добавочный ток г=f
Рисунок 135.
(здесь г - кажущееся сопротивление цепи короткозамкнутой секции], перегружающий щетки и могущий вызвать искрение на коллекторе. Уменьшить ток i можно либо путем увеличения г, либо путем уменьшения е. В первом случае между коллекторными пластинами и обмоткой якоря включают сопротивления из плохого проводника (железо, ник-келин и так далее). Этот метод обладает рядом отрицательных качеств и в настоящее время не применяется. Для уменьшения эдс е прибегают к устройству дополнительных полюсов, создающих в короткозамкнутой секции эдс ек, равную и противоположную е. В о. с. задача устройства дополнительных полюсов осложняется необходимостью компенсировать две эдс, изменяющиеся по совершенно различным законам. Поэтому ни одна из схем полностью не удовлетворяет веем требованиям. Наиболее употребительным и целесообразным является последовательное соединение дополнительных полюсов, показанное на рисунке 136. Здесь В—обмотка возбуждения, К— компенсирующая, А— якорная и D — дополнительных полюсов, причем параллельно с последней включено регулируемое сопротивление R для того, чтобы сдви-Рисунок 188. нуть ток в обмотке
D по сравнению с главным током двигателя. Напряжение сети, приложенное к зажимам двигателя, должно уравновесить: эдс, появляющуюся в роторе под влиянием вращения в магнитном поле статора (про-тиво эдс) Еи находящуюся в фазе с током; эдс самоиндукции обмотки возбуждения Е., отстающую от тока на 90°; омическое падение напряжения во всех обмотках Ел, находящееся в фазе с током, и индуктивное падение напряжения от рассеяния в тех же обмотках Eit отстающее от тока на 90°. Векторная диаграмма для о. с. показана на рисунке 137. Т. к. эдс Е1 зависит от скорости вращения, то из диаграммы ясно, что чем быстрее вращается двигатель, тем меньше будет сдвиг фаз между током и напряжением (тем боль-1
ше cos е). Отсюда же ясно, что в о. с. коэффициент мощности никогда не может стать равным 1 (хотя при больших скоростях вращения он иногда доходит до 0,95). Пуск в ход о. с. совершается с помощью регулируемого трансформатора, понижающего напряжение сети. С помощью того лее т-ра регулируется и скорость этих двигателей. Главнейшая область применения о. с.—железнодорожная тяга.
Ь) Однофазный репульсионный двигатель (о. р ). Схема о. р. показана на рисунке 138. Здесь имеются две статорных обмотки В и К, соединенные последовательно и включенные на напряжение сети и якорь А, обмотка которого замкнута накоротко. Пульсации потока К вызывают в якорной обмотке ток, который, взаимодействуя с потоком обмотки В, и создает вращающий момент двигателя. Большим преимуществом о. р. является полное отделение статора от ротора, что позволяет присо
единять машину непосредственно к сети довольно высокого напряжения. Векторная диаграмма о. р. показана на рисунке 139. Токи статора Ц и ротора L складываясь как в т-ре, дают намаг 
ничивающий ток 1т, в фазе с которым находится поток Ф2, создаваемый обмоткой К. Поток 4»! обмотки В находится в фазе с током статора -Zj. Поток Ф2 наводит в роторе эдс трансформации Еъ сдвинутую от него на 90°, а поток Oj наводит в том же роторе эдс вращения 2ег, находящуюся в фазе с Ф,. Эдс Ег и Е2, складываясь, дают результирующую, идущую на покрытие омического (12з2) и индуктивного (12ж.2) падений напряжения в роторе. Напряжение сети должно уравновесить: эдс Е3, наводимую в статорной обмотке В колебаниями ее собственного потока Ф! (эдс самоиндукции), эдс Д, наводимую в обмотке К потоком Ф2, омическое падение напряжения в статоре 1у и индуктивное падение напряжения Ixxv Рассмотренный о. р. можно упростить (двигатель Томсона), соединив обе статорных обмотки в одну и расположив ее под некоторым углом а к оси щеток (рисунок 140). Получающийся наклонный магнитный поток можно геометрически разложить на два: вертикальный (перпендикулярно к оси щеток) и горизонтальный (по оси щеток). Если устроить приспособление для перемещения щеток по коллектору, то поворотом их оси можно изменять угол а, а, следовательно, и регулировать величины составляющих потоков. При таком сдвиге щеток, когда я = 0 или 90°, двигатель вращаться не будет, т. к. в первом случае Фл=0, а во втором Ф2=0. Для пуска двигателя в ход устанавливают щетки под углом я=90°, включают статорную обмотку на сеть и начинают медленно поворачивать щетки. При этом двигатель приходит во вращение, причем величина крутящего момента будет зависеть от соотношения между потоками Ф, и Ф2, т. е. от угла поворота щеток. Максимальный момент обычно достигается при я15°. Следует отметить, что при пусковом положении (α= 90°) короткозамкнутые секции обмотки якоря сцеплены с полным потоком статора, что вызывает значительные внутренние
Рисунок 1-10.
токи. Этим недостатком не обладает показанный на рисунке 141 о. р. системы Дери е двумя парами щеток. Здесь одна пара щеток (A, At) установлена неподвижно, а другая пара (В, В{) может перемещаться с помощью особого приспособления. Щетки соединены между собой попарно (А с В, A i с В{) гибким кабелем.
Из чертежа видно, что, смещая подвижные щетки на угол 2а, мы перемещаем ось статорной обмотки всего на угол я. Т. к. щетки попарно Рисунок 14| замкнуты накоротко, то ток
проходит лишьпо тем учаеткамобмотки которые лежат между соединенными между собой щетками. При пуске в ход (я=90°) щетки поворачиваются на угол 2я=180°, и замыкаемые ими катушки не будут совершенно сцеплены с потоком статора. Другими преимуществами двигателя Дери являются более плавное изменение скорости и более благоприятная коммутация тока. Реверсирование, то есть изменение направления вращения, достигается в о. р. поворотом щеток в обратном, по отношению к пусковому, направлении. Коэффициент мощности этих двигателей довольно высок и приблизительно равен cos <р трехфазных асинхронных двигателей такой же мощности. Главнейшей областью применения о. является текстильная промышленность. особенно в прядильных машинах.
с) Трехфазный двигатель сериес-ного возбуждения (т. с.). Схема т. с-
показана на рисунке 142. Здесь S — соединенный в треугольник статор, выполненный точно так же, как и у нормального асинхронного двигателя.
R — ротор, представляющий собой якорь постоянного тока. На якоре расположены три щетки, сдвинутые на угол 120° и присоединенные ко вторичным обмоткам т. наз. сериес-транс-форматора. Благодаря тому, что первичные обмотки трансформатора обтекаются током статора, ток ротора будет ему пропорционален. Благодаря как бы последовательному соединению обмоток статора и ротора, фазы мдс этих обмоток совпадают. Т. к. статор и ротор имеют трехфазную обмотку, то они совместно создают вращающееся магнитное поле,если обмотки включены так, что поля статора и ротора вращаются в одну сторону. Вращающий момент двигателя будет зависеть не только от величины результирующего поля, но и от относительного положения составляющих полей в пространстве, обусловленного положением щеток на коллекторе. Перемещая щетки, можно изменять пространственное положение роторного поля, а, следов., и величину вращающего момента. Результирующее магнитное поле, пересекая витки обмотки статора и ротора, наводит в них эдс: £|=4,44Ф10-8 и
Ь24,44sftw.JcWjф 10“8, где частота сети, s—скольжение ротора, «1 и w.2— числа витков статорной и роторной обмоток, kwl и kw 2—обмоточные коэффициенты, Ф — результирующий поток. Если предположить, что обе обмотки выполнены одинаково с одинаковым числом витков (если этого нет, то можно оперировать с приведенными величинами), то из этих у-ний Е2
получается, что = Если щеткисдвинуты на коллекторе на угол « (нормально угол а150°), то на такой же угол должны быть сдвинуты и мдс статора и ротора, а следовательно и эдс jEj и Е2. Пренебрегая потерями, можно сказать, что напряжение сети V должно уравновесить эти эдс. Тогда получается диаграмма, показанная на рисунке 143. Точка А и треугольник равновесия ВАС соответствуют случаю, когда ЕХ=Е„_, то есть s=l, или двигатель неподвижен. По мере увеличения скорости, s будет уменьшаться, а вместе с ним и Е.2. Т. к. угол
Рисунок из.
между Ех и Е2 должен оставаться постоянным, то точка А будет перемещаться по окружности, описанной вокруг треугольника ВАС. При дальнейшем возрастание скорости Е2 будет уменьшаться еще больше, пока при синхронизме s=0) оно не сделается равным нулю, то есть точка А переместится в В и напряжение сети будет уравновешивать только эдс статора Е. При увеличении скорости за синхронизм,
Е„ сделается отри цательным. При двойной синхронной скорости (s=— 1) точка А придет в А., т. к. Е1=—Е.,. Из диаграммы видно, что если Ех и Е.2 при неподвижном двигателе равны, то есть равны wx и тъ то при разворачивании ротора Еп сперва увеличивается, а потом уменьшается. В таком двигателе момент вращения при пуске в ход будет неустойчив. Для того, чтобы jEj все время уменьшалось, необходимо, чтобы Е1 было больше Е2 и притом так, чтобы при пуске в ход Е2 было перпендикулярно к V(точка Hi на рисунке 144). С другой стороны, для получения высокого коэффициента мощности необходимо, чтобы число витков ротора было больше числа витков статора, причем cos ш=1 при синхронизме получается тогда, когда эдс Ех при пуске перпендикулярна к V (точка А3 на рйс. 144). Т. о. условия устойчивости и высокого cos <{ противоречат друг другу и в обычном т. с. выполнены одновременно быть не могут. Поэтому часто на коллекторе т. с. располагают два комплекта щеток (подвижные и неподвижные), присоединенных к 6 концам сериес-трансформа-тора. Тогда, изменяя расстояние между щетками, легко при пуске выполнить условие устойчивости, а при работе—
Рисунок 144.
условие высокого коэффициента мощности.
d) Трехфазный двигатель шунто-вого возбуждения (т. ш.). Схема т. ш. показана на рисунке 145. Статор S
Ряс. 145.
снова имеет такое же выполнение, как и у обычного асинхронного двигателя, ротор R представляет собой якорь машины постоянного тока, связанный через трансформатор е сетью. Трансформатор Т выполняется обычно в виде регулирующегося автотрансформатора. С электрической стороны описываемый двигатель представляет собой асинхронный двигатель, к ротору которого подводится напряжение сети (двигатель двойного питания). Т. к. частота тока в роторе иная, чем в сети, то связать ротор и сеть непосредственно нельзя, и роль коллектора сводится здесь к преобразованию частоты сети в частоту ротора. Это становится понятным. если вспомнить, что здесь, как и у обычного асинхронного двигателя, поле ротора вращается по отношению к неподвижному статору (или неподвижным щеткам) с синхронной скоростью, независимо от скорости вращения самого ротора, то есть между щетками всегда будет индуктироваться эдс частоты сети. Векторная диаграмма т. ш. показана на рисунке 146. Она отличается от диаграммы обычного асинхронного двигателя только наличием в роторе кроме эдс Е2, индуктированной вращающимся полем, напряжения, подведенного к ротору от тр-ра. V2 можно сдвигать по отношению к V1 либо смещая щетки, либо пользуясь тр-ом специальной конструкции ( на диаграмме F, и V, сдвинуты на угол а). Если изменять угол а и одновременно изменять величину Vs ( путем изменения передаточного числа тр-ра), то тем самым можно I влиять на наклон вектора L, г, а, следов., и находящегося с ним в фазе вектора вторичного тока /2. Т. к. направление тока холостого хода /0 остается постоянным, то, поворачивая вектор 1з против часовой стрелки, мы
одновременно поворачиваем и вектор 1Х. Увеличив в достаточной степени а и У2, можно привести векторы I, и Fj к одному направлению, то есть установить cos ф=1. Характерной особенностью т. ш. является возможность широкой и притом экономичной регулировки скорости в области как ниже, так и выше синхронизма. Сила тока в роторе асинхронного двигателя быларавна /2= , где Е» — эдс ротора, аг2—его кажущееся сопротивление. В
7 %-У,
т. ш. /;.= , то есть устанавливается
s2
геометрической разностью Е.> и V Если при том же моменте вращения, то есть при том же токе /2 изменить V2, то сейчас же должно будет измениться и Е2, а это может произойти только за счет изменения скольжения, то есть изменения скорости вращения. Изменивнапряжение V.,. мы заставим измениться и направление Е2, то есть двигатель вынужден будет вращаться с сверхсинхронной скоростью. Недостатком описанного т. ш. системы Виитер-Эйхберга является наличие громоздкого регулировочного тр-ра и контроллера для управления этим т-ром. В виду этого в настоящее время двигатели такой системы встречаются очень редко, будучи вытеснены, более простыми т. ш. системы Шрагс-Рихтера. В этом двигателе регулировочный тр-р как бы заделан в самую машину и составляет с ней органическое целое. Двигатель Шраге-Рихтера является обращенным, то есть он питается со стороны ротора через три контактных кольца. Т. к. для работы машины безразлично, какая часть ее является первичной, а какая вторичной, то на существо дела это не влияет. Помимо этой главной обмотки А (рисунок 147), на роторе в тех же впадинах расположена еще
вспомогательная обмотка К. с коллектором (на чертеже коллектор для ясности не показан) и шестью щетками, составляющими три отдельных комплекта. Статорная обмотка S состоит из трех несоединенных между собою фазных обмоток, причем концы каждой фазы статора присоединены к трем группам щеток. Щетки, принадлежащие к каждой группе, могут одновременно сдвигаться или раздвигаться. Их можно сдвинуть и так, что щетки каждой группы станут на одну и ту же пластину, то есть обмотки статора окажутся короткозамкнутыми. Их можно также передвинуть из этого положения в противоположные стороны. Если щетки стоят на одной и той же пластине, то фаза статора замкнута накоротко, и двигатель ведет себя как обычный асинхронный двигатель, вращаясь со скоростью, близкой к синхронизму. Перемещая щетки в ту или иную сторону, мы добавляем к статорной эдс напряжение ЕКг, индуктируемое вращающимся полем в дополнительной обмотке, или вычитаем его. Благодаря этому скольжение двигателя должно увеличиться или уменьшиться, что повлечет за собой уменьшение или увеличение скорости. Двигатели Шраге-Рихтерарассчитываются обычно так, чтобы число оборотов можно было изменять от % синхронного до /» синхронного, то есть в отношении 1:3.
е) Компенсированный асинхронный двигатель (к. а.). Большим недостатком обычного асинхронного двигателя является сдвиг фаз между током и напряжением, особенно резко проявляющийся при недогрузках. К. а. свободен от этого недостатка и позволяет при значительных изменениях нагрузки поддерживать cos ®=1. На рисунке 148 показана схема к. а. Гейланда. Этот двигатель имеет две ста-, торных и две роторных I I | обмотки.Статорная обмотка Si и роторная R1 пред- ;-ставляют собой нормаль- „ ные обмотки обычного асинхронного двигателя.
Обмотка ротора Щ имеет коллектор с тремя щетками, присоединенными ко второй статорной обмотке >%. При работе к. а. в обмотке Д2 индуктируется эдс, передаваемая в обмотку S2. Т. к. >% и S, связаны индуктивно, то фаза тока, поступающего из сети, определяется совместным действием обмоток Si и S2. Смещая щетки на коллекторе, можно добиться того, что сдвиг фаз между напряжением сети и током статора исчезнет, то есть cosе станет равным 1. На рисунке 149 показан другой к. а. системы Основа. Здесь, как и в двигателе Шраге, питание машины происходит со стороны ротора. На роторе имеются две обмотки, обычная трехфазная Ки соединяемая посредством колец с сетью, и
t fTk
Рисунок 148.
обмотка постоянного тока R., щетки которой присоединены к статорной обмотке 8. Другие концы фаз статорной обмотки присоединены к пусковому
реостату Л.Благодаря наличию коллектора и здесь в обмотку статора добавляется некоторое напряжение, позволяющее довести cosf до 1.
f) Двигатель Шюлера относится к типу т. наз. синхронизированных асинхронных двигателей, которые пускаются как асинхронные, а по достижении полной скорости переключаются на питание обмотки возбуждения постоянным током и тем превращаются в синхронные. Схема этого двигателя показана на рисунке 150. Питание двигателя производится со стороны ротора, который имеет здесь две обмотки: нормальную трехфазную R и обмотку А с коллектором и двумя щетками. Статорная обмотка S присоединена концом одной фазы к левой щетке, а две другие фазы через пусковой реостат г присоединены к правой щетке. При пуске в ход двигатель работает как асинхронный, частота на коллекторе имеет величину, соответствующую аеинхронизму двигателя. После вхождения в синхронизм на щетках появляется напряжение постоянного тока и статорная обмотка S становится обмоткой возбуждения.
, Специальные машины, а) Преобразователь частоты. Из-за коммутационных затруднений коллекторные двигатели не могут быть построены быстроходными при большой мощности. В тех случаях, когда необходимо одновременно получить и быстроходность, и большую мощность, и свойства коллекторного двигателя, приходится прибегать к т. наз. каскадным схемам, включающим в себя обычный асинхронный двигатель и отдельную специальную коллекторную машину (иногда несколько таких добавочных машин). Для целей экономической регулировки скорости больших асинхронных двигателей можно прибегнуть к каскадному соединению их с преобразователем частоты. Последний, как видно из рисунка 151, состоит из якоря машины постоянного тока, снабженного одно
временно и коллектором, и кольцами. Статор преобразователя частоты не имеет обмотки и служит лишь для замыкания силовых линий поля. Кольца 8 через посредство регулирующего т ра Т присоединены к сети, а щетки присоединяются к ротору главного асинхронного двигателя. Если якорь неподвижен, то напряжение сети создает вращающееся поле, которое, вращаясь относительно якоря с синхронной скоростью, вызывает между щетками напряжение той же периодичности, что и в сети. Если теперь якорь привести каким-либо посторонним двигателем в сторону, противоположную вращению поля, то число оборотов поля по отношению к неподвижным щеткам уменьшится и соответственно умень-
шится и частота напряжения на кольцах. Т. о., изменяя скорость вращения, можно получить на щетках любую частоту от 0 (скорость вращения равна синхронной) до частоты сети (якорь неподвижен). Если посадить преобразователь частоты на один вал с асинхронным двигателем или соединить его зубчатой передачей (рисунок 152), то частота напряжения на коллекторе всегда
Рисунок 152.
будет равна частоте тока в роторе двигателя. Регулируя напряжение на коллекторе трансформатором Т, можно воздействовать на скольжение асинхронного двигателя и регулировать его скорость. Т. к. по существу устройства преобразователь частоты представляет собою двигатель Винтер-Эйхберга, но без статорной обмотки, то для регулирования скорости можно воспользоваться и последним и тогда получится каскадное соединение асинхронного двигателя с коллекторным.
Ь) Фазокомпенсаторы. Для улучшения коэффициента мощности больших асинхронных двигателей прибегают к каскадному соединению их с особым фазокомпенсатором. Компенсатор Леблана состоит из якоря с коллектором и тремя щетками и статора, лишенного обмотки. Если к якорю подвести трехфазный ток, то обмотка создаст вращающееся поле, перемещающееся в пространстве с синхронной скоростью, не зависящей от скорости 60 f „
самого якоря, и — ——. Если якорь W
привести во вращение в ту же сторону со скоростью пи то поток будет пересекать ватки обмотки со скоростью и — щ=sn и вызовет в обмотке эдс 13=4,44 ku,wsf<I> 10 ~8. Эдс К отстаетот потока на 90°, но если увеличить скорость за синхронную, то есть сделать S отрицательным, то Е также будет отрицательной и станет уже опережать Ф на 90°. Этим свойством и пользуются для компенсации сдвига фаз асинхронного двигателя включая фазокомпенсатор в цепь его ротора, как показано на рисунке 153, и вращая якорь посторонним двигателем В с сверхсинхронной скоростью. На рисунке 153 S — статор главного двигателя, КГ— фазокомпенсатор. В качестве фазоком-
Риг. 168.
пенсатора можно применить и рассмотренный нами выше преобразователь частоты, т. к., сдвигая щетки на его коллекторе, можно дать напряжению на щетках любую фазу.
с) Сложные каскады. Помимо рассмотренных простых каскадных схем, в больших установках применяют сложные каскады, состоящие из главного асинхронного двигателя и ряда дополнительных машин: двигателей, преобразователей, генераторов, фазокомпенсаторов и так далее В виду узко специального назначения этих аггре-гатов и многообразия систем, мы их рассматривать не будем, отсылая интересующихся к специальной литературе (смотрите в конце статьи).
Конструкции коллекторных машин. На рисунке 154 показан железнодорожный сериесный однофазный двигатель мощностью 1500 л. с., с компенсирующей обмоткой и дополнительными полюсами. На рисунке 155 показан репульсионный однофазный двигатель типа Дери, мощностью 10 квт, 1500 об/мин. Справа, возле шкива, виден маховичек, служащий для перемещения щеток. Нарис. 156 изображен трехфазный сериес-1шй двигатель е двойным комплектом щеток, мощностью 22 кит, и=750 об/мин.
тели. Действие р. в основано на так называемым вентильном действии вольтовой
Рисунок 154.
На рисунке 157 показан двигатель Шраге-Рихтера, мощностью 30 квт с числом оборотов от 375 до 1.000. Нарис. 158 показан компенсированный асинхронный
Рисунок 156.
дуги, горящей в вакууме. Если стеклянный баллон, из которого выка
ние. 157.
чен воздух до высокой степени разряжения, впаять две проволоки, из
Рисунок 155.
двигатель с роторным питанием (по Осносу) мощностью 30 квт, 1.500 об/мин. На рисунке 159 показано каскадное соединение асинхронного двигателя с преобразователем частоты (слева). Посредине видна зубчатая передача. Нарис. 160 изображен фазокомпенсатор, приводимый во вращение асинхронным двигателем (слева).
Ртутные выпрямители (р. в.). За последние годы серьезными конкурентами для одноякорных преобразователей сделались ртутные выпрями-
Рисунок 15S.
которых одна соприкасается с ртутью налитой в баллон, а другая соединена
с графитным или железным электродом, то такой прибор может служить злементарным выпрямителем тока.
РйС. 159.
Подведя к электродам напряжение, замкнув на момент цепь наклонением сосуда и разорвав эту цепь возвращением сосуда в первоначальное положение, мы получим между электродами устойчивую вольтову дугу. Если подвести к электродам переменный ток, то он сможет проходить только в направлении от железа или графита к
Рисунок 160.
ртути, то есть только в том случае, если ртуть будет катодом, а другой электрод-анодом. При перемене полярности ток не будет проходить, даже если приложить к электродам напряжение ! в несколько тысяч вольт. Для того чтобы дуга не потухла после первого же полупериода переменного тока (дуга тухнет, если ее оставить без напряжения на 0,00001 сек., тогда как полупериод тока длится 0,01 сек.), в такой примитивной установке необходимо иметь дополнительное зажигательное приспособление, поддерживающее дугу в непрерывном горении. На рисунке 161 показан наверху такой примитивный выпрямитель, а под ним— !
форма получаемого постоянного тока (чтобы не затемнять чертежа, зажигательное приспособление здесь не показано). Для того чтобы иметь возможность выпрямлять обе полуволны переменного тока, можно применять схему, показанную на рисунке 162. Здесь между сетью и выпрямителем поме
щен трансформатор Т. К вторичной обмотке его присоединены два анода (А). Катод (./присоединен к одному полюсу приемника постоянного тока (К), а к другому полюсу присоединяется нулевая (средняя) точка вторичной обмотки т-ра. Здесь одна полуволна выпрямляется через один анод, а другая—через другой. Зажигательное приспособление (не показанное на чертеже) и здесь должно действовать непрерывно, т. к. через каждые пол периода напряжение падает до нуля. Форма выпрямленного тока показана внизу. Улучшить работу р. в можно путем включения в цепь постоянного тока, дроссельной катушки L (рисунок 163). Под влиянием дроссельной катушки кривая тока делается более пологой (рисунок 163 внизу), и получается некоторое наложение волн друг на друга, так что ни в один момент сила тока не будет равной нулю. Тогда зажигательное приспособление после возникновения дуги может быть выключено, и дальшер. в будет работать самостоятельно. На практике обычно приходится выпрямлять не однофазный, а трехфазный ток. Это достигается устройством трех анодов (рисунок 164, обозначения
Рисунок 163- Рисунок 164.
те же). Как видно из нижнего чертежа, волнистость постоянного тока здесь значительно меньше, чем у однофазного р. в., т. к. отдельные волны перекрывают друг друга. Кроме того, ток, благодаря перекрытию, никогда не падает до нуля, и дуга поддерживается автоматически. Для еще большего сглаживания применяют р. в шестифазного и двенадцатифазного тока. Схема ше-стифазнрго р. в с шестью анодами показана на рисунке 165. Применяя дроссели, можно добиться почти идеального сглаживания. Первоначально р. в строились стеклянными. Такие приборы к настоящему времени строят до 200 А выпрямленного тока при напряжениидо 500 в Баллон современного стеклянного р. в для выпрямления трехфазного тока показан на рисунке 166. Небольшой отросток слева служит для присоединения зажигательного приспособления. Для получения больших мощностей в настоящее время строятр.в. со стальными баллонами.
Главным затруднением при конструировании металлических р.в. является устройство уплотнений в местах ввода электродов и в местах соединения крышек с корпусом. Эти уплотнения в настоящее время изготовляются либо комбинированными из асбеста и ртути, либо из свинца. Разрез современного металлического р. в показан на рисунке 167.
Здесь а—зажигательное приспособление, б—охлаждающая рубашка, d— крышка, е—рабочий цилиндр, /“—главный анод, .g-анодный колпак, предохраняющий анод от забрызгивания ртутью, h- колпак, концентрирующий распространение дуги, г—катод, к— зажигательный анод, /—возбудительный анод. Зажигательное приспособ-
Рисунок 166.
ление показано отдельно на рисунке 168. При замыкании выключателя с/постоянный ток от батареи проходит через сопротивления Ва Вг, соленоид а. Соленоид притягивает штангу зажигательного анода Ь, последний соприкасается с катодом с и происходит зажигание, т. к. ток может теперь проходить от батареи и через цепь анода. Т. к. сопротивление этой цепи значительно меньше, благодаря отсутствию Rz, то через соленоид ток проходить почти не будет, и пружина f вернет зажигательный анод в прежнее положение. Весьма важными вопросами при экс-плоатации больших р. в являются
Рис.
охлаждение анодов и поддержание вакуума. Для первой цели аноды снабжают охлаждающими ребрами, а при очень больших мощностях устраивают их полыми и пропускают холодную воду. Для поддержания вакуума применяют особые вакуумные насосы, начинающие работать автоматически приповышении давления сверх допускаемых пределов. На рисунке 169 показан р. в большой мощности для выпрямления двенадцатифазного тока. Справа установлен вакуум-насос, приводимый в действие электродвигателем. Как и у одноякорных преобразователей, у р. в существует определенное соотношение между величинами напряжений переменного и постоянного тока. Это отношение для различного числа фаз имеет следующие значения:
Число фаз 13 6 12
Vw: Vcr 1,11 0,86 0,74 0,72
Здесь не учтено еще падение напряжения в самой дуге (около 20 вольт) и падение напряжения в дроссельной катушке. Т. к. падение напряжения в дуге приблизительно постоянно и почти не зависит от нагрузки, то коэффициент полезного действия р. в мало изменяется с изменением
нагрузки, но зато сильно зависит от напряжения выпрямленного тока. Чем выше последнее, тем больше и коэффициент полезного действия На рисунке 170 дана зависимость коэффициент полезного действия от напряжения, из которой видно, чточ
при больших напряжениях коэффициент полезного действия достигает весьма большой величины (до 98°/о). На рисунке 171 приведены для сравнения кривые коэффициент полезного действия р. в ( ), одноякорного преобразователя (кр ) и мотор-генератора {;г т) в зависимости от нагрузки. Из чертежа видно, что при недогрузках < g изменяется мало, тогда как и -< т падают очень резко. Современные р. в изготовляются для напря
жений до 16000 вольт и для токов до 3000—4000 ампер.
Литература. Для более подробного ознакомления о теорией электрических машин могут служить следующие книги: акад. К. И. Шенфер, „Машины постоянного тока (1934); инж. П. С Сергеев, „Машины постоянного тока“ (1980); ироф. Ф. И. Холуянов, „Альтернаторы и преобразователи“ (1934); ироф. Ю. С. Чечет., „Генераторы и моторы переменного тока“ (1931); проф. Ф. И.Холу-яяов, „Трансформаторы44 (1934); акад. К. И. Шенфер, „АсинхроиныемашиньГ4 (1934); акад. К.И. Шенфер, „Коллекторные двигатели“ (1934инж. Л. Дрейфус,,Коллекторные каскады14 (1934): проф. А. Г. Яелявский, „Ртутные выпрямители44 (1933).
10. Чечет.
V. Электрические станции. 1. Классификация. Э. е. в зависимости от рода используемого энергетического рессурса и рода двигателей подразделяются на: термические (сжигающие топливо), гидроэлектрические, ветровые и проч. Термические в свою очередь подразделяются на: паровые, дизельные и Э. с. с газовыми двигателями. Э. о., снабжающие потребителей не только электроэнергией, но и теплом (в паре или горячей воде), отработанным в первичных двигателях, называются теплоэлектроцентралями (смотрите ниже). В СССР все паровые Э. с. в будущем в большей или меньшей степени будут выполнять задачу централизованного теплоснабжения потребителей ближайшего к ним района. В зависимости от рода топлива паровые станции бывают: угольные (в частности буроугольные), торфяные, сланцевые и т. п-В зависимости от назначения Э. с. обычно делят на: станции общего, или общественного, пользования — продающие электроэнергию всем потребителям, находящимся в пределах досягаемости электрических сетей этих етан-ций, и станции частного пользования, обслуживающие только одного потребителя, или группу потребителей, для которых они построены. В СССР это подразделение потеряло смысл, поскольку при плановом хозяйстве все Э. с. являются станциями общего пользования, но и в капиталистических странах за последние годы станции частного пользования начинают частично втягиваться в общую систему электроснабжения (смотрите электрификация). Крупные Э. с. общего пользования, обслуживающие большой район, называются районными Э. с. В СССР такие станции принадлежат к числуобщесоюзных предприятий. На Западе они принадлежат обычно крупным электроснабжающим обществам, иногда с участием государственного капитала. В СССР Э. с. подразделяются на3 группы: районные, принадлежащие Союзу, местные (городские и сельские), принадлежащие республикам, фабрично-заводские, к каковой группе относятся также железнодорожные (принадлежат к числу союзных или республиканских, в зависимости от принадлежности того предприятия, в состав-которого они входят). В зависимости от роли Э.с. в объединении они подразделяются на: базисные (основные питательные станции), полупиковые, пиковые, резервные.
2. Устройство паровых станций. На всякой паровой Э.с. происходит 6 основных круговых процессов: 1) процесс превращения топлива в углекислоту и в золу; 2) циркуляция воздуха для горения; 3) циркуляция воды и пара в котле и турбине; 4) циркуляция охлаждающей воды; 5) циркуляция охлаждающего воздуха; 6) циркуляция электрического тока.
1) На Э. с., расположенных вблизи мест добычи топлива, последнее часто доставляется в котельную по канатной железной дороге, и около самой станции в этом случае имеется очень небольшой склад. - В случаях доставки топлива по железной дороге склад топлива (открытый или закрытый) устраивается с расчетом на питание станции со склада даже в случае перерыва подвоза угля в течение некоторого времени. Размер склада зависит от местных условий и от свойств топлива. Некоторые виды топлива,как, например, подмосковный уголь, требуют особых мероприятий во избежание самовозгорания. Большие запасы топлива хранятся у торфяных станций, вследствие сезонности добычи; часть этого запаса в открытых штабелях хранится вблизи станции, часть на торфяном болоте. Вопрос о лучшем способе хранения торфа, полученного по методу послойного фрезирования (смотрите XLI, ч. 9, прил. торф, 33/35), еще не разрешен окончательно (1932). На этот предмет-существуют две точки зрения. По одной является необходимым большие штабеля фрезерного торфа вентилировать путем устройства внутренних воздушных ходов-вытяжек с целью быстрого отвода образовавшегося тепла. По другому мнению устройство вентиляции штабелей считается нецелесообразным, так как повышение внутренней температуры штабеля, обычно, не доходит до опасно высоких пределов. Повышение температуры торфа в допустимых границах может быть даже полезным, так как наличие подсушки в небольших границах способствует повышению качества торфа, как топлива. В этом случае, однако, имеется налицо опасность открытого загорания торфа, если во внутренние слои его будет подведен воздух, например если по середине штабеля в период его разогревания будет прокопана канава, так как в данном состоянии торф обладает большой активностью в смысле соединения с кислородом воздуха. В течение суток Шатурская станция им.
В. И. Ленина под Москвой, мощностью в 136 мегаватт (тысяч киловатт), потребляет торфа свыше 3.000 т, а Бобри-ковская на подмосковном угле, мощностью в 300 мегаватт, будет потреблять в сутки до 7.000 т. Эти цифры дают представление о размерах потребной топливоподачи для крупных Э. с. Для подачи топлива в котельную (ср. прил. паровые котлы, XXXI, 25 сл.) либо устраивается ленточный или иной конвейер, подымающий топливо на крышу котельной, где оно сваливается в бункера, либо, на очень крупных станциях, по специальной эстакаде под крышу поднимается паровоз или электровоз с составом вагонов или вага-неток, из которых топливо ссыпается в бункера. Тошгавоподача требует соответствующего развития подъездных путей к станции. В 20-х годах ХХ-го века стало сильно развиваться, сначала в САСШ, а потом и в Европе сжигание угля в пылевидном состоянии, предварительно размолотого в специальных мельницах и подсушенного (смотрите XLI, ч. 8, 407/08). Применение угольного топлива на станциях требует специального пылеприготовнтельного устройства. Вначале устраивалось центральное приготовительное отделение для всей станции в отдельномздании, примыкающем к котельной, позже централизованную систему стала вытеснять индивидуальная, при которой у каждого котла ставятся (одна или две) мельницы для размола угля, причем уголь в самой мельнице подсушивается топочными газами. Оборудование индивидуального пылеприготовления устанавливается в самой котельной и не требует специального-здания. Выбор типа мельницы для пылеприготовительных устройств представляет очень ответственную задачу, в особенности при твердых сортах топлива, как, например, антрацит.
Тихоходные мельницы представляют собою большой железный вращающийся барабан(число оборотов порядка 20 в минуту), частично наполненный шарами из твердого чугуна или телами иной формы. Во время работы в барабан поступает подлежащий перемолу уголь; уже в виде пыли, пройдя через специальные сепараторы, он подается в бункер или непосредственно в топку. Форма чугунных тел, служащих для перемола угля, в процессе перемола не играет большого значения. Характерно, что тихоходные мельницыпотреб-ляют одно и то же количество энергии, работают ли они при полной нагрузке или вращаются в холостую. Тихоходные мельницы более надежны в работе, но зато более громоздки. В болеебыстр» ходных мельницах (число оборотов порядка 100—200) размол обычно производится также шарами, растирающими топливо, но в этом случае шары ходят по определенной орбите. В быстроходных мельницах (обороты порядка 1.500) размельчение топлива производите,; гл. обр. ударным действием, с помощью специальных бил, прикрепленных к вращающемуся ротору. Износ бил в быстроходных мельницах очень большой (от 200 до 400 гр металла на т.у помола), так что необходима их частая замена, что несколько затруднено в том случае, если мельница работает без промежуточного бункера, непосредственно в топку. В виду этого мельницы так устраиваются, что допускают быструю разборку и смену бил в течение около 20 минут. На это время является необходимым перенесение нагрузки котла на другие котлы. Гораздо лучше решается вопрос, если для одного котла установлены 2 мельницы, хотя бы и неполной мощности. В этом случае, при выходе из строя одной мельницы, работа котла не останавли, вается, а только несколько сокращается. Расход электрической энергии на помол угля в зависимости от свойств угля и конструкции мельницы и тонкости помола колеблется в довольно широких пределах, от 12 до 37 квтч на т.у помола. Из известных систем можно указать на конструкции Гардинга и Кеннеди (шаровые тихоходные мельницы), Раймонда и Фуллера (более быстроходные) и Резолютер и Бютнер (быстроходные мельницы). Угольная пыль в виде аэросмесй подается к форсункам с помощью вентилятора по особым рукавам. Угольная пыль горит в топке факелом, дающим такой же эффект, как факел газа или мазута, хотя по существу процесс горения угольной пыли и I аза протекает различно. Применение угольной пыли дает следующие преимущества: 1)коэф-фицент полезного действия котла, как при газовом и жидком топливе, несколько выше, чем при сжигании твердого топлива на решетке; 2) легкая возможность форсировки котла и быстрая растопка; 3) более легкая возможность перехода от одного сорта угля к другому, на мазут и обратно. Применение угольной пыли вызвало появление водяных экранов для защиты стенок топки от действия пламени (смотрите топки, ХЫ, ч. 8. 408/10); в свою очередь водяные экраны значительно увеличивают паропроизводительность котлов. Они стали применяться и при механической решетке, хотя там их применение менее удобно. С появлением водяных экранов техника подошла к задаче увеличения до максимума значения доли тепла, получаемого котлом за счет лучеиспускания.
В связи е трудностями борьбы с уносом пыли из дымовой трубы, что препятствует применению пылевидного топлива на станциях, расположенных внутри города, стали совершенствоваться механические топки. Из них топки „с нижней подачей топлива”, так называемые ундерфидетокеры, по нашей терминологии просто стокеры,
успешно конкурируют с пылоуголь-ными топками. В пылевидном состоянии оказалось возможным хорошо сжигать плохие сорта топлива, а также тощие угли и антрациты. В СССР пылевидное топливо применяется широко на новых районных станциях, работающих на подмосковном угле к других бурых углях, а также на антрацитовом штыбе. Стокеры применены на Челябинской районной станции и на небольшой теплоэлектроцентрали на заводе Клей-тук в Москве. В последние годы выдвинулся вопрос о сжигании древесных опилок, а также фрезерного торфа путем вдувания их в топку, где частицы дерева или торфа должны сгорать „в взве- шенном состоянии”. Был предложен целый ряд конструкций подобных топок (Теплотехнического института, Шершнева и других), но до последнего времени ни одна из этих конструкций, по крайней мере для сжигания фрезерного торфа, не дала еще в эксплуатации вполне надежных результатов, что можно сказать, например, про топки инж. Макарьева для сжигания кусковых сортов торфа. Топочное пространство должно быть, примерно, на один метр выше при пылеугольном и нефтяном отоплении, а также при сжигании топлива во взвешенном состоянии, чем при сжигании его на механических решетках.
В конце 20-х годов ХХ-го века стало появляться стремление применять в котлах Э. с. уголь, предварительно облагороженный преимущественно путем полукоксования при низкой температуре 500-600° С. (смотрите XLV, ч. 2, 265/66). Реторты для полукоксования ставятся в самой котельной, жидкие погоны перерабатываются на маленьком химическом заводе при станции; полукокс из реторты поступает в мельницу и в пылевидном состоянии сжигается под котлом, -аз (швельгаз) либо продается на сторону, если имеется сбыт, либо тоже сжигается под котлами (смотрите описание такой станции, работающей с 1927 г. в Англии, в трудах секционного собрания Мировой энергетической конференции в Токио 1929 г., изд. на английском языке, доклад Е. Н. Smvth ana Е. G. Weeks).
Топливо, сожженное под котлами, превращается частично в золу, собирающуюея в зольном подвале под топкой, частью в дымовые газы, которые, отдав свое тепло собственно котлу, пароперегревателю, водяному, и воздушному экономайзеру, выбрасываются в дымовую трубу при помощи либо естественной тяги, либо специального дымососа (на крупных современных Э.с. применяется исключительно искусственная тяга; ср. XXXI, прил. паровые котлы, 27/29; также трубы, XLI, ч. 9, 35Г53, и центробеоюные вентиляторы, XLV, ч. 3,328“). Для защиты окрестностей от угольной пыли в дымовых трубах устанавливают дымоуловители различных типов, базирующихся либо на действиях фильтров, либо водяного экрана, либо электростатического поля. Наиболее эффективными являются последние. но зато и наиболее дорогими.
Золоудаление представляет собою сложную процедуру, в особенности в случаях многозольного топлива и топлива с низкой температурой плавления золы. На Бибриковской станции придется удалять в сутки около 1.403 т золы; особенно велик % золы на Э. с., сжигающих горючие сланцы, в которых зольность доходит до 60% (ср. топливо, XLI, ч. 8,412/22). В практике есть целый ряд способов удаления золы из топок— ручное, механическое, гидравлическое и удаление шлаков в расплавленном состоянии. При ручном золоудалении в подзольниковое пространство котла подкатываются по рельсам вагонетки, в которые и высыпается шлак, собравшийся в зольниковых воронках топки и котла. После этого вагонетки вывозятся на место свалки шлака, где и опоражниваются. При механическом золоудалении шлак высыпается на движущийся элеватор или конвейер и таким образом удаляется механическим путем из помещения станции. При гидравлическом золоудалении шлак ссыпается из топок в наклонные канавки, по которым смывается наружу водой. Иногда применяется гидравлическое золоудаление в закрытых трубах под давлением (система Зейферта). За последние годы по идее, возникшей во франции, в САСШ стало распространяться удаление золы из топки в расплавленном состоянии. Этот способ золоудаления особенно, пригоден длялегкоплавких шлаков. Вообще при обычном золоудалении работа с топливом, имеющим низкую температуру плавления золы, весьма затруднена — шлак спекается, прилипает к стенкам и залепляет дымовые проходы в первых рядах труб. В САСШ в настоящее время уже имеется значительный опыт по жидкому шлакоудалению; там на такое золоудаление оборудован целый ряд крупных установок, и видимо можно считать, что основные трудности, встретившиеся при осуществлении этой системы, уже пройдены. Особые затруднения при жидком шлакоудалении, особенно при частых остановках котла, встретились со стороны прочности пода топки, на котором скопляется расплавленный шлак до его удаления. Весьма хорошие результаты получились для пода с охлаждаемой нижней поверхностью. У нас в Союзе жидкое шлакоудаление еще не применялось, но имеются данные к его применению, так как целый ряд наших топлив обладает низкоплавкой золой. Шлаки и зола во многих случаях могут быть использованы как строительный материал, в частности для изготовления шлакоцемента.
2) Параллельно с процесом превращения угля в углекислоту и золу с отдачей тепла воде и пару, в котельной установке происходит процесс циркуляции воздуха, необходимого для горения. Этот воздух поступает из атмосферы в воздухоподогреватель (воздушный экономайзер), использующий тепло дымовых газов, и затем идет в топку или естественным путем, или нагнетается туда вентилятором (горячее дутье). В пылеугольных топках нагретый воздух вдувается вместе с пылью. После использования кислорода в процессе горения азот воздуха, вместе с дымовыми газами, возвращается в атмосферу.
3) Пар, полученный из воды в котле, перегревается до заданной температуры в пароперегревателе (смотрите паровые котлы, XXXI, прил., 13/14), поступает затем в турбину, расширяясь в ней отдает заключенную в нем потенциальную энергию и поступает в конденсатор, где вновь превращается в воду. Эта вода питательным насосомперекачивается снова в котел, предварительно подогреваясь до температуры близкой к температуре испарения при нормальном для данного котла давлении пара. С целью уменьшения до минимума пути циркуляции воды и пара, машинный зал и турбины в нем размещают так, чтобы трубопроводы были возможно короткими. Это приводит к параллельному расположению машинного зала и котельной. Но существуют и другие схемы. На рисунке 1 и 2 показаны схемы принятых в .настоящее время расположений: рисунок 1
представляет расположение машинного зала между двумя котельными, и рисунке 2—взаимноперпендикулярное рас положение машинного зала и котельной, применяющееся в тех случаях, когда число котлов велико по сравнению с числом турбин. В настоящее время на крупной станции считается нормальным 1-2 котла на турбину. Кроме рабочих котлов, обычно предусматриваются два резервных: из них один в чистке, а другой в ремонте.
мировой энергетической литературе с 1929 г. обсуждается вопрос о преимуществах построения конденсационных Э. с. по принципу аггрегат-ности: котел-турбогенератор, а часто и повысительный трансформатор и линия по этому принципу составляют!
один комплексный аггрегат. и станция, построенная по этому принципу, состоит из блоков (секций), представляющих каждая комплексную одномашинную станцию. Между котлами устраивают для взаимной страховки горизонтальные паровые связи, но в обычных условиях предполагается, что каждый котел работает на свою турбину. Эта идея аггрегатности в наиболее крайнем выражении была высказана впервые в СССР в брошюре инженера В. Д. Кирпичникова „Турбокотел“ (1929), в которой автор описывал оченьоригинальную конструкцию одномашинной станции с крупным аггре-гатом. Далее этот принцип усиленно дискутировался в американской технической печати, и там уже есть примеры станций, осуществленных к 1933 г. но принципу котел-турбина.
Автор настоящей статьи в своих работах 1932 г. но вопросам стандартизации основного оборудования Э. с. выдвинул идей распространения принципа блочности, или аггрегатности, и на теплоэлектроцентрали, для которых задача сложнее в виду несоответствия энергетической мощности турбины электрической мощности генератора. Автор показал,что для осуществления этого принципа у теплоэлектроцентралей необходимо создать единую систему стандартов для конденсационных и теплофикационных турбин, причем части высокого давления турбин различных типов по этой схеме должны быть рассчитаны на одинаковый пропуск пара. При соблюдении этого условия котлы сопрягаются хорошо с турбинами любого типа, и каждая станция, несмотря на разнообразие комбинаций турбин различных типов, будет состоять из стандартных блоков. Но если вышеназванное условие не соблюдено, то распространение принципа аггрегатности котел-турбина на теплофикационные станции повлекло бы за собою увеличение мощности котельной против необходимой минимальной потребности. В 1933 г. вопрос о преимуществах идеи блочности теплофикационных станций, требующей для своего осуществления коренной перестройки всей системы стандартов турбин, оживленно дискутировался в СССР, а в ино-
|
О | |
О | |
|
аааааааа | |
|
| |
|
о | |
о | |
|
i t КоюелЬп | |
ая -16 котлоб | |
|
О | |
О | |
|
J f Ktmttbhcf Ц МаглоЗ | |
|
О | |
О | |
|
4(Котельной-16 МоглоЗ | |
|
О | |
О | |
Рисунок 2.
странной технической литературе еще не освещался“Этот вопрос имеет большое значение именно в условиях планового хозяйства. Наличие типовых проектов стандартных блоков позволило бы при планировании и проектировании легко выбирать оптимальное сочетание оборудования в сложной энергетической системе, основным элементом которой стала бы не Э. с., а стандартный одноаггрегатный блок, техноэкономические показатели которого были бы заранее хорошо изучены. Тепловая станция превратилась бы в место концентрации с тандартных блоков разных типов (смотрите по этому вопросу книгу „Принципы проектирования типовых электростанций“ коллектива авторов под ред. нроф. Сушкина, 1933). В технической литературе 1932 года появились проекты котлов, составляющих с турбогенераторами один общий механизм, как, например, котлы ВЕЛОКС.
Питательная вода перед вводом в котлы подготовляется в специальных установках (смотрите XXXI прил., паровые котлы, 24]. Приготовление питательной воды заключается в очистке ее и в подогреве. В котел поступает обычно та же вода, которая вышла из него в виде пара, но, вследствие наличия некоторой утечки, приходится частично добавлять свежую воду. Добавка воды на конденсационных станциях составляет несколько процентов (порядка 5%). На теплоэлектроцентралях эта добавка может доходить иногда до 50% и выше, особенно в том случае, когда отправляемый на производство пар не возвращается обратно на станцию в виде конденсата и если на электроцентрали при этом не установлены паропреобразователи для отпускаемого пара. Во избежание образования накипи в котлах питательная вода подвергается иногда химической очистке или проходит через испаритель. Вся вода, поступающая в котел (включая и конденсатор), освобождается от воздуха в деаэраторе для защиты от ржавления внутренних частей котла (коррозия). Явление коррозии особо наблюдается у котлов высокого давления и является весьма опасным, т. к. в сравнительно короткое время может вывести котел из строя.
Вообще вопрос о качестве воды на современных Э. с. и особенно Э. с. высокого давления является вопросом первостепенным. При плохой воде, при невнимательном надзоре за водоприготовлением никогда нельзя быть спокойным за надежную работу станции.
Подогрев питательной воды про» изводится или в водяном экономий-, зере дымовыми газами котла, изредка острым паром из котла, а в последнее время на крупных установках—паром, отобранным из нескольких ступеней турбины: например, при давлении в 7 атмосфер, 0,8 атмосфер и 0,2 атмосферы, а также отработанным паром из испарителя добавочной воды. Пар, отобранный из турбины для подогрева конденсата (регенеративный цикл), отдав свое тепло, смешивается с питательной водой. Регенеративный цикл повышает коэффициент полезного действия установки и в тем большей степени, чем больше число отборов пара. Это объясняется тем, что работа пара, идущего на подогрев питательной воды, аналогична работе пара в теплофикационном процессе. Поэтому вырабатываемая этим паром соответствующая часть электрической энергии требует на выработку квт-ч примерно только 30 —35°/о тепловой энергии, необходимой для выработки квт-ч конденсационной энергии. В обычных условиях для регенерации ограничиваются 2—3 отъемами пара. Подогретая до температуры, близкой к точке кипения, вода поступает в котел и циркулирует в нем между верхним и нижним барабаном, связанными кипятильными трубками. Пар из верхнего барабана или соединенного с ним паросборника переходит в пароперегреватель, расположенный обычно в верхней части котла над или между пучками кипятильных трубок. Перегретый при постоянном давлении пар поступает в турбину. В установках с давлением пара свыше 40 атмосфер, во избежание черезмерной влажности пара в частях низкого давления турбины, приходится пар, прошедший часть высокого давления в турбине, подвергать вторичному перегреву до перехода его в часть турбины низкого давления. В последнее времяпоявляются конструкции паровых турбин со специальным отводом сконденсировавшегося пара из ступеней низкого давления. Такое устройство турбин позволяет работать сболее сырым паром и применение вторичного перегрева производить уже только приболев высоких (порядка 80 —100 атмосфер) начальных давлениях пара. Вторичный перегрев осуществляется либо в котле дымовыми газами, либо паром. В некоторых установках, применяющих вторичный перегрев пара, турбина высокого давления отделена от турбины низкого давления и имеет отдельный вал и отдельный генератор. В САСШ, на станции Форда в Детройте, применено 2-хэтажное расположение турбин: турбина высокого давления со своим генератором располагается над турбиной низкого давления. В целях увеличения термического коэффициента полезного действия установки современная техника стремится к увеличению давления пара и температуры перегрева.
В целях наиболее дешевой и надежной выработки пара в последние годы разработан целый ряд новых конструкций паровых котлов. Большинство этих конструкций работает с принудительной циркуляцией воды или пара. Можно указать на котел Бенсона, работающий на критическом давлении (225 атмосфер) с принудительной циркуляцией воды, котел Леффлера, работающий с принудительной циркуляцией перегретого пара на высоком давлении (порядка 130 атмосфер), котел Ламонта, в котором применили для поверхности топочного экрана, собственно котла и экономайзера трубки малого диаметра (38 миллиметров) и принудительную циркуляцию воды, а также целый ряд других конструкций. Что касается перегрева пара, то в виду выработки ряда специальных сортов сталей в настоящее время можно применять пар с температурой перегрева до 500°.
В САСШ весьма распространенным и надежным в эксплуат.ом отношении считается давление в 100 атмосфер, хотя и там на крупных конденсационных станциях обычно применяется давление порядка 30—40 атмосфер На европейских силовых установках такжевесьма распространяется такое давление. Наряде отдельных промышленных теплоэлектроцентралей в Германии установлены котлы высокого давления (от 60 до 130 атмосфер) и есть много хороших отзывов о работе этих установок В СССР в последние годы на тепло- электроцентралях начало применяться высокое давление. Имеются 2 установки на 60 атмосфер (Москва и Березники) и кроме того в Москве построена теплоэлектроцентраль, где установлены котлы А. Леффлера в 130 атмосфер и прямоточный котел советской конструкции. Применение высокого давления особенно целесообразно на теплоэлектроцентралях, строящихся на привозном, дорогом топливе. В САСШ в целях повышения коэффициента полезного действия электрических станций за последние годы для работы в тепловом цикле пробуют применять пары ртути. Коэф. полезного действия такой станции, работающей на смешанном цикле водяных и ртутных паров, может достигать до 35—37%. В Харфорде уже несколько лет работает такая устанока на мощность в 10.000 киловатт. Коэф. полезн. действия этой установки около 31°/о. За последние годы должны быть вновь установлены еще в двух пунктах такие ртутнопаровые аггрегаты, мощностью по 20.000 квт. в каждом пункте. Ртутные пары работают при давлении около 8,5 атмосфер и 500° С перегрева, причем в конденсаторе они охлаждаются до температуры 250° С (смотрите материалы Парижского конгресса 1932 г.). Кроме парортутного цикла, изучаются экспериментально и другие „бинарные“ циклы (с двумя рабочими телами).
4. В конденсационных Э. с., то есть не использующих в большом количестве отработанный в турбинах пар для отопительных целей, требуется приблизительно в 60 раз больше воды для охлаждения конденсатора, чем для испарения в котлах. Водоснабжение большой паровой станции представляет большие трудности, и во многих случаях именно условия водоснабжения ограничивают мощность, которую можно установить на станции. Возможны 3 схемы водоснабжения: а) вода берется из реки, прогоняется через конденсаторы и спускается обратно;элементом,
ограничивающим мощность станции является дебет воды в реке; в некоторых случаях этот способ требует сложных сооружений: для забора воды из реки с меняющимся руслом и с большими колебаниями уровня, а также для подъема воды на нагорный берег реки;
б) устраивается искусственный пруд; вода для охлаждения возвращается в тот же пруд и, пройдя некоторое расстояние, искусственно удлиняемое направляющими сооружениями, снова возвращается в конденсатор; ограничивающим мощность станции фактором при прудовом водоснабжении является поверхность пруда, так как от нее зависят условия охлаждения воды; приток свежей воды, обычно, значительно меньше того количества воды, которое проходит через конденсатор; прудовое водоснабжение иногда оказывается более дешевым, чем снабжение станции водой из реки (например, на Горьковской Э. с. в г. Балахне на берегу р. Волги применяется прудовое охлаждение, несмотря на близость мощной реки);
в) нагретая в конденсаторах вода охлаждается в градирнях и вновь возвращается в конденсаторные установки, часть ее испаряется в градирнях и теряется в водопроводах, для ее конденсации подается добавочная вода; последний способ дает худшие условия работы конденсатора, чем первые два, но зато требует значительно меньшего количества воды ).
Во всех случаях количество воды и, потребное для охлаждения одного килограмма пара в конденсаторе, зависит от температуры самой охлаждающей воды и температуры, которую должен иметь конденсат, и определяется по
%2 <к ,
формуле п=, —т -, где и—теплосо-
1.2 - Г]
держание отработанного пара в калориях, U температура конденсата, ty и t-2 — начальная и конечная температура охлаждающей воды в °С. Во избежание загрязнения конденсатора охлаждающая вода в некоторых случаях подвергается грубой очистке. В Германии с успехом применяется нагретая вода,
) В последнее время получает распространение „брызгальиое“ вод-снабжение (например,у нас на Кузнецкой районной централи), которое несколько дешевле и лучше, чем градирни, но зато требует больше воды.
вышедшая из конденсатора, для подогрева почвы на огородах около станции с целью повышения урожайности. Эту идей предполагается использовать и у нас.
5. Для охлаждения генераторов производится искусственная вентиляция последних. Воздух для этой цели засасывается извне, очищается воздушным фильтром, проходит затем в генераторы через охладительные ходы, а также прорези и осевые каналы в железе статора и ротора и далее выгоняется наружу. Нагретый воздух по желанию может быть направлен или в атмосферу, или в машинный зал для отопления в холодные дни.
В последнее время, гл. обр. в целях предохранения обмоток генератора от загрязнения, стало сильно распространяться охлаждение генератора воздухом, работающим в замкнутом цикле. Воздух, пройдя генератор, по закрытым каналам отводится в специальный холодильник, откуда вновь поступает в генератор.
Возможность увеличения нагрузки генератора ограничивается температурой его обмогок, повышение которой обусловливается омическими потерями в обмотках, пропорциональными квадрату силы тока, и магнитными потерями в железе. При данной конструкции генератора его можно нагрузить тем больше, чем больше охлаждающая среда в состоянии отвести от него тепла в единицу времени. Обычный воздушный способ охлаждения генераторов не является идеальным; есть способы, позволяющие отвести значительно большее количество тепла — это применение либо водяного охлаждения, либо охлаждения с помощью водорода. Охлаждение водой не получило распространения в виду трудности подведения воды в закрытых каналах близко к обмоткам.
В САСШ возникла идея охлаждения генераторов водородом. Водород, как известно, имеет гораздо большую весовую теплоемкость и коэффициент теплопередачи, а кроме того плотность водорода составляет только 7°/о от плотности воздуха. Эти обстоятельства ведут к более быстрому поглощению и отводу тепла, выделяющегося из обмоток генератора, а также к уменьшению потерь от трения при вращении ротора в воздухе. В итоге получается, что один и тот же генератор при водородном охлаждении можно перегрузить на 25°/о, не превышая его предельной температуры, что, конечно, имеет большое значение в смысле рациональности использования оборудования. Водород работает в замкнутом цикле и, нагревшись, охлаждается в специальном холодильнике, чтобы затем снова направиться в генератор. Давление водорода поддерживается несколько выше (порядка 0,03 — 0,04 килограмма!смг) атмосферного. Потеря водорода в этом случае составляет совершенно незначительную величину.
Высказывается предположение об опасности применения водорода из-за возможности образования взрывчатой гремучей смеси. Но надо иметь в виду, что водород в смеси с воздухом безопасен до 10% и свыше 70% содержания воздуха. Должны быть исключительно неблагоприятные обстоятельства, чтобы могла образоваться гремучая смесь. В устройствах охладителей, работающих водородом, устанавливаются специальные приборы для наблюдения за составом газа; кроме того, давление водорода выше атмосферного, и это гарантирует от засасывания воздуха внутрь. Перед зарядкой охладителя водородом генератор и холодильник необходимо продуть каким-либо нейтральным газом, например углекислотой. Естественно, что устройство водородного охлаждения, дающего такую большую экономию в генераторе, окупается очень быстро. Что касается конструктивных возможностей устройства водородного охлаждения, то надо сказать, что наличие проходного вала генератора довольно сильно усложняет устройство. Наоборот, в синхронных компенсаторах установка эта весьма проста. В 1932 г. в САСШ были установки синхронных компенсаторов, работающих на открытом воздухе с водородным охладителем: на 12.500 ква и 20.000 ква.
6. Циркуляция электрического тока, выработанного на станции, в отличие от всех преждеописанных замкнутых круговых процессов, охватывает огромную территорию в сотни и тысячи кв.
км. Электрический ток, генерируемый на станции при напряжении, доходившем в 1932 г. до 25.000 вольт (в отдельных случаях; обычно же в крупных установках 6.600, 11.000 или 13.000 вольт), пройдя распределительное устройство частично, а на некоторых станциях целиком, идет при генераторном напряжении в местную распределительную сеть, обычно кабельную, для снабжения электроэнергией местности вблизи станции. У потребителей это напряжение понижается до 6.000 или 3.000 вольт для крупных моторов, 110, 220 или 380 вольт для освещения и мелких моторов (иногда для последних применяется 500 вольт). Пройдя трансформаторы, ток возвращается в генератор, породив во вторичной обмотке трансформатора индуктированный ток другого напряжения, имеющий свой собственный круговой цикл.
Та часть генерированной энергии, которая подлежит передаче на большое расстояние, из генератора направляется на повыеительную подстанцию, которая в настоящее время делается обычно открытой. На повысительной подстанции напряжение повышается обычно до стандартных напряжений 115,220 киловольт, а в последнее время (в САСШ) и до 380 киловольт. В некоторых случаях применяются также и промежуточные напряжения, например 154 киловольта. В настоящее время (1932) установлена эксплуат-онная надежность напряжения в 380 киловольт, однако данных о результатах длительной практической работы с этим напряжением в литературе еще нет. Ток передается по линиям в центры потребления, где на понизительных подстанциях напряжение доводится до величины, необходимой для питания распределительной сети.
Для коммутации тока служат масляные выключатели и разъединители (треншальтеры): первые дают возможность размыкать и замыкать сеть под напряжением и под током, последние позволяют производить эти операции только при отсутствии тока. Масляные выключатели, расположенные внутри здания, размещаются во избежание опасности от взрывов в бет.х ячейках. При больших мощностях камерувыключателя всегда стараются сделать изолированной с выходом наружу или, в крайнем случае, в корридор (взрывные камеры). Этим стараются защитить остальное оборудование распределительного устройства в случаях взрыва масляного выключателя, которые иногда имеют место. Помещение, в котором расположены шины и высоковольтное оборудование, делается недоступным для посторонних лиц. Для приведения в действие механизмов высоковольтного оборудования, которым обыкновенно манипулируют на расстояние, и для действия защитных приборов применяется постоянный ток, для чего имеется специальная батарея аккумуляторов.
Возбудители генераторов, вырабатывающие постоянный ток для питания электромагнитов ротора, обычно насажены на общий вал с генераторами; иногда имеются специальные возбудители, обслуживающие несколько генераторов. Для устойчивости парал-лельнойработымашин станций,обслуживающих совместно сеть большой протяженности, устанавливаются специальные быстро-действующие возбудители, способные в случае потребности (при коротком замыкании) в течение долей секунды поднять падающее напряжение, что является необходимым для предупреждения выпадения из синхронизма параллельно работающих на различных станциях генераторов. Для собственных нужд станции электроэнергия получается через специальный щит либо трансформированная от главных, либо от вспомогательных аггрегатов, так называемых хаустурбин (турбины домашних нужд). На всякой станции должны быть приняты все меры к тому, чтобы при самых серьезных авариях обеспечивалась в котельной работа питательных насосов и на всей станции снабжение вспомогательных механизмов и освещения электрическим током.
Э. с., имеющие турбины с противодавлением или со значительным отъемом пара для отопительных целей или технологических процессов каких-нибудь предприятий, называются теплоснабжающими Э. с. (теплоэлектроцентралями, смотрите ниже). Как общееправило, при одинаковом давлении, при одинаковых условиях работы д. с. больгией мощности с более крупными единицами дешевле 9. с. с более мелкими. Эта особенность очень сильно сказывается при мощностях единиц до
10.000 киловатт и изображена графически на рисунке 3. При повышении давч
I
|
1 | |
| |
| |
| |
| |
| |
|
i
1 | |
| |
| |
| |
| |
| |
|
1 | |
| |
| |
| |
| |
| |
|
1 | |
| |
| |
| |
| |
| |
|
| |
| |
| |
| |
| |
| |
|
V
> | |
| |
| |
| |
| |
| |
|
| |
| |
| |
—___ | |
— | |
| |
10000 го.ооо 30000
изменение убелбной стоимости iMffm по сравнению с токовой при мощности в30. ООО квт.
Рисунок 3.
ления некоторые части установки значительно удорожаются (в особенности котельная), некоторые, наоборот,удешевляются (меньшее сечение паропроводов, более компактные установки, следовательно уменьшение строительных работ). В 1932 г. вопрос о том, на сколько °/о 100-атмосферная Э. с. дороже 30-атмосферной, был еще спорным: в литературе встречались указания на удорожание 100 атмосферной установки на 13— 15°/0 по сравнению с 30-атмосферной, а в отдельных случаях в САСШ отмечалось на основании опыта фактически произведенной установки, что в конечном счете 100-атмосферная установка оказалась в отдельном случае не дороже 30-атмосферной. Как общее правило, при прочих равных условиях установка, сжигающая высококалорийное топливо, дешевле, чем сжигающая низкокалорийное топливо, и наиболее дешовой является Э. с., сжигающая мазут или газ. Устройство для приготовления угольной пыли дает удорожание установки на 20—80 руб.
за киловатт. В табл. 1 приведены дан-1 ватта нескольких Э. с., построенных ные о стоимости установленного кило в СССР и за границей.
СТОИМ!.CI ьстанции (в руб. на krt.)
Таблица 1.
Стоимость паровых электростанций в рублях на один установленный киловатт.
Страна и название станции.
Бобриковская им. Сталина (проект)
Шатурская им. Лепина
Красный октябрь
Шахтинская
Новороссийская ..
С.-А.С.Ш.
Из примеров, приведенных без названий Э. о. к докладе L. W. W. Morrow на 2-ой энергетической конференции в Берлине 1930 г. Германия
Клингенберг, около Берлина ..
Род топлива
Подмоскови. уголь (пыль Торф Торф
Аптрац. ш: ыб, в пыле видном состоянии Мазут
Угольная пыль
Угольная пыль
Мощность в тыс. квт.
ЗСО
106
10S
44
300
2СО
1.0
350
352
396
345
162
242
264
112
(244 пер. мар
Дизельные станции но своему устрой-отву проще, чем паровые. Они значительно компактнее и не требуют столь больших количеств охлаждающей воды. Для небольших Э. с. дизеля (смотрите XVIII, прил. двигатели внутреннего сгорания, 9 сл.) являются очень экономичными первичными двигателями, и они дают стоимость энергии обычно ниже, чем паровая станция. При больших мощностях положение меняется. Как известно, дизеля строятся на предельные мощности небольшие сравнительно с мощностями паровых турбин, а именно: в 1932 г. наибольшая мощность дизельаггрегата на Э. с. была 10.000 киловатт. Коэффициент полезного действия дизельных станций значительно выше, чем таковой для небольших паровых станций, но станции высокого давления с вторичным подогревом пара и регенеративным процессом дают уже коэффициенты полезного действия, приближающиеся к дизельным. Одним из больших преимуществ дизельной станции является быстрый пуск ее в ход в случае надобности. Это делает ее вполне пригодной для роли пиковой станции, но высокая стоимость дизелей очень неблагоприятна для работы их с малым числом часов использования. В условиях ССОР дизельные станции применяются и будут применяться там, где еще не осуществлена централизованная схема электроснабжения, в особенности
>
в безводных местностях. Однако, в виду крайней ограниченности мировых запасов нефтетоппива надо вообще избегать применять дизеля на Э. с., оставляя их применение там, где они незаменимы, например на транспорте. Очень интересна задача перевода дизелей на пылевидное топливо, над чем работает в Германии ученик Дизеля — Павли-ковский. Сам Дизель свой двигатель предназначал первоначально именно для работы на угольной пыли, но, встретив трудности, перешел на нефть. Дизельные станции, как и паровые, строятся с использованием отработанного тепла. Так, например, Вода, охлаждавшая цилиндры, используется для бани, или прачешной, или другого потребителя горячей воды; отработанные газы—для подогрева той же охлаждающей воды для отопительных целей или для работы испарителя. Отработанные газы газовых двигателей на металлургических заводах часто применяются для нагрева специальных котлов, водяной пар ко.орых работает в турбинах низкого давления. Так создаются смешанные станции с паровыми турбинами и двигателями внутреннего сгорания (в том числе и дизелями).
Из термических статный, основанных на принципе использования в качестве источника энергии существующих в природе тепловых перепадов небольшой величины, отметим проект французов Клод и Бушеро
(Claude et Boueherot) построения на острове Кубе Э. с. полезной мощностью
40.000 квт. Предполагается использовать разность температуры воды на поверхности моря в тропиках (от 26 до 29° С) и на глубине 1.000 м, с каковой глубины по металлической трубе длиною в 1.800 м и диаметром в 10 м накачивается в резервуар вода при температуре 5—6° С. Роль котлов исполняют испарители, в которых специальными насосами поддерживается вакуум. Вода е поверхности моря, поступающая в испаритель, превращается под вакуумом в пар давления 0,034 атмосфер при 26° С. Этот пар срабатывается по проекту в турбинах специальной конструкции, испытанной изобретателями на опытных установках малого масштаба. Отработанный пар поступает в конденсатор, где охлаждается водой,поднятой с глубины моря. Расход теплой воды при указанной мощности установки —140 с3 в сек., расход холодной воды —75 л3 в сек. По проекту 8 турбин приводят в движение 4 генератора трехфазного тока по 12500 квт., из суммарной мощности которых 10.000 квт. расходуется на работу насосов, поддерживающих вакуум и поднимающих холодную воду с глубины. Стоимость установки без участка земли, иовысительной подстанции и линий передач около 200 руб. на квт. (смотрите фр. журнал Revue Generale dEIectricite, 12/XI, 1932),
С 1930 г. появились в технической литературе описания проектов установок для арктических стран, использующих для получения электроэнергии разность температур холодного воздуха зимой и воды под ледяным покровом. В качестве рабочего тела для первичных двигателей этих проектов предлагаются вещества, имеющие более низкую точку кипения, чем вода (близкую к 0°С и ниже). Такие проекты могли бы иметь практическое применение в СССР (установки Борнео).
О гидроэлектрических станциях см. XIV“, 519/20, прил. гидротехнические сооружения. В настоящее время, в виду крайней условности подразделения гидростанций на станции низкого, среднего и высокого давления, было бы правильнее классифицировать их взависимости от применимости того или иного основного типа турбин: станции низконапорные, в которых применимы пропеллерные турбины (в 1929 г. на конференции в Токио предельным напором для этих турбин назывались 18 и 23 м) станции среднего напора, для которых рационально применять турбину Френсиса (на конференции в Токио предел назывался 290 м); станции высоконапорные, те, на которых можно применять только активные турбины (колесо Пелыпона). О турбинах см. турбины, XLI, ч. 10, 45 сл.
Гидростанции могут быть разделены на станции, в которых напор создается искусственно плотиной, и на станции, использующие естественный напор, путем туннеля или деривационного канала. Плотина в станциях второго типа служит гл. обр. для создания водохранилища и направления воды в водоприемные сооружения. На конференции в Токио (1929) было сообщено на основании изучения практики строительства гидростанций в САСШ и Канаде, что наиболее дешевый установленный квт. имеют гидростанции, использующие напоры от 25 до 30 м. В СССР из всех построенных, строящихся или запроектированных гидростанций наиболее дешевый установленный киловатт оказывается у Днепровской (напор 37 м). Это не исключает возможности постройки особо дешевых гидростанций при использовании очень большого падения в горах без черезмерно сложных сооружений (эти условия имеются, например, в Норвегии), но, обычно, в этих условиях станции сравнительно маломощны. В 1929 г. на конференции в Токио отмечалось, что турбина Каплана (пропеллерная с поворотными лопатками) практически завоевала всю область низконапорных гидростанций. Наибольшая мощность турбин Каплана в этом году была 37.500 л. е., при напоре около 11 м. 4 такие турбины строились для станций Рербург Швер-штадт на Рейне и столько лее для Нижне-Свирской станции (Ленинград).
Для примера современной гидростанции с искусственным и естественным напором приводим краткое описание схемы, выстроенных в 1932 г. Днепровской имени В. И. Ленина и
Рионской гидростанций. У Запорожья <б. Александровым) остров Хортица, на котором некогда была Запорожская Сечь, разделяет Днепр на 2 русла: Старый Днепр и Новый Днепр. Несколько выше Хортицы построена плотина, создающая напор в 37 м. Плотина изогнута против течения. Длина ее около 3U км. На правом берегу к плотине примыкает здание гидростанции, на левом располагается шлюзовая лестница с тремя камерами. За плотиной образуется мощное водохранилище. Подъем воды распространяется на 100 км вверх по реке, и в Днепропетровске (б. Екатеринослав) на расстоянии 82 км от плотины еще ощущается подъем грунтовых вод. Все пороги между Запорожьем и Днепропетровском, в том числе и знаменитый Нена-сытецкий, перекрыты на высоту достаточную для сплошного судоходства. Так. обр., Днепростроем решается не только энергетическая, но и важная транспортная проблема. Впереди здания станции расположена открытая повысительная подстанция. Через плотину сделан мост. Между плотиной и Запорожьем через оба русла Днепра перекинуты железнодорожные моеты взамен затопленного Кичкасского.
Объем работы по строительству характеризуется следующими цифрами: бет.ой кладки всего около
1.150.000 т, земляных работ—600.000 т, а скальных—400.000 ш. В октябре 1930 г. на Днепрострое установлен новый мировой рекорд месячной кладки бетона (110.500 т, вдвое больше .предыдущего американского рекорда). Турбины типа Френсис по 90.000 лошадиных сил каждая при 88 оборотах в минуту, фирмы Ньюпорт Ньюс в САСШ. Пять генераторов по 62.000 квт. заказаны в Америке и четыре делаются в СССР ВЭО на ленинградском электромашиностроительном заводе .Электросила“. Последние три аггрегата устанавливаются не сразу, в течение первых 1—1/2 г. эксплуатации. Днепровская ГЭС им. Ленина дала первый промышленный ток 1 мая 1932 г. и торжественно открыта 10 октября 1932 г. Стоимость Днепровской станции по смете: размер капитальных затрат на все сооружение при 6 аггрегатах—202,7
млн. руб., при 9—217 млн. руб. Из них на жел.-дор. стоительство и мосты через Днепр—19 млн. руб., стоимость строительного оборудования, остающегося после постройки—17 млн. руб., линий электропередач и подстанций комбината—10 млн. руб. Так. обр. на аппарат производства энергии и судоходства затрачивается сумма кругло 157 и 171 млн. руб. Соответственно стоимость установленного киловатта составляет 423 и 307 руб. по смете (фактически, примерно, на 30% выше, то есть кругло 550 и 400 руб.). Так как при сравнении с паровой станцией, надо к стоимости последней прибавить капитальные затраты на добычу и транспорт угля, можно отметить, что установленный киловатт Днепровской гидростанции в общем дешевле, чем таковой на паровых станциях с учетом их топливной базы. Для исчисления стоимости энергии Днепровской станции на капитальные затраты при постройке первой очереди начисляется 6% сложных за время постройки. Если дальше считать 6% на капитал и фактическую аммортизационную квоту для каждой части сооружения, то стоимость одного киловаттчаса получается около одной копейки. Средне взвешенная стоимость энергии Днепровской и паровой станции в Западном кольце составит у потребителя около 1,5 коп. при суммарном производстве энергии, порядка 5 миллиардов квт-ч., из которых 2,9 млрд, вырабатывает Днепровская гидростанция.
Рионская гидроэлектрическая станция, мощностью в 40 т. квт., расположена у подошвы южного склона Саго-рийского плато близ железнодорожной станции „Рион“ в 10 км от г. Кутаиси-Вода для станции забирается из р-Рион в 1 /2 км выше цепного моста в г. Кутаисе, проходит через штольню, длиною 1.440 м, которая переходит далее в деривационный канал, протяжением 7,8 км. Путем расширения канала, на части его длины образуется бассейн суточного регулирования. Канал примыкает к напорному бассейну, от которого отходят 4 напорных трубопровода, подающие воду к турбинам станции; вышедшая из турбин вода отводящим каналом, длиной 0,8 км,
выводится в реку Квирилу, приток р. Рион. Располагаемый на станции напор брутто равен 67,58 м, полезный напор максимум 61,8 м, минимум-59,8 м. Для захвата воды перед водоприемником возведена плотина, создающая подпор в 9,8 м над уровнем низких вод. Высота плотины над дном около 11 м, а длина по гребню—115 м для пропуска наибольшего паводка 2.335 м$ в секунду. В плотине имеются 4 отверстия, разделяемые между собою быками и закрываемые двойными щитами, которые подымаются и опускаются с помощью лебедок, установленных на верхнем крытом мостике; справа от верхних отверстий к плотине примыкает сифонный водосброс. Для пропуска плотов устроен плотоход, шириною в 7,5 м. Выработка электроэнергии, возможная на Рионск. станции при неограниченном графике, составляет 300 млн. квт/ч. Турбогенераторы для Рионгэс выполнены в Ленинграде.
Стоимость гидростанций. В табл. 2 показана стоимость нескольких гидростанций, построенных и строящихся
Таблица 2.
Стоимость гидростанций на установленный квт. в рублях (по оценке 1929-30 г.)
|
Название станции | |
Напор в м | |
Мощность в мгвт | |
Стоимость на квт. | |
|
Днепровская | |
37 | |
558 | |
307 | |
|
| |
| |
(372) | |
(423) | |
|
Земоавчальская | |
23 | |
37 | |
515 | |
|
Рионская | |
60 | |
40 | |
565 | |
|
Свирская | |
12 | |
96 | |
1.16) | |
|
Волховская | |
11 | |
58 | |
1.220 | |
|
Северо - Американ- | |
| |
| |
| |
|
с кие по докладу | |
| |
| |
| |
|
Морроу па Берлин- | |
| |
| |
| |
|
ской конференции | |
| |
| |
| |
|
1930 г. | |
| |
| |
| |
|
от | |
| |
| |
181 | |
|
| |
(70 | |
долларов за | |
лошадиных силу) | |
|
| |
| |
| |
1.050 | |
|
| |
(400 долларов за | |
лошадиных силу) | |
в СССР. При сравнении стоимости электрических и паровых станций с народнохозяйственной точки зрения надо иметь в виду, что для сравнимости надо, с одной стороны, учесть условия работы гидростанции, которая зависи4 от режима реки, а с другойстороны—то обстоятельство, что гидростанция заменяет собою не только паровую станцию, но и топливную базу последней, почему к капитальным затратам на постройку паровой станции необходимо прибавить капитальные затраты на добычу и транспорт топлива.
> Энциклопедический словарь Гранат, страница > Электрические машины
