Ответы на экзаменационные вопросы № 1-25 дисциплины "Электрические машины" (Опыт короткого замыкания трансформатора. Определение параметров короткого замыкания. Торможение двигателей постоянного тока)

МАШИНЫ

1. Опыт к.з. тр-ра. Определение параметров к.з.

К зажимам первичной обмотки подводим напряжение, вторичная разомкнута. Измеряется: ток, напряжение, потребляемая мощность, вторичное напряжение.

Если тр-ор 3-х фазный, то измеряются линейные токи и напряжения.

По данным 3-х вольтметров находятся средние значения величин. Р₀=P’+P”. По средним значениям вычисляются параметры цепи: (если первич.обмотка соединена в звезду)

Коэффициент трансформации определяется по фазным либо линейным напряжениям.

Если обмотка соединена в треугольник:

но поскольку Z₁>>Z_M,R₁>>R_M,X₁>>X_M, то Z₀≈Z_M,R₀≈R_M, X₀≈X_M,

Обычно данные снимают для различных значений U_C=(0.25÷0.5)U_Н По этим данным строят характеристики х.х., затем снимают величины для U_Н и рассчитывают, что надо.

МАШИНЫ

2. Опыт к.з. тр-ра. Определение параметров к.з.

Если трансформатор 3-х фазный то замеряются линейные токи и напряжения, находят средние величины Р_К=Р’+Р”

Если обмотка соединена в звезду, то

Если в треугольник, то

Z_K≈Z₁+Z₂’, R_K≈R₁+R₂’, X_K≈X₁+X₂’. Величины напряжений не зависят от напряжений.

U_К.З. – такое приложенное напряжение к первичной обмотке тр-ра, при котором в режиме К.З. в трансф. протекает номинальный ток. U_КН=I_H+Z_K

U_KH определяется в %, указывается в паспорте трансформатора.

Если известно U_кз, то I_кз в о.е. при U_H

 То U_кз имеет активную и реактивную оставляющую

МАШИНЫ

3. Группы соединений трансформатора.

Группа соединений обозначает угол сдвига между одноимёнными линейными ЭДС высшего и низшего напряжений. Удобно группу стрелками. При этом линейная ЭДС ВН-минутная стрелка, а одноимённая линейная ЭДС НН-часовая стрелка. При этом считается, что минутная стрелка всегда на 12, тогда сколько покажут часы – такая и группа.

Однофазные трансформаторы:

Векторы в любой момент направлены одинаково.,

группа соединений 0

Если изменим направление обмоток, либо переставим фазы, то группа соединений 6.

3-х фазный трансформатор

Одноимённые обмотки находятся на общих стержнях, направление намотки одинаково, начало и концы обмоток одинаковы.

Если для трёх случаев поменяем начало и концов получим 6,10 и 2. При соед Y/Y – 6 групп чётных, также 6 групп получаем при D/D. Если первичная в Y, а вторичная в  D

.

Если проделать круговую перестановку,то получим ещё 5-ть нечётных групп(1,3,5,7,9). Стандартизованы только 0 и 11 группы.

МАШИНЫ

4. Условия включения 3фазных тр-ов на || работу.

ПРТ выгодна со след. целью:

1.большая гибкость системы ЭС.

2.Уменьшение потерь в СЭС путём отключения недогруженных тр-ов.

3.Уменьшения мощности резерва.

4.Повышение надёжности ЭС.

Условия параллельной работы:

1.Тр-ры включенные на ||-ю работу должны иметь одинаковые группы соединений.

2. Тр-ры должны иметь одинаковые первичные и вторичные напряжения (одинаковые коэф.тран-ции).

3.Тр-ры должны иметь одинаковые  напряжения к.з.

Первые 2-а условия необходимы для того, чтобы на ХХ не возникало уравнительных токов. Третье условие для того, чтобы общая нагрузка распределялась пропорционально номинальным мощностям тр-ов. Перед включением нужно выполнить фазировку либо проверить фазировку. Правило фазировки предусматриваются стандартом.

МАШИНЫ

6. Регулирование напряжения в тр-рах.

Т.к. напряжение в сетях меняется в зависимости от нагрузки сетей, то напряжение на первичной обмотке ЦТП также меняется, что влечёт изменение напряжения на нагрузке. Для того чтобы поддерживать напряжение нагрузке постоянным в трансформаторах предусматривается регулирование напряжения. В таких случаях изменение напряжения осуществляется на первичной стороне, т.е. изменением числа витков в первичной обмотке. В этом случае ЭДС одного витка и поток тр-ра остаётся const. Исходя из технологического процесса требуется регулирование напряжения на нагрузке. Например эл.печи. В этом случае целесообразно изменять кол-во витков на вторичной обмотке. Поток тр-ра остаётся неизменным.  В печных тр-ах регулирование напряжения может производится как при снятии напряжения, так и под нагрузкой. Тр-ры  осуществляющие регулирование под нагрузкой  оснащаются системой РПН.

Регулирование при отсутствия возбуждения (при отключении тр-ра) обычно осуществляется в пределах ±5% либо 2.5%. С точки зрения дешевизны переключателя выгодно отводы располагать со стороны заземляющей точки. Переключатель находится под меньшим напряжением и делается один переключатель для 3-х фаз сразу.

Регулирование напряжения под нагрузкой осуществляется в пределах ±10-16% через 1.25%. Т.к. переключение отводов производится без разрыва тока, то во время процесса переключения часть витков оказывается замкнутой накоротко. В них будет  уравнительный ток. Для ограничения этого тока необходимо принимать меры. Ток ограничивают с помощью реакторов, активных иR, а также делают вентильные переходы.

МАШИНЫ

5. Автотрансформаторы и их характеристики.

Автотрансформатор у которого помимо магнитной связи между первичной и вторичной обмотками имеется еще и эл связь между обмотками. Обычно часть обмотки служит первичной а часть вторичной. У АТ мощность из первичной во вторичную обмотку передаётся как магнитным путём так и эл. Ат. Могут быть понижающими и повышающими.

 

Ка – коэффициент трансформации Ат.

Ат характеризуется проходной мощностью и расчётной (эл. магн.), т.е. мощность, которая передаётся эл. магн. путём. На эту мощность Ат рассчитывается. Эта мощность определяет его массу и стоимость. У обычного трансформатора проходная и расчётная это одна и таже мощность, а у Ат они разные причем расчетная меньше проходной S_ПР=E₁I₁=E₂I₂, S_РАСЧ=S_ЭН=E₂I_ах ток I_ах равен геометрической сумме I₁+I₂. Если пренебречь током х.х. то I₁ и I₂ сдвинуты друг относительно друга на 180⁰, т. е. I_ax=I₂ – I₁, отсюда мощность которая передаётся эл. путём

Построим графики зависимости мощностей от коэффициента трансформации. При росте К_а доля мощности передаваемая эл. магнитным путём возрастаем и при К_а=10 почти вся мощность передаётся эл. магнитным из первичной во вторичную. Чем меньше К_а тем выгоднее использовать тр-р (до 2,5). Д: меньше габариты, масса, цена. Н: наличие эл. связи между обмотками, большие токи К.З.

Применяется для пуска мощных СД и АД, для связи эл. сетей с близкими напряжениями.

МАШИНЫ

8. Векторная диаграмма СГ.

1.Без учёта насыщения.

На основании 2-ого закона Кирхгофа составим уракнение. Напряжение на зажимах равно сумме ЭДС минус падение напряжения на обмотке якоря.

Построим по этому уравнению ВД. Чем больше нагрузка, тем больше ÐQ.

Разложим вектор jIsa на два вектора jIsa×cosy и jIsa×siny, тогда получим:

По данному уравнению построим ВД. (далее смотри на обороте)

2. ВД с учётом насыщения.

Зная ток нагрузки, напряжение, и cosj можно построить ВД и определить ток возбуждения. Для построения ВД нужна характеристика ХХ. По характеристике ХХ находим МДС Fd.

K_f – коэффициент формы для полюсов.

МДС обмотки возбуждения:

МАШИНЫ

9. Угловая характеристика СМ.

Зависимость Р_ЭМ или М от Q. ВД СМ при R_а=0(без потерь в стали и обмотке якоря). В этом случае: Упрощённая ВД имеет вид

из ВД найдём Id и Iq. Для этого скопируем все векторы на горизонтальную и вертикальную оси.

Тогда:

Тогда

Это выражение называется выражением углоаой характеристики. Мы имеем 2-е составляющие

W_С=w/p – синхронная частота.

Неявнополюсная машина. В этом случае Xd=Xq=Xc, тогда

и выражения

Рассмотрим её полуволну (0-180)

Т1 – точка устойчивой работы; Т2 – точка неустойчивой работы. В процессе работы могут возникать кратковременные возмущения. Если после их прекращения машина возвращается в прежний исходний режим работы, то такой режим называют статически устойчивым режимом работы и наоборот. Предположим, что под действием каких-либо условий угол Q изменился на DQ, мощность генератора увеличится на DP, т.е. Рген>Рп.д., появится

, т.к. момент М тормозной, который увеличится на величину DM и под его действием угол Q уменьшится до первоначального значения и мы опять вернёмся в точку 1. Если угол Q умень. на DQ то DР и DМ будут отрицательными. Тогда после исчезновения возмущения Мпд>Мг-ра и под действием DМ угол Q возрастёт до первоначальной величины. Поэтому DР синхрониз. Р, а DМ синхрониз. М. Условия устойчивой раб:

либо оба положительны, либо оба отрицательны. Если мы в Т2 и под действием возм-ия угол Q возр. На DQ тогда Рг-ра<Pнд на вел-ну DР, момент также ниже на DМ и Мг-ра<Мнд. И тогда под действием DМ угол Q станет ещё больше увеличиваться и машина выйдет из синхронизма.

МАШИНЫ

10. Характеристики СГ при работе на автономную нагрузку.

Хар-ки СГ: Х.Х., внешняя, регулировочная, К.З., нагрузочная.

Характеристика ХХ – Зависимость напряжения на зажимах или ЭДС от Iвозб при разомкнутой цепи якоря.

U=f(Iв) при I=0, n=n_Н

Если разделить ЭДС на Iв, то получим взаимоиндуктивность между цепью якоря и возбуждения. ХХ строится в о.е. за 1 напряжения – номинальное фазное, за 1 тока – ток дающий на ХХ ном. Возбуждение (Iво). Характеристики стандартизир.

 - коэффициент насыщения.

Внешняя хар-ка: зависимость напряжения от тока якоря при cosj=const, n=n_Н Вид характеристики сильно зависит от cosj, поэтому для акт., инд., и ёмк., Нагрузки характеристики разные. Сказывается влияние реакции якоря. номинальное изменение напряжения. Оно ГОСТом не регламентируется, но при cosj=0,7...0,8 DU_H=20…30%

Регулировочная характеристика: зависимость Iвозб от Iякоря

Она показывает как надо изменять ток возбуждения, чтобы при изменении тока нагрузки U=const.

Характеристика КЗ: зависимость тока якоря от Iвозб при накоротко замкнутых зажимах ОЯ. Iк=f(Iв) при U=0, n=n_НОМ Снимается при плавном повышении Iвозб до тех пор, пока Iякоря не станет ном. Магнитная цепь не насыщена при к.з. из-за размагничивающего действия реакции якоря и при токах до Iном х-ка представляет собой прямую линию. С помощю х-ки КЗ можно определить Uкз, построить реакт. D, определить ОКЗ. DАВС – реактивный D, СВ – падение напряжения на инд. Сопротивлении рассеяния ОВ. АВ – размагн. действие реакции якоря в масштабе Iв. ВА=Kid×I. Kid – коэффициент приведения Iяк к Iвозб. По характеристике КЗ и спрямлённой характеристики ХХ можно определить ненасыщ. значение синх. инд. сопр. реак. якоря  для продольной оси неявнополюсной машины и индуктивное сопротивление синхронной, акт. сопр. можно принебречь. ОКЗ – наз-ся отношение Iкз при номинальном токе возбуждения дающем на ХХ ном.напряжение к Iном.

Нагрузочная зависимость U на нагрузке от Iвозб при I=const, cosj=const, n=n_НОМ. При cosj=0 х-ка наз-ся индукционная. Характеристика ХХ яв-ся частным случаем нагрузочной О’A’=OA Xp=(1,1¸1,15)Xs - реактивное сопротивление потерь.

МАШИНЫ

11. Способы включения СГ на || работу.

Процесс синхронизации можкт длиться до нескольких десятков минут. Однако для СМ этот режим работы более тяжёлый чем несколько месяцев непрерывной работы. Синхронизация бывает точной (для дв. Р>500МВт и в лабораториях) и грубой (для двиг. Р<500МВт). Для точной синхронизации необходимо выполнить след. условия: 1.Частота сети и частота генератора должны быть равны. 2.Uсети и Uген должны совпадать по фазе и иметь одинаковые амплитуды. 3.Чередования фаз СМ должны быть одинаковыми. Ч-та генератора изменяется путём изменения частоты вращения, а U путём изменения Iвозб. Если условия соблюдены, то Uсети Uг-ра уравновешивают друг друга Uс+Uг=0. Соблюдение этих трёх условий контролируется синхроноскопом (ламповый и эл.магн. вращ. магн. поля) V – для контролирования напряжения. Лампочки расспологаются D для погасания света. Если все условия соблюдены, то HL не горят. Если частоты не равны то HL загораются и гаснут. Если разные напряжения, то HL мигать не будут, а будет разный накал. А если будет разное чередование фаз, то HL будут загораться и гаснуть не одновременно, а поочерёдно, при этом возникает эллюзия вращения света. Если синхроноскоп включён на вращение света, то при неверном чередовании фаз HL будут загораться и гаснуть одновременно. Поскольку добиться идеального равенства частот нельзя, то HL будут загораться и гаснуть. При этом необходимо добиться, чтобы период мигания был не мении 5 сек. Включить автомат в момент погасания ламп.

Более точно равенство Uсети и Uг-ра показывает вольтметр. Когда U=0 можно включать СГ.

Грубая снихронизация. Невозбуждённый СГ разгоняется » до ном скорости, при этом S=±2% и невозбуждённым включается в сеть. И немедленно сразу вылючается возбуждение. СГ втягивается в синхронизм. Включение невозбуждённого СГ равносильно к.з., но поскольку возбуждение включается немедленно и при включении в сеть включён автомат гашения поля, то токи не достигают больших значений (до 3-3.5Iном)

Автоматическая синхронизация. В этом случае измерение, включение и регулировка происходит автоматически. Недостаток: при авариях в сети когда U непрерывно изменяется снихронизация затягивается.

МАШИНЫ

7. Принцип действия и режимы работы СМ.

По устройству статор СМ ничем не отличается от статора АД. На роторе СМ имеется ОВ, которая питается пост.током Ток подаётся в ротор через контактные кольца и щетки. СМ может работать в режиме генератора, двигателя, компенсатора.

Генераторный режим.

Ротор вращается с частотой n об/с. Поток ротора пересекает витки статора и нидуцируют в нём ЭДС. Число полюсов на роторе и статоре одинаковое. Под действием этой ЭДС протекает симметричная система токов в статоре, к-е создают вращающиеся магнитное поле в статоре, которое вращается с частотой n₁=f/p=n, т.е. n=n₁

Режим двигателя.

Обмотка статора включена в 3-х фазную цепь. В обмотке статора протекает симметричная система токов, которые создают вращающиеся поле. Поле ротора привлекается во вращение. Причём ось ротора отстаёт от оси поля статора на некоторый угол Q. В то время как у генератора ось ротора опережает ось статора на угол Q , у двигателя отстаёт.

В режиме Компенсатора машина не несёт активной нагрузки (потребляет только небольшую Р для покрытия потерь). Обмотка статора Загружена реактивными токами. СК может потреблять либо отдавать реактивную мощность в сеть.

МАШИНЫ

12. Перевод акт. и реакт. нагрузки с одного г-ра на другой.

Рассмотрим работу 2-х СГ на общую шину. В этом случае нельзя говорить, что режим работы СГ не влияет нарежим работы сети. Если на одном генераторе необходимо уменьшить отдаваемую мощность, то Мвращ на его валу необходимо уменьшить (уменьшить подачу пара в турбину), а на валу второго генератора - -увеличить (увеличить подачу пара в турбину), тогда Р отдаваемая в сеть первым паром уменьшится, а вторым увеличиться. Если изменить М только одного генератора, то измениться частота сети, при увеличении момента частота падает. При диффиците Р в сети ч-та падает. Для перераспределения Q между двумя генераторами Iвозб одного генератора необходимо уменьшить, а другого увеличить. Если изменять Iвозб только одного генератора, то измениться Uсети. При увеличении Iвозб, Uсети возрастает. При диффиците Q сети падает U. При перевозбуждении машина отдаёт Q в сеть. При недовозбуждении машина потребляет Q из сети. Если Е>Uc – перевозбуждение. Если E<Uc – недовозбуждение.

МАШИНЫ

13. ОКЗ.

Иногда в паспорте машины указывают величину  обратную Xd*, называемую ОКЗ.

ОКЗ – наз-ся отношение Iкз к Iвозб. Дающем на хх Uном, к Iном.

Для неявнополюсных машин ОКЗ=0,5¸1,8. Следовательно установившийся ток к.з. в СМ сравнительно невелик (в некоторых машинах он меньше номинального) т.к. при этом режиме y»0, то и поле якоря сильно размагничивает машину. Очевидно, что при к.з. результирующий магнитный поток Фрез<<Фd  ЭДС Е<<Ер.

Величина ОКЗ показывает кратность тока КЗ и определяет значение мощности,к-ой можно нагрузить СГ. Следовательно целесообразнее иметь машину с небольшим ОКЗ, однако это требует выполнения её с большим воздушным зазором, что существенно удорожает машину.

МАШИНЫ

14. Пуск в ход СД.

Наиболее распространенным является асинхронный пуск. Для этого служит пусковая обмотка выполняемая в виде беличьей клетки. Пуск: обмотка возбуждения шунтируется резистором, сопротивление которого в 10 раз больше сопротивления ов. Затем обмотка статора включается в сеть либо непосредственно, либо с помощью тр-ра или реактора в зав-ти от тяжести пуска. Машина начинает разворачиваться как АД. При достижении СД S= 0,05 включается возбужд., а шунтирующий резистор отключается. СД под действием входного момента втягивается в синхронизм. Пусковые характеристики СД проектируются для более тяжелых или более легких условий пуска.1 – лёгкий 2 – тяжёлый

Если оставить концы ОВ разомкнутыми, то в нач. момент времени пуска она будет индуктировать большую ЭДС и может случиться пробой изоляции.

Если закоротить концы ОВ накоротко, то под действием ЭДС будут протекать токи, которые будут создавать пульсирующее